CN110779797B - 一种测量金属拉伸试验过程中塑性应变比的方法 - Google Patents

一种测量金属拉伸试验过程中塑性应变比的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种测量金属拉伸试验过程中塑性应变比的方法，包括以下步骤：在金属试样表面标距区域内布置散斑点制成待测拉伸试样；对拉伸试样进行拉伸试验，获得初始状态的图像作为第一图像，以及均匀塑性变形阶段的图像作为第二图像；对第一图像和第二图像的灰度场做相关性匹配可得第一图像所有像素点的位移场；对位移场进行微分计算得到标距区域内长度和宽度方向的真实塑性应变；根据拉伸过程中的体积不变原则，得到金属试样的塑性应变比。本发明具有非接触、对试样力学性能影响小、精度高、结果可靠等优点，为金属拉伸试验过程中精确测量塑性应变比（r值）提供了一种新的思路和手段。

Description

一种测量金属拉伸试验过程中塑性应变比的方法
技术领域
本发明涉及一种测量金属拉伸试验过程中塑性应变比的方法，属于材料力学技术领域。
背景技术
塑性应变比(r值)作为衡量金属板材成形性能的重要力学参数，反映的是金属薄板在某平面内承受拉力或压力时，抵抗变薄或变厚的能力。r值越大说明材料拉伸成形过程中宽度方向上容易变形来抵抗厚度方向上的变薄，而厚度减薄是冲压过程中材料发生断裂的主要原因之一。
由于塑性应变比(r值)表征的是材料在单向拉伸作用下宽度方向真实塑性应变和厚度方向真实塑性应变的比值，而长度的变形量比厚度的变形量测量更容易、更精确，故根据体积不变原理可用长度方向的变化量来替代厚度方向的变化量。实际测量塑性应变比(r值)过程中，往往采用接触式测量，即采用引伸计装卡在试样的标距两端，通过引伸计变形来测得试样的伸长量，虽然引伸计的使用可以提高测量精度，但与试样直接接触时必然会对其力学性能造成影响，而且宽度方向的变化无法用引伸计测得，需要依赖游标卡尺等传统测量工具，从而导致测量精度与实际还是存在一定的误差。
发明内容
本发明要解决技术问题是：提供一种非接触式测量、对试样力学性能影响小、精度高、结果可靠的测量金属拉伸试验过程中塑性应变比的方法。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种测量金属拉伸试验过程中塑性应变比的方法，包括以下步骤：
第一步、在金属试样表面的一侧均匀喷涂一层白色喷漆作为基底，待白色喷漆晾干后在标距区域的基底上布置多个散斑点，从而制成待测拉伸试样；
第二步、将所述拉伸试样的两端夹持在拉伸实验机上下横梁的钳口处，确保拉伸试样呈上下对称且垂直放置，所述拉伸试样的标距区域置于钳口中央；
第三步、对拉伸试样进行拉伸试验，拉伸速率设置低于0.008m/s；在拉伸过程中利用工业相机捕捉拍摄拉伸试样来进行数据采集，获得标距区域初始状态的图像作为第一图像，以及拉伸试样均匀塑性变形阶段标距区域的图像作为第二图像；
第四步、对第一图像和第二图像的灰度场做相关性匹配，从而找到第一图像中任一像素点对应第二图像的像素点；具体方法如下：
假设(x，y)为第一图像中某一像素点P的坐标，以像素点P为中心取一预设大小的子区域，该子区域的像素点数量为(2m+1)×(2m+1)，则相关性函数如下所示：
Figure BDA0002265548970000021
式中，(u，v)为像素点坐标的变化值，且像素点坐标(x+u+i,y+v+i)位于所述子区域内；I(x+i,y+i)是第一图像中像素点坐标为(x+i,y+i)处的像素值，I*(x+u+i,y+v+i)是第二图像中像素点坐标为(x+u+i,y+v+i)处的像素值；
对u,v进行遍历，得到第一图像中像素点P相关性函数C(x,y,u,v)最小时对应的第二图像的像素点P*，像素点P*与像素点P的坐标向量差记为像素点P的位移向量；
对第一图像中的其他像素点重复上述操作，即可得到第一图像所有像素点的位移向量，从而形成第一图像的位移场；
第五步、对第一图像的位移场进行微分计算得到每个像素点在长度方向和宽度方向的真实塑性应变，对标距区域内所有像素点在长度方向和宽度方向的真实塑性应变进行加权平均，即得到标距区域内长度和宽度方向的真实塑性应变εl和εb；
