CN111879628A - 合金的plc效应的检测系统以及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种合金的PLC效应的检测系统以及检测方法，包括：变形加载装置，以及三维变形全场测量装置；变形加载装置包括夹持部；夹持部用于夹持待测试部，以进行变形试验；待测试部的表面设置有散斑；三维变形全场测量装置用于记录待测试部在变形过程的散斑变化。根据本申请的合金的PLC效应的检测系统以及检测方法，能准确的测量高温环境下合金PLC带的形核、增殖以及时空演化行为，直观形象地展示PLC效应产生时的变形局域化现象。

Description

合金的PLC效应的检测系统以及检测方法
技术领域
本申请属于合金性能测试技术领域，具体涉及一种合金的PLC效应的检测系统以及检测方法。
背景技术
目前,Portevin-Le
Figure BDA0002564803460000011
(PLC)效应是大多数合金在某个应变速率和变形温度区间发生的塑性失稳现象。PLC效应通常在应力应变曲线上(时域上)表现为连续的屈服现象，在变形过程中由于应力反复跌落加载曲线呈现锯齿状，故PLC效应又被称为锯齿形流动；同时，在空域表现为变形局域化，即剧烈的变形集中于试件局部区域，通常成带状，称为PLC带。这种局域化塑性变形带的出现会在合金表面形成明显的带状痕迹，影响合金的表面质量及进一步加工应用。PLC带在变形全程中都有可能产生，目前仍无有效的办法解决此问题，只能尽量避开发生PLC效应的温度和应变率区间，因此，对PLC带的形核增殖、空间特征、变形场的演化及温度场的变化等方面的观察与分析，深入地理解PLC效应，具有重大的意义。
但是，现有技术中对PLC带的测量方法主要包括阴影法、激光扫描引伸计法、红外测温法和数字散斑干涉法。阴影法只能对首次产生的PLC带进行观察，对于反复出现的PLC带，该技术具有很大的局限性；另一方面，该方法不能准确记录PLC带的运动轨迹，不能反映PLC带的传播和演化等特点，对于带内变形的测量更是无能为力。激光扫描引伸计法无法观测到PLC带的空间形貌，同时受等分间隔的限制，变形带的空间分辨率低。红外测温法易受热耗散和热传导的影响，其测量精度不高，也不能精确地反映PLC带内变形的细节情况。数字散斑干涉法对震动极其敏感，使用该方法时，需要对拉伸装置加以特殊的防震措施。并且上述方法也难以观察高温环境下合金的PLC带形核、增殖及时空演化特征。对于某些高温环境中服役的合金发生PLC效应的温度区间高，例如高温合金的PLC带在200～760℃之间发生，高温合金服役温度区间会和PLC效应产生区间重合。
因此，如何提供一种能准确的测量高温环境下合金PLC带的形核、增殖以及时空演化行为，直观形象地展示PLC效应产生时的变形局域化现象的合金的PLC效应的检测系统以及检测方法成为本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种合金的PLC效应的检测系统以及检测方法，能准确的测量高温环境下合金PLC带的形核、增殖以及时空演化行为，直观形象地展示PLC效应产生时的变形局域化现象。
为了解决上述问题，本申请提供一种合金的PLC效应检测系统，包括：
变形加载装置，变形加载装置包括夹持部；夹持部用于夹持待测试部，以进行变形试验；待测试部的表面设置有散斑；
以及三维变形全场测量装置；三维变形全场测量装置用于记录待测试部在变形过程中，散斑的图像。
优选地，还包括温控装置，温控装置用于控制待测试部和/或夹持部的温度。
优选地，温控装置包括加热炉；加热炉罩设于夹持部外；
