[發明專利]一種基于DIC應變觀測的壓痕實驗裝置和方法

在審

• 申請號: 202210836211.3
• 申請日: 2022-07-15
• 公開（公告）號: CN115184196A
• 公開（公告）日: 2022-10-14
• 發明（設計）人: 陳俊甫;林士凱;王疆瑛;張景基;杜匯偉;朱澤潔;宗泉;葉永春
• 申請（專利權）人: 中國計量大學
• 主分類號: G01N3/42
• 分類號: G01N3/42;G01N3/06;G01B11/02;G01B11/16
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本發明公開了一種基于DIC應變觀測的壓痕實驗裝置和方法，屬于材料力學性能測試技術領域。包括DIC測量單元、精密壓入單元、X軸定位單元、Y軸定位單元、Z軸定位單元和底座。所述Z軸定位單元、Y軸定位單元和DIC測量單元均安裝在底座上；所述精密壓入單元安裝在Z軸定位單元上，所述X軸定位單元安裝在Y軸定位單元上；所述精密壓入單元包括壓電促動器、激光位移傳感器、載荷傳感器和壓頭。本發明基于三維精準定位單元，可對試樣壓入變形前后同一區域的散斑圖像進行采集，滿足DIC的測量要求，實現對壓痕變形區的應變分布和尺寸測量表征，結合載荷?壓入深度曲線，實現對材料力學性能和本構模型的精確測量，具有良好的應用前景。

技術領域

本發明屬于材料力學性能測試技術領域，具體涉及一種基于DIC應變觀測的壓痕實驗裝置和方法。

背景技術

壓痕實驗是采用控制位移或者控制載荷方法，將特定形狀的壓頭壓入待測試樣一定的深度，記錄整個實驗過程中的載荷、壓入深度和時間，進而獲取材料力學性能的測試。相較于拉伸、壓縮、扭轉等傳統材料力學性能測試手段而言，壓痕實驗具有操作方便、制樣簡單、測試結果豐富、微損傷等顯著特點，被廣泛應用于研究材料的力學性能，可實現在役設備材料力學性能的連續性監控，為在役設備的結構完整性評估提供了可靠的保障。

基于壓痕實驗測量得到的載荷-壓入深度曲線，可以通過理論模型計算、有限元優化反求以及機器學習建模預測等方法初步確定材料的彈性模量、屈服強度、抗拉強度以及應變硬化指數等力學參量。然而，由于載荷-壓入深度曲線所包含的力學信息較少，在進行有限元反求時，導致反求收斂困難，計算結果不唯一；在進行理論計算和機器學習預測時，導致計算結果的精度較差。因此，為了達到精準測量的目的，仍需要確定壓痕彈塑性區尺寸和應變場分布等實驗測量數據。

數字圖像相關法(DIC)是一種行之有效的彈塑性應變測量與表征方法，但要求拍攝變形前后的散斑圖像進行應變計算。目前常用的方法是圖像采集前在試樣表面人為設置定位標記點，再以標記點為基準點，對變形前后圖像進行手工對齊，確保壓入區域在每張圖像中位置基本相同。上述方法依靠于人為標點和手工對齊，具有很大的誤差和不確定性，其應變測量結果無法用于進行壓痕彈塑性力學性能的精確測量。

綜上，可以看出，研制具有載荷-壓入深度曲線精確測量，同時能夠滿足DIC應變測量要求的壓痕實驗裝置和方法依然是一個難點，也是急迫需要的。

發明內容

本發明的目的在于提出了一種基于DIC應變觀測的壓痕實驗裝置和方法，克服解決現有技術的不足。本發明基于三維精準定位單元，對試樣壓入變形前后同一區域的散斑圖像進行采集，利用DIC應變測量技術，對壓痕彈塑性變形區的應變分布和尺寸進行測量表征，結合載荷-壓入深度曲線，實現對材料力學性能和本構模型的精確測量。

本發明的上述目的通過以下技術方案實現：

一種基于DIC應變觀測的壓痕實驗裝置，包括精密壓入單元1、Z軸定位單元2、底座3、X軸定位單元4、Y軸定位單元5、DIC測量單元6；所述Z軸定位單元2、Y軸定位單元5和DIC測量單元6均固定安裝在底座3上，所述精密壓入單元1安裝在Z軸定位單元2上，所述X軸定位單元4安裝在Y軸定位單元5上。

所述精密壓入單元1包括壓電促動器銜接板11、Z軸滑臺銜接板12、激光位移傳感器13、位移測量板14、壓頭15、壓桿16、載荷傳感器17、壓電促動器固定架18、壓電促動器19；所述壓電促動器銜接板11固定在Z軸滑臺銜接板12上；所述壓電促動器固定架18固定在壓電促動器銜接板11上；所述壓電促動器19固定在壓電促動器18上；所述壓電促動器19與載荷傳感器17的一端連接；所述載荷傳感器17的另一端與壓桿16連接；所述壓頭15固定在壓桿16上；所述激光位移傳感器13安裝在Z軸滑臺銜接板12上；所述位移測量板14固定在載荷傳感器17與壓桿16之間。