第六步、根据拉伸过程中的体积不变原则，得到金属试样的塑性应变比
Figure BDA0002265548970000022
需要说明的是，在进行试验之前，必须要做好系统的标定工作来提高实际测量过程中的精度，其包括两个部分，一是系统自身的标定，这一步是利用自带的标定板进行，二是试样的对焦，使得相机内的试样显像清晰可靠。
本发明通过在传统金属拉伸试验的基础上，结合数字图像分析技术实现对金属试样塑性应变比(r值)的非接触式测量。与传统采用引伸计装卡在试样上测量不同，该方法对试样的唯一操作就是采用喷漆和印章工具在试样表面进行布置散斑，通过拉伸过程中散斑的位移变形进而测得标距内长度和宽度方向的真实应变，进而计算出试样材料的塑性应变比(r值)。
本发明方法具有非接触、对试样力学性能影响小、精度高、结果可靠等优点，且试样长度与宽度方向的应变计算均可由软件系统自动完成，只需将最后计算的结果带入塑性应变比的计算公式即可快速求得金属的塑性应变比(r值)，在材料力学测试领域具有良好的应用前景。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明实施例中采用的数据采集设备的示意图。
图2是拉伸布置好散斑点的金属试样的示意图。
附图标记：1-拉伸试样，2-光源，3-CCD工业相机，4-数据采集器，5-拉伸实验机。
具体实施方式
实施例一
本实施例中采用的设备平台如图1和图2所示，对称光源2投影在待测试样表面，CCD工业相机3对准拉伸试样1中心布置散斑点的标距区域，CCD工业相机3采集的图像数据存入数据采集器4内。
本实施例的测量金属拉伸试验过程中塑性应变比的方法，包括以下步骤：
第一步、在金属试样表面的一侧均匀喷涂一层白色喷漆作为基底，待白色喷漆晾干后在标距区域的基底上布置多个黑色散斑点，从而制成拉伸试样1。
通常可以利用印章工具在金属试样标距区域内布置散斑点，每个散斑点大小约为3-5个像素点。
为了尽量提高试验的精度，散斑点的布置应当确保分布随机、大小均一、具高对比度，同时为避免拉伸过程中散斑点随白漆脱落，应当在漆干后数小时内进行拉伸测试，从而最大限度保持散斑点的流动性。
本实施例中拉伸试样的标距区域如图2所示，用以下符号表示：原始标距长度用L0表示，单向拉伸后标距长度用L表示，原始标距宽度用b0表示，拉伸后标距宽度用b表示。
第二步、如图2所示，将所述拉伸试样1的两端夹持在拉伸实验机5上下横梁的钳口处，确保拉伸试样1呈上下对称且垂直放置，所述拉伸试样1的标距区域置于钳口中央。
拉伸试样的夹持过程与传统拉伸试验几乎一致，但是需要额外注意的是夹持过程中要避免触碰到布置了散斑点的标距区域，以防污染或刮落散斑。
第三步、对拉伸试样1进行拉伸试验，拉伸速率设置低于0.008m/s(符合国标GB/T5027-2007拉伸速率设置规定)；在拉伸过程中利用CCD工业相机捕捉拍摄拉伸试样来进行数据采集，获得标距区域初始状态的图像作为第一图像(作为后续应变计算的参照)，以及拉伸试样均匀塑性变形阶段标距区域的图像作为第二图像。
在进行拉伸试验前，先搭设并标定好非接触全场应变数据采集设备，包括CCD工业相机、光源、镜头以及其他必要的配件等，标定则采用设备自身携带的标定板进行标定，标定完成后通过调节光源位置，光圈和焦距大小使得计算机上所成的试样图像清晰可靠。如图1所示，光源2均匀散布在夹持好的拉伸试样1表面，架设在云台和三脚架上的CCD工业相机3对焦拉伸试样1负责拍照，数据采集器4通过采集CCD工业相机3的拍摄照片输入到图像分析处理软件中进行计算。
CCD工业相机3拍照时，可以选用手动方式或者设置相应时间间隔的自动方式。由于非接触全场应变测量系统无法自动识别拉伸均匀塑性变形阶段，故这里应当结合拉伸试验机的实时生成的应力—应变曲线作为判定依据，即第二图像的拍摄时间应该位于拉伸试验机上显示为均匀塑性变形阶段。