和/或，三维变形全场测量装置包括记录相机，记录相机用于记录待测试部在变形过程中散斑的变化图像；
和/或，变形加载装置为拉伸试验机。
优选地，加热炉上设置有记录区，记录相机通过记录区获取待测试部的散斑图像；
和/或，记录相机为双目相机。
优选地，记录区由石英玻璃制成；
和/或，双目相机包括第一成像镜头和第二成像镜头，第一成像镜头镜片的垂线与待测试部标距段垂线的夹角为10°；和/或，第二成像镜头镜片的垂线与待测试部标距段垂线的夹角为10°。
优选地，双目相机在使用之前需要进行标定。
优选地，加热炉包括炉顶、炉底以及位于炉顶和炉底之间的中部；在加热炉顶、炉底和中部均设置有温度测量装置；
和/或，标定过程在加热炉外进行，并且在标定过程中，双目相机与记录区的位置相对应；
和/或，双目相机为CCD或CMOS数字相机。
一种合金的PLC效应的检测检测方法，包括如下步骤：
步骤(1)：将合金件表面制作散斑，获得待测试部；
步骤(2)：采用变形加载装置对待测试部进行变形试验，并记录待测试部的力学性能特征，同时采用三维变形全场测量系统记录散斑变化图像；
步骤(3)：根据力学性能特征和散斑变化图像，分析待测试部的PLC效应。
优选地，散斑的制作方法包括如下步骤：
对合金件的表面喷涂白色底漆；均匀喷涂；
对白色底漆进行第一次干燥处理，待白色底漆干燥后；
喷涂黑漆，黑漆呈细小斑点随机附着在白色底漆上，对黑漆进行第二次干燥处理，待黑漆干燥后，形成散斑；
和/或，合金件的制备方法包括如下步骤：
将待测试的合金加工成板状，获得合金件；
和/或，在步骤(2)中，对待测试部进行拉伸试验之前，对待测试部依次进行加热、保温。
和/或，合金件尺寸精度满足GB/T 228.2-2015《金属材料拉伸试验第2部分：高温试验方法》的要求；
和/或，力学性能特征包括高温应力应变曲线。
优选地，白色底漆的厚度为0.2-0.5mm；如果厚度过厚高温底漆在变形时容易脱落；
和/或，白色底漆为耐高温涂料；
和/或，黑漆为耐高温涂料；
和/或，在对合金件的表面喷涂白色底漆之前，还包括如下步骤：对合金件的表面进行砂纸打磨或者喷砂处理，可以增加散斑的附着力；
和/或，加热至变形温度；
和/或，保温时间为5-30min；
和/或，第一次干燥处理的方法为：采用干燥箱或低温热处理炉对合金件进行第一次干燥，第一次干燥的温度为80-150℃；
和/或，分析待测试部的PLC效应包括如下步骤：
采用3D-DIC装置的计算机上的PMLAB-DIC软件输出试样变形过程中表面位移和应变变化云图；
根据应力应变曲线上的锯齿现象和应变变化云图上的PLC带，分析待测试部的PLC效应。
本申请提供的合金的PLC效应的检测系统以及检测方法；能准确的测量高温环境下合金PLC带的形核、增殖以及时空演化行为，直观形象地展示PLC效应产生时的变形局域化现象；可以更加深入地理解PLC效应，避免PLC效应对合金的服役性能的有害影响；具有全场测量、非接触、测量精度高的观察测试方法；利用三维变形全场测量系统(3D-DIC)，非接触精确地测量高温环境下合金PLC带的形核、增殖以及时空演化行为；
与现有技术相比，由于本发明利用的3D-DIC是非干涉计量，因此无需特殊的防震措施，抗自然干扰能力较强。3D-DIC法基本思想是通过图像的灰度匹配来分析试件表面的变形前后的信息，进而计算得到全场位置、位移及应变等全场信息，设备简单，用于PLC带测试操作简便。并且高温环境下空气折射率的变化以及空气流动导致的不均匀性、高温测量设备环境复杂难以设置防震措施等等限制了干涉计量方法在实际中的应用，而3D-DIC法仅仅要求成像得到高对比度、高质量散斑图像，因此该方法可以成功应用于高温测试中。另一方面，3D-DIC法基于双目视觉原理(三角测量原理)，采用双相机将观察测试推广到三维空间，突破原有二维平面内计算的限制，极大地提高了PLC带的测试精度。
