CN117330405A - 一种测量板材拉伸断面收缩率的方法 - Google Patents
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Abstract
一种测量板材拉伸断面收缩率的方法，包括如下步骤：S1：基于未拉伸的试样表面完成坐标系的建立与曲面网格划分；S2：基于DIC拍摄的单轴拉伸试验，对断裂点建立自拉伸开始至断裂时刻的追踪；S3：根据追踪出的断裂点，确定出断裂时刻垂直于拉伸轴并经过断裂点的曲线；S4：确定该条曲线的位置‑厚度信息；S5：基于厚度信息对该条曲线沿试样宽度方向进行积分，据此完成断裂位置横截面积的计算；S6：根据计算确定板材拉伸断面收缩率。本发明的一种测量板材拉伸断面收缩率的方法，可以准确测量截面为矩形的板材拉伸试样的断面收缩率，解决板材拉伸试样的断面收缩率这一重要性能指标测量难、耗时长、精度差的问题。
Description
技术领域
本发明属于材料力学的性能检测领域，具体涉及一种测量板材拉伸断面收缩率的方法。
背景技术
断面收缩率是衡量金属材料塑性变形能力的指标之一。一般采用标准拉伸试样进行测试，试样拉断时断裂位置的截面积与原始截面积之差，除以原始截面积之商的百分数即为断面收缩率，ψ。定义如下式所示：
式中，A0是试样的原始截面积，Af是试样的断后截面积。
断面收缩率的值越大说明材料的塑性越好。与材料的延伸率指标相比，断面收缩率被证明与材料的扩孔、弯曲性能关系更为密切，在金属板材的冲压成形过程中，材料的断面收缩率越高，在成形过程中，材料越不易发生边部开裂。因此，对材料断面收缩率的准确表征是非常重要的。
目前，关于材料断面收缩率的测量技术中主要针对的是圆形截面试样，针对矩形截面的板材拉伸试样，断面收缩率的测量存在几大问题：
(1)板材试样拉伸后断裂位置的截面是不规则形状，沿着与拉伸轴垂直的方向，厚度分布不均，中间薄、两边厚，且厚度数值相比宽度数值低得多，测量麻烦，精度差；
(2)拉伸试样经常出现倾斜断面，若采用显微镜测量断面的投影尺寸，需要保证观测轴线与拉伸试样的拉伸轴平行且不断重新聚焦，操作麻烦、耗时、精度差；
(3)现有的测量板材拉伸断面收缩率方法中，假定断裂位置截面的上下表面为抛物线形状，通过测定特定位置的厚度来估算等效厚度。对于不同种类的材料，截面的上下表面不一定都符合抛物线假定。
申请号为：CN201810501371.6的发明申请，公开了“一种测量拉伸试样断后延伸率和断面收缩率的方法”，包括如下步骤：(1)将拉伸试样断裂后的两段先后装入旋转夹头；(2)利用控制箱实现拉伸试样的夹紧和旋转，并利用显微照相系统先后拍下拉伸试样断裂后的两段的标距段照片；(3)对不同照片上的拉伸试样断裂后的两段进行拼合，以使断口完全吻合；(4)测量标距段及断口的像素长度，利用测量前标定得到的像素长度与实际尺寸的关系，换算得到标距段及断口断后最小直径实际尺寸，由此得到断后延伸率和断面收缩率。
申请号为：CN201210205438.4的发明申请，公开了“一种热拉伸试验的试样断面收缩率的检测方法”，特点是，通过拓印的方法检测出试样任意形状断口的横断面面积，并对原始横断面图像与热拉伸破断断口图像进行同时扫描，并将所得图像照片输入计算机。得到各个温度下的断口面积的相对值S1、S2和S0，以此面积相对试样原始横断面面积的减少再与试样原始横断面面积的比值，代入公式得到断面收缩率值。