第四步、在计算机上提取试验过程中拍摄的拉伸过程图像，导入到非接触全场应变测量系统配套图像分析模块进行自动分析，分析过程采用原理是数字图像相关法，通过对散斑图像的灰度场做相关性匹配，实现对试样像素点的追踪，其中相关性函数采用像素值的平方差之和(SSD)，即对第一图像和第二图像的灰度场做相关性匹配，从而找到第一图像中任一像素点对应第二图像的像素点。
第一图像和第二图像上标距区域内像素点的像素值取值如下：像素点位于纯白色基底时像素值取100，像素点位于纯黑色散斑点时像素值取0。为了取值更准确，可以将第一图像和第二图像事先进行二值化预处理，从而使每个像素点的像素值为0或100，没有中间值。
而对第一图像和第二图像的灰度场做相关性匹配的具体方法如下：
假设(x，y)为第一图像中某一像素点P的坐标，以像素点P为中心取一预设大小的子区域，该子区域的像素点数量为(2m+1)×(2m+1)，通常m取1-5之间的整数，即子区域大小为9-101像素，则相关性函数如下所示：
Figure BDA0002265548970000041
式中，(u，v)为像素点坐标的变化值，且像素点坐标(x+u+i,y+v+i)位于所述子区域内；I(x+i,y+i)是第一图像中像素点坐标为(x+i,y+i)处的像素值，I*(x+u+i,y+v+i)是第二图像中像素点坐标为(x+u+i,y+v+i)处的像素值；
对u,v进行遍历，得到第一图像中像素点P相关性函数C(x,y,u,v)最小时(相关性函数最小表示误差最小)对应的第二图像的像素点P*，像素点P*与像素点P的坐标向量差记为像素点P的位移向量；
对第一图像中的其他像素点重复上述操作，即可得到第一图像所有像素点的位移向量，从而形成第一图像的位移场。
通过位移场计算应变场为现有技术，即通过位移的微分得到：
Figure BDA0002265548970000042
Figure BDA0002265548970000043
Figure BDA0002265548970000044
通过上述计算过程，即可由计算机快速得出试样在标距区域内长度和宽度方向的真实塑性应变εl和εb。
需要说明的是，在实施时为了方便计算，坐标原点一般选择标距区域的最左上角或者最左下角，x轴取水平方向，y轴取竖起方向。但坐标轴的其他设定方式并不影响计算结果。
第六步、根据拉伸过程中的体积不变原则，可以推算出
Figure BDA0002265548970000051
Figure BDA0002265548970000052
得到该试样在当前轧制方向下的塑性应变比(r值)。
本实施例具有非接触、对试样力学性能影响小、精度高、结果可靠等优点，且试样长度与宽度方向的应变计算均由图像处理软件自动完成，最大限度的避免的外界因素的干扰，在材料力学测试领域具有良好的应用前景。
本实施例还可以作以下改进：在制取金属试样时，从同一金属样板的三个方向分别制得金属试样；对三个金属试样分别测量塑性应变比，然后对三个金属试样的塑性应变比进行加权平均，其加权平均值作为该金属样板的塑性应变比。
优选的，以金属样板的长度方向为基准，三个金属试样分别位于金属样板的0°、45°和90°三个方向；假设位于金属样板的0°、45°和90°三个方向的金属试样的塑性应变比分别记为r0、r45、r90，则金属样板的塑性应变比
Figure BDA0002265548970000053
实施例二
本实施例是在实施例一的基础上的进一步改进，与实施例一的不同之处在于：
1)第三步中，采集拉伸试样均匀塑性变形阶段标距区域的多张图像，按时间顺序组成均匀塑性变形图像序列，然后取均匀塑性变形图像序列中第一幅图像作为第二图像；
2)第六步执行完后，第一图像保持不变，以均匀塑性变形图像序列中的下一幅图像作为第二图像，再重复执行第四步—第六步，直到计算完成均匀塑性变形图像序列中的所有图像，得到多个塑性应变比；
3)对所有的塑性应变比取平均值，作为金属样件的塑性应变比。
为确保试验结果准确可靠，第二图像的图像张数最好在3张以上。比如：第三步中，采集拉伸试样均匀塑性变形阶段标距区域的3张第二图像作为均匀塑性变形图像序列，分别计算出对应的塑性应变比为r1、r2和r3，求出它们的平均值记为金属试样在当前轧制方向下的塑性应变比(r值)。
