一种金属材料自由扭转变形制造技术

一种金属材料自由扭转变形

【技术实现步骤摘要】
一种金属材料自由扭转变形Swift效应的测试方法


[0001]本专利技术属于测量
，具体是一种金属材料自由扭转变形
Swift
效应的测试方法
。

技术介绍

[0002]金属材料自由扭转变形下将发生轴向伸长或缩短的现象，即
Swift
效应，该现象是材料在塑性变形下诱发的位错滑移及孪晶等复杂变形机制导致的二阶轴向效应
。Swift
效应是建立金属材料宏观力学性能与微观变形机制内在联系的重要参数，可为高性能金属材料研发
、
设计与优化提供科研基础及参考依据
。
然而，由于
Swift
效应为高阶小变形，且金属材料扭转塑性变形行为较复杂，使得
Swift
效应的高精度测量面临严峻挑战
。
目前在科研领域以及市场产品都缺少有效的高精度测量方法
。
以下为三种测量轴向应变以及扭转角的常用方法：
[0003](1)
电阻应变片测量法；电阻应变片测量法通过在样品表面粘贴应变片，当其发生扭转变形时，应变片电阻或电容将发生变化，进而可根据应变片电阻与变形之间的关系，计算得到样品的轴向应变，即材料的
Swift
效应，但扭转变形通常采用圆形截面样品，扭转后应变片方向将发生转动，当扭转角较大时，难以准确获得样品沿轴向的应变值
。
此外，电阻应变片具有一定的工作范围，在高应变或大变形的情况下测量可能会失去灵敏性和准确性，故只适应于测量小变形下的
Swift
效应
。
[0004](2)
引伸计法：引伸计法依据安装在试样上引伸计的变形来测量材料或结构在加载下的变形
。
该方法具有高灵敏度
、
适用性广泛等优点
。
由于引伸计法需要将引伸计与被测样品结合以及扭转相对于拉压变形的复杂性，在测量自由扭转状态下试样的扭转角及轴向应变十分困难，目前市面上只有美国
EPSILON
轴向扭转引伸计
3550
能够满足要求进行高精度测量，但是该装置的剪切应变角范围为
±3°
，只适用于检测小变形下的扭转力学响应，对于大应变扭转下的变形难以检测
。
[0005](3)DIC
分析法；
DIC
分析法即数字图像相关法或数字散斑法，该方法基于摄像机拍摄的扭转试验过程中样品的照片，通过分析变形前后的数字图像，获得样品的轴向应变
。
该方法具有非接触
、
高精度
、
全场测量以及数据处理便捷等特点
。
目前对于扭转试样多采用三维
DIC
方法检测，但是由于技术发展的时间相对较短，对三维表面的表征不够准确，造成测量结果误差较大；此外，扭转变形时，样品中各散斑的运动轨迹为空间曲线，需采用两组或两组以上摄像头准确捕获样品的空间坐标，导致设备造价昂贵
。
因此，亟需提供一种试验成本低
、
操作过程简单
、
测量精度高的
Swift
效应测试方法
。