申请号为：CN 202110594699.9的发明申请，公开了“一种自动测量线材断面收缩率的方法及装置”，包括以下步骤：步骤1、待测试样拉断后，采集拉断试样的断口图像；步骤2、将所述断口图像传输至处理系统；步骤3、所述处理系统将所述断口图像沿所述拉断试样轴向拼接，根据拼接图像最小收缩位置处的收缩路径的曲率半径进行拟合，得到上拟合圆和下拟合圆；所述上拟合圆的最低点与所述下拟合圆的顶点之间的垂直距离作为断后最小收缩直径d；步骤4、所述处理系统根据所述断后最小收缩直径d和原始待测试样直径D计算断后最小横截面积和原始横截面积，得到断面收缩率。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供了一种测量板材拉伸断面收缩率的方法，其技术方案具体如下：
一种测量板材拉伸断面收缩率的方法，其特征在于包括如下步骤：
S1：基于未拉伸的试样表面完成坐标系的建立与曲面网格划分；
S2：基于DIC拍摄的单轴拉伸试验，对断裂点建立自拉伸开始至断裂时刻的追踪；
S3：根据追踪出的断裂点，确定出断裂时刻垂直于拉伸轴并经过断裂点的曲线；
S4：确定该条曲线的位置-厚度信息；
S5：基于厚度信息对该条曲线沿试样宽度方向进行积分，据此完成断裂位置横截面积的计算；
S6：根据计算确定板材拉伸断面收缩率。
根据本发明的一种测量板材拉伸断面收缩率的方法，其特征在于：
步骤S1中的网格划分以设定的参考长度为约束进行；
步骤S2中的DIC拍摄按照设定的拍摄频率进行。
根据本发明的一种测量板材拉伸断面收缩率的方法，其特征在于：
参考长度按照小于0.4mm进行设定。
根据本发明的一种测量板材拉伸断面收缩率的方法，其特征在于：
按照拉伸全过程中拍摄总帧数控制在400-500帧进行拍摄频率的设置。
根据本发明的一种测量板材拉伸断面收缩率的方法，其特征在于：
步骤S2具体为，
首先基于应变云图确定出断裂对应帧，并据此断裂对应帧完成对前一帧的锁定；
然后对锁定的前一帧进行X形沟槽的交点确定，确定出的交点即为断裂点。
根据本发明的一种测量板材拉伸断面收缩率的方法，其特征在于：
步骤S3具体为：
通过比较确定出断裂点的相应帧与未拉伸的第一帧，完成该点在第一帧上的位置确认；并以垂直于拉伸轴且经过该位置确定一线段，基于DIC追踪将该线段映射到断裂点相应帧上，完成断裂时刻垂直于拉伸轴并经过断裂点的曲线的确定。
根据本发明的一种测量板材拉伸断面收缩率的方法，其特征在于：
步骤S4具体为：
首先确定出该条曲线相应位置的厚度应变，形成位置-厚度应变曲线；然后结合初始厚度得到位置-厚度曲线。
根据本发明的一种测量板材拉伸断面收缩率的方法，其特征在于：
当确定的线段经过网格节点时，相应位置的厚度应变即为节点厚度应变；否则相应位置的厚度应变根据节点厚度应变插值确定。
根据本发明的一种测量板材拉伸断面收缩率的方法，其特征在于：
位置-厚度应变曲线通过首先确定该位置的主次应变，然后基于体积不变原理完成该位置相应厚度应变的确定完成。
根据本发明的一种测量板材拉伸断面收缩率的方法，其特征在于：
步骤S5具体为：
首先按照网格节点的设置距离将断裂位置的横截面在宽度方向完成区域的划分；
然后根据各区域的厚度完成各区域的面积计算；
最后对各区域的面积进行求和，据此完成断裂位置横截面积的计算。
根据本发明的一种测量板材拉伸断面收缩率的方法，其特征在于：
所述的各区域的厚度根据划分该区域的前后两个节点的厚度值的均值确定。
