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行业案例 | 齐鲁工业大学基于DIC技术的硼钢力学性能测试

行业案例 | 齐鲁工业大学基于DIC技术的硼钢力学性能测试

2022/11/9 16:39:37

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关于齐鲁工业大学:一所以科教融合为优势特色的应用研究型大学。学校于2017年5月由齐鲁工业大学和山东省科学院整合组建而成。其历史可追溯到1948年解放军胶东军区创办的胶东工业学校和始建于1958年的中国科学院山东省分院。


关于道姆光学:GOM GmbH在中国的合作伙伴,公司和国际知名的试验机、高速相机、红外相机等材料测试和光学测试厂商合作,专业提供成套光学非接触应变和位移测试系统和测试分析软件,以及技术咨询和服务,旨在为中国的材料研究、零部件及结构测试提供一站式光学测试和计量解决方案。


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项目背景
在现代,铁路凭借突出的性价比优势,已经成为了人们日常出行的高频选择之一。而对于铁路车辆的设计制造而言,铁路车辆必须要在整个生命周期里,都实现持续性


在材料力学中,材料的应力-应变曲线是金属成形研究的重要参数之一。


齐鲁大学基于DIC技术,以热处理硼钢为研究对象,结合数字相关技术对其力学性能展开研究。

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测试目标
在现代,铁路凭借突出的性价比优势,已经成为了人们日常出行的高频选择之一。而对于铁路车辆的设计制造而言,铁路车辆必须要在整个生命周期里,都实现持续性


  • 在拉伸过程中测量标准拉伸试样在变形过程中的载荷-位移数据,获得材料应力-应变曲线;

  • 对中心孔、缺口试样、面内剪切试样和等双轴拉伸试样进行测试,获得各个应力状态试样在断裂之前的等效塑性应变场。

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测试痛点
在现代,铁路凭借突出的性价比优势,已经成为了人们日常出行的高频选择之一。而对于铁路车辆的设计制造而言,铁路车辆必须要在整个生命周期里,都实现持续性


  • 传统接触式测量容易对待测量材料产生损伤

  • 传统接触式测量不能够实现全场测量

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解决方案
在现代,铁路凭借突出的性价比优势,已经成为了人们日常出行的高频选择之一。而对于铁路车辆的设计制造而言,铁路车辆必须要在整个生命周期里,都实现持续性


采用非接触式测量方法,该测量技术是一种高精度、非接触的用于测量全场形貌、变形等的方法。通过表面散斑的变化,获得材料在变形过程中位移场和应变场信息。


在测试过程中,将ARAMIS三维光学测试系统测得的位移数据与拉伸机中的载荷数据相结合,从而获得试样的载荷-位移曲线。

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测试过程
在现代,铁路凭借突出的性价比优势,已经成为了人们日常出行的高频选择之一。而对于铁路车辆的设计制造而言,铁路车辆必须要在整个生命周期里,都实现持续性


① 使用线切割机加工了标准拉伸、中心孔、缺口、面内剪切和Nakajima试样,如图1所示;

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图1 试样尺寸结构图:

(a)标准拉伸试样;(b)中心孔试样;

(c)缺口试样(R5);(d)面内剪切试样;

(e)Nakajima试样(单位:mm)


② 对拉伸试样进行一定的热处理工艺,获得预想的微观组织结构。热处理后的试样表面用砂纸进行打磨,去除表面的氧化层保证后续随机散斑图案的附着力;


③ 将白色哑光漆喷涂到试样表面,待其在空气中干燥3~5 min后,将黑色哑光漆均匀地喷涂在白色底漆表面上,白漆和黑漆的比例为1:1时可以保证最好的对比度效果,如图2所示;

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图2 白漆和黑漆分布对比


④ 对ARAMIS测量系统进行标定,保证后续实验数据的准确性;


⑤ 拉伸试验机和GOM ARAMIS设备连接进行实验测试,测试过程中双目摄像机以5 Hz的速度记录图像,相机的分辨率被设置为每毫米28像素。如图3展示了拉伸实验和冲压实验的整套测试系统,并在图中标出了系统中重要的测试单元,其中计算机1#用于控制ARIMIS系统并记录位移和应变场数据,计算机2#用于控制电子万能试验机并记录载荷数据;

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图三 (a)

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图三 (b)


⑥ 输出测量结果。标准拉伸实验过程中,在计算机1#中提取试样标距段的位移-时间数据,在计算机2#中提取试样的载荷-时间数据,并将载荷数据与位移数据按照时间结合起来,获得试样的载荷-位移数据。对于其他应力状态试样,找到断裂前一时刻,输出试样表面的应变场。



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项目成果
在现代,铁路凭借突出的性价比优势,已经成为了人们日常出行的高频选择之一。而对于铁路车辆的设计制造而言,铁路车辆必须要在整个生命周期里,都实现持续性


通过配有数字图像相关设备的单轴拉伸实验,可以获得载荷-位移曲线,如图4所示:


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图4 标准拉伸实验载荷-位移结果


也可以直接得到的工程应力-工程应变与真实应力-真实应变曲线如图5所示:

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图5 应力-应变曲线:

左(a)工程应力-工程应变曲线

右(b)真实应力-真实应变曲线


中心孔、缺口、面内剪切和Nakajima试样在断裂前应变场分布如图6所示:

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图6 不同应力状态试样在断裂之前的等效塑性应变场:

(a)中心孔试样;(b)缺口试样;

(c)面内剪切试样;(d)Nakajima试样


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道姆专家总结:


与传统的接触式测量相比,GOM ARAMIS不仅可以避免对材料的损伤以及只测局部的限制,还可以实现非接触式测量,快速完成局部与全场的数据测量,为材料拉伸提供新的测量方式。


GOM ARAMIS与拉伸机同步采集数据,很好实现力值同步,智能“一站式”分析材料的表面力学,可以帮助客户快速得到泊松比,模量,应力-应变曲线等数据。

审核编辑(
王妍
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