本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等形成的技术方案，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种测量金属拉伸试验过程中塑性应变比的方法，包括以下步骤：
第一步、在制好的金属试样表面的一侧均匀喷涂一层白色喷漆作为基底，待白色喷漆晾干后在基底的标距区域内布置黑色散斑点，从而制成待测拉伸试样；
第二步、将所述拉伸试样的两端夹持在拉伸实验机上下横梁的钳口处，确保拉伸试样呈上下对称且垂直放置，所述拉伸试样的标距区域置于上下钳口中央；
第三步、对拉伸试样进行拉伸试验，拉伸速率设置低于0.008m/s；在拉伸过程中利用工业相机捕捉拍摄拉伸试样来进行数据采集，获得拉伸试样标距区域内初始状态的图像作为第一图像，以及均匀塑性变形阶段标距区域的图像作为第二图像；
第四步、对第一图像和第二图像的灰度场做相关性匹配，从而找到第一图像中任一像素点对应第二图像的像素点；具体方法如下：
假设(x，y)为第一图像中某一像素点P的坐标，以像素点P为中心取一预设大小的子区域，该子区域的像素点数量为(2m+1)×(2m+1)，则相关性函数如下所示：
Figure FDA0002265548960000011
式中，(u，v)为像素点坐标的变化值，且像素点坐标(x+u+i,y+v+i)位于所述子区域内；I(x+i,y+i)是第一图像中像素点坐标为(x+i,y+i)处的像素值，I*(x+u+i,y+v+i)是第二图像中像素点坐标为(x+u+i,y+v+i)处的像素值；
对u,v进行遍历，得到第一图像中像素点P相关性函数C(x,y,u,v)最小时对应的第二图像的像素点P*，像素点P*与像素点P的坐标向量差记为像素点P的位移向量；
对第一图像中的其他像素点重复上述操作，即可得到第一图像所有像素点的位移向量，从而形成第一图像的位移场；
第五步、对第一图像的位移场进行微分计算得到每个像素点在长度方向和宽度方向的真实塑性应变，对标距区域内所有像素点在长度方向和宽度方向的真实塑性应变进行加权平均，即得到标距区域内在长度和宽度方向的全场真实塑性应变εl和εb；
第六步、根据拉伸过程中的体积不变原则，得到金属试样的塑性应变比
Figure FDA0002265548960000012
2.根据权利要求1所述的测量金属拉伸试验过程中塑性应变比的方法，其特征在于：第三步中，采集拉伸试样均匀塑性变形阶段标距区域的多张图像，按时间顺序组成均匀塑性变形图像序列，然后取均匀塑性变形图像序列中第一幅图像作为第二图像；
第六步执行完后，第一图像保持不变，以均匀塑性变形图像序列中的下一幅图像作为第二图像，再重复执行第四步—第六步，直到计算完成均匀塑性变形图像序列中的所有图像，得到多个塑性应变比；
对所有的塑性应变比取平均值，作为金属试样的塑性应变比。
3.根据权利要求1或2所述的测量金属拉伸试验过程中塑性应变比的方法，其特征在于：在制取金属试样时，从同一金属样板的三个方向分别制得金属试样；对三个金属试样的塑性应变比进行加权平均，其加权平均值作为该金属样板的塑性应变比。
4.根据权利要求3所述的测量金属拉伸试验过程中塑性应变比的方法，其特征在于：以金属样板的长度方向为基准，三个金属试样分别位于金属样板的0°、45°和90°三个方向；
假设位于金属样板的0°、45°和90°三个方向的金属试样的塑性应变比分别记为r0、r45、r90，则金属样板的塑性应变比
Figure FDA0002265548960000021
5.根据权利要求1或2所述的测量金属拉伸试验过程中塑性应变比的方法，其特征在于：第一步中，利用印章工具在金属试样标距区域内布置散斑点，散斑点在标距区域内大小均一、分布随机，每个散斑点大小为3-5个像素点。
6.根据权利要求1或2所述的测量金属拉伸试验过程中塑性应变比的方法，其特征在于：第三步中，所述工业相机为CCD工业相机，在进行数据采集前，先对CCD工业相机进行标定。
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