本发明的一种测量板材拉伸断面收缩率的方法，结合DIC通过确定出经过断裂位置并与拉伸轴垂直的曲线，同时确定出该曲线的位置-厚度信息，根据积分的思想，完成试样断裂后横截面积的计算；该方法可以准确测量截面为矩形的板材拉伸试样的断面收缩率，解决板材拉伸试样的断面收缩率这一重要性能指标测量难、耗时长、精度差的问题。
附图说明
图1为本发明的步骤示意图；
图2为本发明原理中的DIC中的原始状态的小面和变形后的小面的对比示意图；
图3为本发明原理中的试样表面的网格划分示意图；
图4为本发明原理部分的拉伸试样断裂前一帧中断裂位置表面的等效应变分布云图；
图5为本发明原理中的基于断裂点于未拉伸帧中确定出的经过断裂点并垂直于拉伸轴的线段的示意图；
图6为本发明原理中的拉伸试样断裂前一帧中与图5的线段对应的曲线示意图；
图7为图6的厚度应变分布曲线示意图；
图8为本发明实施例中的拉伸试样断裂前一帧的断裂位置-厚度曲线示意图。
具体实施方式
下面，根据说明书附图和具体实施方式对本发明的一种测量板材拉伸断面收缩率的方法作进一步具体说明。
如图1所示的一种测量板材拉伸断面收缩率的方法，包括如下步骤：
S1：基于未拉伸的试样表面完成坐标系的建立与曲面网格划分；
S2：基于DIC拍摄的单轴拉伸试验，对断裂点建立自拉伸开始至断裂时刻的追踪；
S3：根据追踪出的断裂点，确定出断裂时刻垂直于拉伸轴并经过断裂点的曲线；
S4：确定该条曲线的位置-厚度信息；
S5：基于厚度信息对该条曲线沿试样宽度方向进行积分，据此完成断裂位置横截面积的计算；
S6：根据计算确定板材拉伸断面收缩率。
其中，
步骤S1中的网格划分以设定的参考长度要求为约束进行；
步骤S2中的DIC拍摄按照设定的拍摄频率进行。
其中，
参考长度按照小于0.4mm进行设定。
其中，
按照拉伸全过程中拍摄总帧数控制在400-500帧进行拍摄频率的设置。
其中，
步骤S2具体为，
首先基于应变云图确定出断裂对应帧，并据此断裂对应帧完成对前一帧的锁定；
然后对锁定的前一帧进行X形沟槽的交点确定，确定出的交点即为断裂点。
其中，
步骤S3具体为：
通过比较确定出断裂点的相应帧与未拉伸的第一帧，完成该点在第一帧上的位置确认；并以垂直于拉伸轴且经过该位置确定一线段，基于DIC追踪将该线段映射到断裂点相应帧上，完成断裂时刻垂直于拉伸轴并经过断裂点的曲线的确定。
其中，
步骤S4具体为：
首先确定出该条曲线相应位置的厚度应变，形成位置-厚度应变曲线；然后结合初始厚度得到位置-厚度曲线。
其中，
当确定的线段经过网格节点时，相应位置的厚度应变即为节点厚度应变；否则相应位置的厚度应变根据节点厚度应变插值确定。
其中，
位置-厚度应变曲线通过首先确定该位置的主次应变，然后基于体积不变原理完成该位置相应厚度应变的确定完成。
其中，
步骤S5具体为：
首先按照网格节点的设置距离将断裂位置的横截面在宽度方向完成区域的划分；
然后根据各区域的厚度完成各区域的面积计算；
最后对各区域的面积进行求和，据此完成断裂位置横截面积的计算。
其中，
所述的各区域的厚度根据划分该区域的前后两个节点的厚度值的均值确定。
工作过程、原理
一种测量板材拉伸断面收缩率的方法，包括如下步骤：
(1)开展板材试样的单轴拉伸试验，采用DIC设备采集拉伸全过程的数据文件，DIC拍摄的总帧数控制在400～500帧；
(2)利用DIC数据处理系统处理DIC数据文件：
1)创建曲面成分：曲面成分的关键控制参数参考长度要低于0.4mm；此处的0.4以及上面的帧数限定都是服务于最终的计算精度进行的相应设置。