并且，本发明对实验环境和设备要求比较低，光路简单，容易实施，不需要特殊的防震、暗室等条件，合金试样预处理也比较简单，可以适应于很多加载设备和苛刻的高温环境，有助于研究合金在高温环境下出现PLC现象。
附图说明
图1为本申请实施例1的合金的PLC形貌效果图；
图2为本申请实施例2的合金的PLC形貌效果图；
图3为本申请实施例3的合金的PLC形貌效果图。
具体实施方式
首先，搭建合金高温环境下PLC带测试平台，该平台由变形加载系统(拉伸试验机)、温度实时控制系统(加热保温炉和控温箱)以及三维变形全场测量系统(3D-DIC)三部分组成。拉伸试验机的上下夹头通循环冷却水，上下夹头被加热保温炉包裹，保温炉前置炉门需要安装石英玻璃窗口，3D-DIC装置由高速摄像机、相机支架、控制箱及高性能计算机组成。实验前需要对拉伸试验机校零，对温度控制系统进行校温，通过试验机和保温箱的自动控制系统完成。三维变形全场测量系统的相机透过石英玻璃进行标定。实验开始时首先制备具有散斑的拉伸试样，为了增加散斑的附着力，需要对拉伸试样表面进行砂纸打磨或者喷砂处理；然后在拉伸试样表面先后喷涂耐高温白色底漆，喷涂必须均匀分布，厚度为0.2-0.5mm，如果厚度过厚高温底漆在变形时容易脱落，利用保温箱或低温热处理炉将底漆烘干，然后喷涂黑色耐高温漆，黑漆呈随机斑点状分布在白色底漆上，作为散射斑；启动加热保温炉，炉温达到设定温度时，将喷有散斑的拉伸试样安装到拉伸试验机的夹头上，然后保温5-30min，使试样达到设定温度并且温度分布均匀；最后同时启动拉伸试验机和3D-DIC装置，记录合金的力学性能数据和散斑变化图像。实验结束后利用拉伸实验机的计算机输出记录的合金高温应力应变曲线，利用3D-DIC装置的计算机上的PMLAB-DIC软件输出试样变形过程中表面位移和应变变化云图，根据应力应变曲线上的锯齿现象和应变变化云图上的PLC带，分析合金在高温环境下PLC效应的时域和空域特征。
本申请中所述的耐高温底漆指的是：能长期承受200摄氏度以上温度，具有热稳定性，不会氧化变色或褪色，能在高温环境下试样变形时不会脱落，附着力强。本申请中采用的高温拉伸试验机为现有技术，在本实施例中采用的是Instron 55822电子万能试验机，本实施例中采用的黑漆和白漆为GOOT耐800℃度高温漆。
实施例1
本实施例中采用的合金的成分(wt.％)如下：Co 30％、Cr 20％、Ti 1％、Al0.65％、W 1.5％、Mo 4％、C 0.02％、Zr 0.015％、B 0.015％、余量的Ni。
采用如下步骤测试PLC效应：
步骤(1)：将上述金属材料通过电火花线切割加工成板状拉伸试样，制备的拉伸试样标距段尺寸为25mm×5mm×1.25mm；
步骤(2)：将拉伸试样表面均匀喷涂耐高温白色底漆，白色底漆厚度为0.2mm，将拉伸试样放入干燥箱，在80℃干燥15min；再喷涂耐高温黑色漆，黑漆呈细小斑点随机附着在白色底漆上，将拉伸试样放入干燥箱，在80℃干燥10min，形成高温散斑点；
步骤(3)：将加热保温炉加热到500℃，待温度稳定后，将拉伸试样装上拉伸试验机卡具，保温5min，加载拉伸试验机应变速率为1×10-4s-1，并利用三维变形全场测量系统(3D-DIC)实时记录试件在拉伸变形过程中的散斑图像，图像采集阵列为2048×2048pixel，图像采样频率为2fps；
步骤(4)：通过拉伸试验机输出应力应变曲线，通过PMLAB-DIC软件比较试样表面各点三维形貌的变化，对试样在拉伸过程中的变形行为进行全场位移及应变分析。
