[發明專利]一種基于紅外熱成像的絕熱剪切破壞溫度的在線檢測方法和系統

無效

• 申請號: 201110462207.7
• 申請日: 2011-12-22
• 公開（公告）號: CN102645282A
• 公開（公告）日: 2012-08-22
• 發明（設計）人: 舒大禹;陳強;康鳳;胡傳凱;黃樹海;趙志翔;林軍;趙祖德
• 申請（專利權）人: 中國兵器工業第五九研究所
• 主分類號: G01J5/10
• 分類號: G01J5/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及紅外熱成像領域，特別提供了一種在高速撞擊、沖蝕等作用下絕熱剪切帶形成和發展階段的溫度實時測量方法，適用于鈦合金、鎢合金等在高速撞擊、爆轟作用下材料或構件內部變形溫度的測量。

背景技術

鈦合金、鎢合金、高強鋼等材料在高速撞擊、侵徹、沖蝕、爆炸復合等涉及沖擊載荷的高應變率形變過程中，材料應變速率變形時發生熱-力耦合、局域化的熱粘塑性失穩現象，其中絕熱剪切帶(AdiabaticShear?Band，ASB)是一種特有的微損傷現象，“絕熱”是指材料在高應變速率變形過程中，由于變形的時間極短(達到μs量級)，絕大部分塑性功轉化為熱量來不及散失到周圍的現象。由于絕熱剪切帶的形成與材料的動態斷裂有著密切的關系，材料或構件內部出現絕熱剪切帶標志著承載能力的下降或喪失。

對絕熱剪切帶的研究，宏觀上主要采用高速攝影、脈沖X光照相、應變片等進行樣品動態過程變形的研究；微觀上主要采用光學顯微鏡、掃描電鏡等現代材料分析手段分析回收破片中的絕熱剪切帶以及剪切帶導致的破壞。得出的結論是絕熱剪切帶寬度一般為10¹～10²μm量級，在剪切帶內可產生10～10²量級的剪切應變，應變率可達10⁵～10⁷s^-1，理論計算出絕熱溫升可達10²～10³K，冷卻速率可達10⁵K/s。然而，現有技術中的上述宏觀和微觀的研究方法還不能獲得絕熱剪切帶形成和發展階段的溫度變化歷程。

由于溫度對材料的力學性能和微觀組織結構變化影響很大，因而采用紅外熱成像技術實時測量絕熱剪切帶形成和發展階段的溫度變化，一方面對揭示高應變速率下的相變和動態再結晶機制有著重要的意義；另一方面有助于研究鈦合金、鎢合金等材料在高應變率下的力學性能以及塑性變形斷裂機制。

發明內容

針對現有技術中的上述需求，本發明為了解決金屬材料、構件在落錘、氣槍和霍布金森壓桿(SHPB)等裝置加載下，在高速撞擊、沖蝕等作用下絕熱剪切帶形成和發展階段的溫度實時測量，提供一種基于紅外熱成像的在線檢測方法和系統，主要用于研究材料的微觀結構變化和絕熱剪切帶特性。

紅外熱成像的測溫原理是：光學透鏡收集物體變形過程中輻射的光，成像在紅外探測器的感光元件上，探測器的讀出電路將接收到的光信號轉換為電信號并進行積分放大、采樣保持，再通過輸出緩沖和多路傳輸系統，最終形成圖像并進行數據采集。

本發明基于紅外熱成像的絕熱剪切破壞溫度的在線檢測系統，其特征在于，包括：試樣加載裝置，用于加載試樣并進行沖擊壓縮破壞；紅外光學成像系統，用于收集試樣變形輻射光并成像到紅外探測裝置；紅外探測裝置，根據接收到的光信號轉換為電信號用于探測剪切帶的溫度變化；多路復用電信號處理系統，對紅外探測裝置轉換的電信號進行處理、輸出緩沖和多路傳輸最終形成圖像；數據采集系統，進行數據采集。

所述試樣加載裝置為落錘、氣槍或霍布金森壓桿(SHPB)。

優選地，所述紅外探測裝置包括：第一紅外探測裝置，用于探測溫度隨剪切帶形成過程變化；第二紅外探測裝置，用于探測二維溫度場圖像從而獲得剪切帶的二維結構圖像和剪切帶方向的溫度分布；第三紅外探測裝置，用于確定試樣的發射率。

優選地，所述第一紅外探測裝置包括線性陣列探測器，所述線性陣列探測器是由若干個紅外探測器組成的線性陣列。

優選地，所述第二紅外探測裝置包括焦平面紅外探測器，所述焦平面紅外探測器是由焦平面陣列的紅外探測器組成的。

優選地，所述第三紅外探測裝置包括激光校準器和脈沖照相機，用于確定試樣的發射率并對所述紅外探測器進行標定。

優選地，所述紅外光學成像系統通過分光鏡形成第一至第三探測線路，從而將輻射光分別成像到所述第一至第三紅外探測器。進一步優選地，所述紅外光學成像系統包括分光鏡、凸透鏡、反射鏡、凹透鏡以及六方分光鏡。

本發明還提供了一種基于紅外熱成像的絕熱剪切破壞溫度的在線檢測方法，其特征在于，包括：加載試樣并進行沖擊壓縮破壞產生變形；通過收集試樣變形的輻射光并成像到紅外探測裝置；根據接收到的光信號轉換為電信號用于探測剪切帶的溫度變化；對轉換的電信號進行處理、輸出緩沖和多路傳輸最終形成圖像并進行數據采集。