2)校准坐标系：切换到文件第一帧，重新定义一个坐标系，使得x-y平面为试样的表面，x轴或y轴与试样的拉伸轴平行；本方法中以长度方向(即拉伸轴方向)为Y轴，试样宽度方向为X轴；需要计算的是宽度与厚度的乘积保证的横截面积。
3)确定断裂位置：检测试样表面的Mises应变分布云图，将DIC文件切换到断裂前一帧，调节应变分布云图图例，找到材料颈缩区形成的“X”形沟槽，将沟槽交点定为断裂位置；
4)创建断裂位置处的截面(即曲线，由于在DIC里面叫做创建截面，所以为了统一称呼，下述的各处截面应作等同理解)：通过断裂位置，创建一个与拉伸轴垂直的截面；
5)输出截面的位置-厚度应变(L-εt)曲线：计算截面的厚度应变信息，输出DIC文件的第一帧及断裂前一帧中截面的位置-厚度应变(L-εt)曲线。
(3)利用板材的初始厚度t0与断裂前一帧中截面的位置-厚度应变(L-εt)曲线数据，获取截面的位置-厚度(L-t)曲线，其中：
t＝t0*(1|εt)
利用断裂前一帧截面的位置-厚度(L-t)曲线，积分求取断裂位置的截面面积Af：
Af＝∫tdL
则，板材拉伸的断面收缩率计算公式如下：
式中，w0是板材拉伸试样的初始宽度，可从DIC文件第一帧中截面的位置-厚度应变曲线数据中获取。
为方便理解上述，对上述的各处作必要的原理性阐述如下：
1.关于DIC的基本介绍与原理
DIC特指一种光学测量技术，用于在整个力学试验过程中测量试样表面上不断变化的全场二维或三维坐标。测量出的坐标场可用于进一步导出位移、应变、应变率、速度和曲率等用户想了解的量的场。
由于DIC是一种非接触测量技术，它独立于被测材料或试样尺寸，因此在各种领域中被用于研究和表征固体的变形。一些常见的实验材料包括金属、聚合物、混凝土、地质样品、生物组织、电池电极和炸药等，试样尺寸范围从拉伸试验中使用的小试样到飞机的整个组件。
DIC的核心思想是，基于一系列试样表面的数字散斑图像，通过求解最优化问题，估计其全场散斑的坐标和位移。DIC中的基本假设是，无论是自然的还是人工的，试样表面的散斑图案都应该跟随试样一起变形。因此，试样表面拍摄的散斑图像可以用于相关计算得到其全场坐标，用于表征试样表面的形状、运动和变形。
2.如何获取试样表面的应变分布云图
应变是利用试样表面分布的点的空间坐标的变化计算出来的导出量。DIC通过拍摄试样变形过程中的一帧帧照片来记录试样表面点的空间坐标变化，进而求取试样表面各处的应变。
至于表面分布众多的点是如何进行识别并在不同帧图像之间进行匹配的，具体为：
DIC软件可以使用随机图像信息来识别每一个图像区域并在不同帧之间进行各自关联匹配。这些图像区域在DIC软件中被称为小面(facet)。在原始状态下，小面是图像中的正方形区域。在DIC软件中可以调整小面的大小和彼此之间的距离。图像信息的随机分布保证了小面可以在试样表面尽可能清晰地识别。一个小面中的随机图样信息在一个试样的表面出现两次的概率极低。对于一个19×19像素的并且每个像素具有256个灰度值的小面，可以获得25619*19>10362种可能的图样组合。
每一张测量的图像可以划分出许多正方形的小面，小面的正中心为追踪的试样表面的点，小面之间的距离决定了试样表面追踪的点的密度，小面之间的距离越小，试样表面追踪的点的密度越高。小面中包含的图样信息可以被用来识别在不同帧图像中的同一小面，如图2所示，进而实现对试样表面众多点在试样变形过程中的空间坐标的追踪。