技术实现思路

[0006]针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种金属材料自由扭转变形
Swift
效应的测试方法，该方法步骤简单
、
实施成本低，其在降低试验成本以及简化操作步骤的同时，能可靠地对金属材料的扭转变形情况进行精确的分析，有助于探究金属材料宏观力学
性能与微观变形机制间的关系，能为研究开发高性能金属材料提供可靠的技术支持
。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术提供一种金属材料自由扭转变形
Swift
效应的测试方法，包括以下步骤：
[0008]步骤一：利用扭转试验机与高速摄像机搭建自由扭转测试平台；
[0009]搭建平台时，通过三脚架将高速摄像机支设在扭转试验机的一侧，再将镜头安装在高速摄像机上，然后调整三脚架使镜头的高度与扭转试验机夹具的高度相一致，并对准扭转试验机夹具；之后，利用数据线建立扭转试验机和高速摄像机与控制器之间的连接；
[0010]步骤二：加工扭转试样并制备散斑；
[0011]S21
：根据试验需求加工扭转试样；
[0012]S22
：在喷漆前，将准备的颜色为哑光白
、
哑光黑的喷漆上下摇匀，在摇匀后以先白后黑的顺序进行散斑标距段的制备，在进行白色喷漆作业时，将白色喷漆均匀喷涂在散斑标距段区域的表面，并且确保无大块聚集，在进行黑色喷漆作业时，利用双手按压喷漆罐压钮以较慢的喷漆速度在距离扭转试样一定距离处对散斑标距段区域进行喷涂；
[0013]S23
：若喷漆效果理想则执行
S24
，若喷漆效果不佳则使用砂纸打磨扭转试样至表面无喷漆残留后重新执行
S22
；
[0014]S24
：完成散斑制备后使用游标卡尺测量散斑标距段的长度以及直径，测量三次取平均值记录为原始材料数据；
[0015]步骤三：安装扭转试样并调整高速摄像机；
[0016]S31
：将完成预处理的扭转试样安装于扭转试验机上，利用试验机的上夹具
、
下夹具确保夹紧扭转试样以避免出现扭转过程打滑的现象；
[0017]S32
：调整三脚架的高度和方位，并依据高速摄像机的水平仪和参考线，使扭转试样的散斑标距段完整的位于高速摄像机拍摄区域中心处的同时，保证拍摄方向垂直于扭转试样的表面，前后调整高速摄像机位置并调节焦距以达到最清晰拍摄效果；
[0018]步骤四：设置扭转试验机的试验条件及高速摄像机的拍摄条件；
[0019]S41
：设置扭转试验机的扭转参数和高速摄像机的拍照频率，并且确保扭转时扭转试样的轴向力为0，以确保试验时扭转试样为自由扭转状态；
[0020]S42
：完成并检查设置后准备进行自由扭转测试，且在扭转试验开始前
M s
开启高速摄像机；
[0021]步骤五：进行自由扭转测试；
[0022]S51
：控制扭转试验机动作，通过上夹具
、
下夹具的反向旋转动作带动扭转试样进行扭转，待扭转试样发生断裂或扭转至设置角度时控制扭转试验机停机以停止试验过程，该过程中，同步利用高速摄像机按设定的拍摄频率进行图像数据的采集，确保能采集到扭转试样在初始状态
、
扭转过程中及结束状态时的图像数据；在扭转试验机停机后，控制高速摄像机停止拍摄记录，并及时检测
、
保存全部照片；
[0023]S52
：将高速摄像机内部的照片按拍摄时间顺序导入控制器，通过控制器对每张照片逐一按照如下方式进行处理：
[0024]A1
：先根据散斑标距段的长本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种金属材料自由扭转变形
Swift
效应的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：利用扭转试验机与高速摄像机
(3)
搭建自由扭转测试平台；搭建平台时，通过三脚架
(5)
将高速摄像机
(3)
支设在扭转试验机的一侧，再将镜头
(4)
安装在高速摄像机
(3)
上，然后调整三脚架
(5)
使镜头
(4)
的高度与扭转试验机夹具的高度相一致，并对准扭转试验机夹具；之后，利用数据线建立扭转试验机和高速摄像机
(3)
与控制器之间的连接；步骤二：加工扭转试样
(7)
并制备散斑；
S21
：根据试验需求加工扭转试样
(7)
；
S22
：在喷漆前，将准备的颜色为哑光白
、
哑光黑的喷漆上下摇匀，在摇匀后以先白后黑的顺序进行散斑标距段
(6)
的制备，在进行白色喷漆作业时，将白色喷漆均匀喷涂在散斑标距段
(6)
区域的表面，并且确保无大块聚集，在进行黑色喷漆作业时，利用双手按压喷漆罐压钮以较慢的喷漆速度在距离扭转试样
(7)
一定距离处对散斑标距段
(6)
区域进行喷涂；
S23
：若喷漆效果理想则执行
S24
，若喷漆效果不佳则使用砂纸打磨扭转试样
(7)
至表面无喷漆残留后重新执行
S22
；
S24
：完成散斑制备后使用游标卡尺测量散斑标距段
(6)
的长度以及直径，测量三次取平均值记录为原始材料数据；步骤三：安装扭转试样
(7)
并调整高速摄像机
(3)
；
S31
：将完成预处理的扭转试样
(7)
安装于扭转试验机上，利用试验机的上夹具
(1)、
下夹具
(2)
确保夹紧扭转试样
(7)
以避免出现扭转过程打滑的现象；
S32
：调整三脚架
(5)
的高度和方位，并依据高速摄像机
(3)
的水平仪和参考线，使扭转试样
(7)
的散斑标距段
(6)
完整的位于高速摄像机
(3)
拍摄区域中心处的同时，保证拍摄方向垂直于扭转试样
(7)
的表面，前后调整高速摄像机
(3)
位置并调节焦距以达到最清晰拍摄效果；步骤四：设置扭转试验机的试验条件及高速摄像机
(3)
的拍摄条件；
S41
：设置扭转试验机的扭转参数和高速摄像机
(3)
的拍照频率，并且确保扭转时扭转试样
(7)
的轴向力为0，以确保试验时扭转试样
(7)
为自由扭转状态；
S42
：完成并检查设置后准备进行自由扭转测试，且在扭转试验开始前
Ms
开启高速摄像机
(3)
；步骤五：进行自由扭转测试；
S51
：控制扭转试验机动作，通过上夹具
(1)、
下夹具
(2)
的反向旋转动作带动扭转试样
(7)
进行扭转，待扭转试样
(7)
发生断裂或扭转至设置角度时控制扭转试验机停机以停止试验过程，该过程中，同步利用高速摄像机
(3)
按设定的拍摄频率进行图像数据的采集，确保能采集到扭转试样
(7)
在初始状态
、
扭转过程中及结束状态时的图像数据；在扭转试验机停机后，控制高速摄像机
(3)
停止拍摄记录，并及时检测
、
保存全部照片；
S52
：将高速摄像机
(3)
内部的照片按拍摄时间顺序导入控制器，通过控制器对每张照片逐一按照如下方式进行处理：
A1
：先根据散斑标距段
(6)
的长度在初始拍摄照片的相应位置定义相同尺寸的标距段，再在标距段区域选择目标分析面，并确保使选取的目标分析面为拍摄扭转试样
(7)
的左半面且面内包含较多的分析识别点；
A2
：在目标分析面定义一组轴向应变分析识别点，一组轴向应变分析识别点由分别位于标距段顶端
、
底端的上轴向应变分析识别点
、
下轴向应变分析识别点组成，且上轴向应变分析识别点和下轴向应变分析识别点的
x
坐标相一致；同时，在目标分析面定义一组横向应变分析识别点，一组横向应变分析识别点由分别位于标距段顶端
、
底端的上横向应变分析识别点
、
下横向应变分析识别点组成，且上横向应变分析识别点和下横向应变分析识别点的
x
坐标不相同；同时，将移动坐标系置于标距段的中心处并在该目标分析面内定义一个扭转角分析点；
A3
...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭晓倩，杨曙东，马超，沈露，郑亚东，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：