本实施例中所得合金PLC带形貌如图1所示，可以看出拉伸试样表面出现明显的非均匀变形带，并且与拉伸方向的夹角约为60°，PLC带连续地从拉伸试样一端向另一端传播。
实施例2
本实施例中采用的合金的成分(wt.％)如下：Co 25％、Cr 15％、Ti 4％、Al1.5％、W 1.5％、Mo 3％、C 0.02％、Zr 0.015％、B 0.015％、余量的Ni。
采用如下步骤测试PLC效应：
步骤(1)：将上述金属材料通过电火花线切割加工成板状拉伸试样，制备的拉伸试样标距段尺寸为25mm×5mm×1.25mm；
步骤(2)：将拉伸试样表面首先均匀喷涂耐高温白色底漆，白色底漆厚度为0.3mm，将拉伸试样放入干燥箱，在100℃干燥15min；再喷涂耐高温黑色漆，黑漆呈细小斑点随机附着在白色底漆上，将拉伸试样放入干燥箱，在100℃干燥10min，形成高温散斑点；
步骤(3)：将加热保温炉加热到500℃，待温度稳定后，将拉伸试样装上拉伸试验机卡具，保温15min，加载拉伸试验机应变速率为1×10-4s-1，并利用三维变形全场测量系统(3D-DIC)实时记录试件在拉伸变形过程中的散斑图像，图像采集阵列为2048×2048pixel，图像采样频率为2fps；
步骤(4)：通过拉伸试验机输出应力应变曲线，通过PMLAB-DIC软件比较试样表面各点三维形貌的变化，对试样在拉伸过程中的变形行为进行全场位移及应变分析。
本实施例中所得合金PLC带形貌如图2所示，可以看出拉伸试样表面出现明显的非均匀变形带，并且与拉伸方向的夹角约为60°，PLC带不连续地从拉伸试样一端向另一端传播。
实施例3
本实施例中采用的合金的成分(wt.％)如下：
Co 25％、Cr 15％、Ti 4％、Al 1.5％、W 1.5％、Mo 3％、C 0.02％、Zr 0.015％、B0.015％、余量的Ni。
采用如下步骤测试PLC效应：
步骤(1)：将测试的金属材料通过电火花线切割加工成板状拉伸试样，制备的拉伸试样标距段尺寸为25mm×5mm×1.25mm；
步骤(2)：将拉伸试样表面首先均匀喷涂耐高温白色底漆，白色底漆厚度为0.5mm，将拉伸试样放入干燥箱，在150℃干燥15min；再喷涂耐高温黑色漆，黑漆呈细小斑点随机附着在白色底漆上，将拉伸试样放入干燥箱，在150℃干燥10min，形成高温散斑点；
步骤(3)：将加热保温炉加热到650℃，待温度稳定后，将拉伸试样装上拉伸试验机卡具，保温30min，加载拉伸试验机应变速率为1×10-5s-1，并利用三维变形全场测量系统(3D-DIC)实时记录试件在拉伸变形过程中的散斑图像，图像采集阵列为2048×2048pixel，图像采样频率为2fps；
步骤(4)：通过拉伸试验机输出应力应变曲线，通过PMLAB-DIC软件比较试样表面各点三维形貌的变化，对试样在拉伸过程中的变形行为进行全场位移及应变分析。
本实施例中所得合金PLC带形貌如图3所示，可以看出拉伸试样表面出现明显的非均匀变形带，并且与拉伸方向的夹角约为±60°，PLC带交替出现并且首尾连接的传播。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种合金的PLC效应检测系统，其特征在于，包括：
变形加载装置，所述变形加载装置包括夹持部；所述夹持部用于夹持待测试部，以进行变形试验；所述待测试部的表面设置有散斑；
以及三维变形全场测量装置；所述三维变形全场测量装置用于记录所述待测试部在变形过程中，所述散斑的图像。