追踪的试样表面的点在原始状态中彼此之间距离相等，在试样表面呈现三角形分布，如图3所示，每一个节点都是一个小面的正中心位置。追踪的试样表面的点组成网状的试样表面，在随后的试样变形过程中，网状节点之间相对位置的变化信息可以用来计算各区域的应变情况。
有了试样表面节点在变形过程中的空间位置变化信息，试样表面的应变分布云图获取就变得可行了。图4是某拉伸试样断裂前一帧中断裂位置表面的等效应变分布云图。
3.如何根据应变云图寻找与确立断裂点并最终得到位置-厚度应变曲线
根据应变云图寻找与确立断裂点是相对容易的，拉伸试验中，材料发生断裂前会发生应变集中于局部的情况，在与拉伸轴成约55°的方向会产生两条沟槽(材料变形现象)，沟槽中应变高于其他区域，颜色明显深于其他区域，两条沟槽相交形成“X”形，交点是试样表面应变最高的区域。因而，可以通过应变云图中“X”形的交点寻找并确立断裂点，如图4所示。
得到位置-厚度应变曲线的过程为：首先，位置-厚度应变曲线指的是拉伸试样断裂前一帧中试样表面穿过断裂点并与拉伸轴垂直的直线上的厚度应变分布，其中的位置指的是直线上的点距离试样宽度某一边的距离。该直线是在试样还未变形的帧中创建的，如图5所示。在DIC软件中该功能被称为“创建截面”，其实本质上是创建一根与试样表面网格线相交的一条直线，该条直线与网格线的交点可能正好是网格节点，也可能不是，但每个交点必然可计算出应变值，交点非网格节点时，从周围节点中利用插值的方法可以获得交点处的应变值。
DIC直接检测的应变是试样表面的应变，对于厚度应变的获取其实是利用体积不变原理换算得来的。假设试样表面某一点处的主应变、次应变分别为ε1、ε2，试样在该点处的厚度应变为ε3，则它们满足如下公式：
ε1+ε2+ε3＝0
利用体积不变原理，获得材料表面主应变、此应变后，即可得到厚度应变。直线上的位置-厚度应变曲线即可获得。
至于位置-厚度曲线，则是首先确定出该条曲线相应位置的厚度应变，形成位置-厚度应变曲线；然后结合减薄率得到。
实施例
以下以QP980先进高强钢板材为例，介绍利用本方法测量其拉伸断面收缩率的流程步骤。具体过程如下：
(1)加工QP980材料的GB P5#拉伸试样，进行准静态拉伸试验，采用DIC设备检测拉伸全过程应变数据，设备拍摄总帧数为500帧。确定出材料断裂前一帧的图像(结合发生明显的颈缩进行)。
(2)利用DIC数据处理系统处理QP980拉伸的DIC数据。首先，创建了一个参考长度为0.385mm的曲面成分，重新定义了坐标系，使得坐标系的x-y平面为试样的表面，坐标系的y轴与试样的拉伸轴平行，检测试样表面的Mises应变分布云图，并将DIC文件切换到断裂前一帧，调节应变分布云图图例，找到QP980拉伸试样在颈缩区形成的“X”形沟槽，将沟槽交点定为断裂位置点，参见图4。
通过断裂位置点创建一个垂直于y轴(拉伸轴)的截面，检测截面的厚度应变信息，输出DIC文件的第一帧及断裂前一帧中截面的位置-厚度应变(L-εt)曲线，如图6、7所示。
(3)利用QP980板材的初始厚度t0(1.0mm)与断裂前一帧中截面的位置-厚度应变(L-εt)曲线数据，获取QP980拉伸试样截面的位置-厚度(L-t)曲线，其中：
t＝t0*(1+st)；
获得QP980拉伸试样断裂前一帧截面的位置-厚度(L t)曲线后，积分求取断裂位置的截面面积Af，
QP980拉伸试样断裂前一帧截面的位置-厚度(L t)曲线如图8所示，图中的阴影面积即代表的是断裂位置的截面面积，计算得到断裂位置的截面面积Af为8.74mm2.
QP980板材拉伸试样截面的初始宽度w0为12.66mm，初始厚度t0为1.0mm，则，通过下式计算的QP980的拉伸断面收缩率为30.94％。
本发明的一种测量板材拉伸断面收缩率的方法，结合DIC通过确定出经过断裂位置并与拉伸轴垂直的曲线，同时确定出该曲线的位置-厚度信息，根据积分的思想，完成试样断裂后横截面积的计算；该方法可以准确测量截面为矩形的板材拉伸试样的断面收缩率，解决板材拉伸试样的断面收缩率这一重要性能指标测量难、耗时长、精度差的问题。
Claims (12)
1.一种测量板材拉伸断面收缩率的方法，其特征在于包括如下步骤：
S1：基于未拉伸的试样表面完成坐标系的建立与曲面网格划分；
S2：基于DIC拍摄的单轴拉伸试验，对断裂点建立自拉伸开始至断裂时刻的追踪；
S3：根据追踪出的断裂点，确定出断裂时刻垂直于拉伸轴并经过断裂点的曲线；
S4：确定该条曲线的位置-厚度信息；
S5：基于厚度信息对该条曲线沿试样宽度方向进行积分，据此完成断裂位置横截面积的计算；
S6：根据计算确定板材拉伸断面收缩率。
2.根据权利要求1所述的一种测量板材拉伸断面收缩率的方法，其特征在于：
步骤S1中的网格划分以设定的参考长度要求为约束进行；
步骤S2中的DIC拍摄按照设定的拍摄频率进行。
3.根据权利要求2所述的一种测量板材拉伸断面收缩率的方法，其特征在于：
参考长度按照小于0.4mm进行设定。
4.根据权利要求2所述的一种测量板材拉伸断面收缩率的方法，其特征在于：
按照拉伸全过程中拍摄总帧数控制在400-500帧进行拍摄频率的设置。
5.根据权利要求1所述的一种测量板材拉伸断面收缩率的方法，其特征在于：
步骤S2具体为，
首先基于应变云图确定出断裂对应帧，并据此断裂对应帧完成对前一帧的锁定；
然后对锁定的前一帧进行X形沟槽的交点确定，确定出的交点即为断裂点。
6.根据权利要求1所述的一种测量板材拉伸断面收缩率的方法，其特征在于：
步骤S3具体为：
通过比较确定出断裂点的相应帧与未拉伸的第一帧，完成该点在第一帧上的位置确认；并以垂直于拉伸轴且经过该位置确定一线段，基于DIC追踪将该线段映射到断裂点相应帧上，完成断裂时刻垂直于拉伸轴并经过断裂点的曲线的确定。
7.根据权利要求1所述的一种测量板材拉伸断面收缩率的方法，其特征在于：
步骤S4具体为：
首先确定出该条曲线相应位置的厚度应变，形成位置-厚度应变曲线；然后结合板材初始厚度得到位置-厚度曲线。
8.根据权利要求6所述的一种测量板材拉伸断面收缩率的方法，其特征在于：
步骤S4具体为：
首先确定出该条曲线相应位置的厚度应变，形成位置-厚度应变曲线；然后结合板材初始厚度得到位置-厚度曲线。
9.根据权利要求8所述的一种测量板材拉伸断面收缩率的方法，其特征在于：
当确定的线段经过网格节点时，相应位置的厚度应变即为节点厚度应变；否则相应位置的厚度应变根据节点厚度应变插值确定。
10.根据权利要求7所述的一种测量板材拉伸断面收缩率的方法，其特征在于：
位置-厚度应变曲线通过首先确定该位置的主次应变，然后基于体积不变原理完成该位置相应厚度应变的确定完成。
11.根据权利要求1所述的一种测量板材拉伸断面收缩率的方法，其特征在于：
步骤S5具体为：
首先按照网格节点的设置距离将断裂位置的横截面在宽度方向完成区域的划分；
然后根据各区域的厚度完成各区域的面积计算；
最后对各区域的面积进行求和，据此完成断裂位置横截面积的计算。
12.根据权利要求11所述的一种测量板材拉伸断面收缩率的方法，其特征在于：
所述的各区域的厚度根据划分该区域的前后两个节点的厚度值的均值确定。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210738215.8A CN117330405A (zh) | 2022-06-27 | 2022-06-27 | 一种测量板材拉伸断面收缩率的方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202210738215.8A CN117330405A (zh) | 2022-06-27 | 2022-06-27 | 一种测量板材拉伸断面收缩率的方法 |
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|---|---|
| CN (1) | CN117330405A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117870567A (zh) * | 2024-01-22 | 2024-04-12 | 南昌航空大学 | 一种丝材应变测量方法及系统 |
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2022
- 2022-06-27 CN CN202210738215.8A patent/CN117330405A/zh active Pending
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