2.根据权利要求1中所述的合金的PLC效应检测系统，其特征在于，还包括温控装置，所述温控装置用于控制所述待测试部和/或所述夹持部的温度。
3.根据权利要求2中所述的合金的PLC效应检测系统，其特征在于，所述温控装置包括加热炉；所述加热炉罩设于所述夹持部外；
和/或，所述三维变形全场测量装置包括记录相机，所述记录相机用于记录所述待测试部在变形过程中所述散斑的变化；
和/或，所述变形加载装置为拉伸试验机。
4.根据权利要求3中所述的合金的PLC效应检测系统，其特征在于，所述加热炉上设置有记录区，所述记录相机通过所述记录区获取所述待测试部的散斑图像；
和/或，所述记录相机为双目相机。
5.根据权利要求4中所述的合金的PLC效应检测系统，其特征在于，所述记录区由石英玻璃制成；
和/或，所述双目相机包括第一成像镜头和第二成像镜头，所述第一成像镜头镜片的垂线与所述待测试部标距段垂线的夹角为10°；和/或，所述第二成像镜头镜片的垂线与所述待测试部标距段垂线的夹角为10°。
6.根据权利要求5中所述的合金的PLC效应检测系统，其特征在于，所述双目相机在使用之前需要进行标定。
7.根据权利要求6中所述的合金的PLC效应的检测系统，其特征在于，所述加热炉包括炉顶、炉底以及位于所述炉顶和所述炉底之间的中部；在所述炉顶、所述炉底和所述中部上均设置有温度测量装置；
和/或，所述标定过程在所述加热炉外进行，并且在所述标定过程中，所述双目相机与所述记录区的位置相对应；
和/或，所述双目相机为CCD或CMOS数字相机。
8.一种合金的PLC效应的检测检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：将合金件表面制作散斑，获得待测试部；
步骤(2)：采用变形加载装置对所述待测试部进行变形试验，并记录所述待测试部的力学性能特征，同时采用三维变形全场测量系统记录散斑变化图像；
步骤(3)：根据所述力学性能特征和所述散斑变化图像，分析所述待测试部的PLC效应。
9.根据权利要求8中所述的合金的PLC效应的检测方法，其特征在于，所述散斑的制作方法包括如下步骤：
对所述合金件的表面喷涂白色底漆；
对所述白色底漆进行第一次干燥处理，待所述白色底漆干燥后；
喷涂黑漆，所述黑漆呈细小斑点随机附着在白色底漆上，对所述黑漆进行第二次干燥处理，待所述黑漆干燥后，形成所述散斑；
和/或，所述合金件的制备方法包括如下步骤：
将待测试的合金加工成板状，获得所述合金件；
和/或，在所述步骤(2)中，对所述待测试部进行拉伸试验之前，对所述待测试部依次进行加热、保温。
和/或，所述合金件尺寸精度满足GB/T 228.2-2015的要求；
和/或，所述力学性能特征包括高温应力应变曲线。
10.根据权利要求9中所述的合金的PLC效应的检测方法，其特征在于，所述白色底漆的厚度为0.2-0.5mm；
和/或，所述白色底漆为耐高温涂料；
和/或，所述黑漆为耐高温涂料；
和/或，在对所述合金件的表面喷涂白色底漆之前，还包括如下步骤：对所述合金件的表面进行砂纸打磨或者喷砂处理；
和/或，所述加热至所述变形温度；
和/或，所述保温时间为5-30min；
和/或，所述第一次干燥处理的方法为：采用干燥箱或低温热处理炉对所述合金件进行第一次干燥，所述第一次干燥的温度为80-150℃；
和/或，所述分析所述待测试部的PLC效应包括如下步骤：
采用3D-DIC装置的计算机上的PMLAB-DIC软件输出试样变形过程中表面位移和应变变化云图；
根据所述应力应变曲线上的锯齿现象和应变变化云图上的PLC带，分析所述待测试部的PLC效应。
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