T-CWAN 0101-2024 基于數(shù)字圖像相關技術的微細金屬絲材拉伸性能測試方法

ICS25.160.01CCSJ33團體標準DIC-basedtestmethodfortensilepropertiesofmicrometalwires中國焊接協(xié)會發(fā)布IT/CWAN0101—2024 II 12規(guī)范性引用文件 3術語和定義 4符號 25測試系統(tǒng)和原理 26試樣制備 37試驗程序 48試驗結果 69試驗報告 6附錄A（資料性）檢測報告示例 8T/CWAN0101—2024本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構不承擔識別專利的責任。本文件由中國焊接協(xié)會提出并歸口。本文件起草單位：南昌航空大學、浙大城市學院、重慶科技大學、貴州航天天馬機電科技有限公司、哈爾濱職業(yè)技術學院、中國機械總院集團哈爾濱焊接研究所有限公司。本文件主要起草人：陳玉華、史麗婷、謝吉林、張龍、許明方、張體明、石燕棟、張世一、李文凱、戈軍委、鄭敏、王濱濱、武鵬博、王善林、曹浩、魏明煒、朱闖、于春洋。1T/CWAN0101—2024本文件規(guī)定了微細金屬絲材拉伸性能測試系統(tǒng)和原理、試樣制備、試驗程序、試驗結果和試驗報告等內(nèi)容。本文件適用于直徑為0.3mm-1.6mm微細金屬絲材通過數(shù)字圖像相關技術進行拉伸性能測試。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T228.1金屬材料拉伸試驗第1部分室溫試驗方法GB/T10623金屬材料力學性能試驗術語JJG139拉力、壓力和萬能試驗機檢定規(guī)程JJG475電子式萬能試驗機檢定規(guī)程JJG1063電液伺服萬能試驗機檢定規(guī)程3術語和定義GB/T10623中界定的以及下列術語和定義適用于本文件。標距（L）gaugelength在測試的任一時刻，用于測量試樣伸長的平行部分長度。3.2原始標距（L0）originalgaugelength室溫下施力前的試樣標距。3.3斷后標距（Lu）finalgaugelengthafterfracture在室溫下將斷后的兩部分試樣緊密對接在一起，保證兩部分的軸線位于同一條直線上，測量試樣斷裂后的標距。3.4最大力（Fm）maximumforce（連續(xù)屈服的金屬材料）試驗期間試樣所承受的最大的力。2T/CWAN0101—2024（不連續(xù)屈服的金屬材料）在加工硬化開始之后，試樣所承受的最大的力。3.5抗拉強度（Rm）tensilestrength相應最大力Fm對應的應力。3.6伸長(ΔL）elongation試驗期間任一時刻原始標距的增量。3.7斷后伸長率（A）percentageelongationafterfracture斷后標距的殘余伸長與原始標距（L0）之比，以%表示。3.8數(shù)字圖像相關技術（DIC）digitalimagecorrelation數(shù)字圖像相關技術又稱數(shù)字散斑相關技術，是將試件變形前后的兩幅數(shù)字圖像通過相關計算獲取感興趣區(qū)域變形信息的技術。4符號表1給出了微細金屬絲拉伸性能測試過程中所使用的符號及相應的說明。表1符號及說明L0LuLd0S0mm2FmNRmΔLA%m0gρ5測試系統(tǒng)和原理5.1DIC測試系統(tǒng)數(shù)字圖像相關技術通過非接觸式、基于視覺的全場測量方法對微細金屬絲拉伸性能進行測量。DIC測試系統(tǒng)應由計算機、控制器、數(shù)碼相機、LED光源和拉伸試驗機組成，如圖1所示。3T/CWAN0101—2024圖1數(shù)字圖像相關測試系統(tǒng)組成5.2DIC測試原理散斑可以用于分析物體的形變和變形，當物體受到外力或變形時，散斑圖案也會發(fā)生相應變化。因此，可以分別在金屬絲兩端標距處貼上硬紙板，然后通過數(shù)碼相機對金屬絲拉伸過程中兩塊紙板的運動過程進行捕捉，如圖2所示。由于紙板是整體發(fā)生位移變化，因此在拉伸試驗結束后，在兩塊紙板上選取特定區(qū)域作為當前計算點的子區(qū)，可以間接計算出金屬絲試樣在拉伸過程中位移的變化。圖2數(shù)字圖像相關法計算位移原理6試樣制備6.1試樣的形狀試樣通常為產(chǎn)品的一部分，不經(jīng)過機加工，如需要機加工應由供需雙方協(xié)商確定試樣的形狀。6.2試樣的尺寸6.2.1對于需要測定斷后伸長率的微細金屬絲試樣，原始標距L0應取200mm±2mm或100mm±1mm。試驗機兩夾頭之間的距離應至少為L0+20mm。4T/CWAN0101—20246.2.2如不需測定斷后伸長率，兩夾頭間的最小自由長度可以為50mm。6.2.3當樣品長度不能滿足6.2.1和6.2.2要求時，由供需雙方協(xié)商確定試樣的原始標距和試驗機兩夾頭之間的距離。6.3取樣要求試樣選取時應仔細觀察，確保待測金屬絲上不存在影響試驗結果的機械損傷和彎折。如以盤卷交貨的產(chǎn)品，可進行矯直。樣品足夠長時，試樣應在距絲材頭端300mm以上截取，當需要取多個試驗時，每個試樣間距不得小于300mm。6.4原始橫截面積的測定原始橫截面積的測定應準確到±1%。對于圓形橫截面的產(chǎn)品，應在兩個相互垂直方向測量試樣的直徑，取其算術平均值計算橫截面積。可以根據(jù)測量的試樣長度、試樣質(zhì)量和材料密度，按照公式（1）確定其原始橫截面積：S0=1000*m0P*L(1)7試驗程序7.1試樣裝夾將試樣安裝在試驗夾具上，裝配時要保持試樣自由下垂且平直。必要時可對待測試樣施加一定的預載荷以將其拉直，但預載荷大小不應超過試樣最大力的5%。7.2散斑制備選取兩塊適當尺寸的方形硬紙板。散斑制作前應確保硬紙板表面平整干凈，噴漆操作需要遵守相關的安全操作規(guī)范和環(huán)境保護要求。在合適的環(huán)境下，保持適當?shù)膰娖峋嚯x和角度進行散斑制作。首先，將不反光白漆均勻覆蓋于硬紙板表面；待白漆風干后，將不反光黑漆均勻且分散的疊加于白漆之上。待完全風干后對散斑進行觀察，確保硬紙板仍然平整，且表面噴漆層厚度一致，斑點尺寸和分布均勻。7.3散斑質(zhì)量檢查待硬紙板表面油漆完全干燥后需檢查散斑標記的質(zhì)量和準確性。理想的散斑圖案是高對比度、散斑點分布隨機、散斑尺寸大小一致、且表面黑白分布密度等量。7.4硬紙板散斑放置待試樣裝夾到拉伸機并調(diào)試完成后，將硬紙板通過膠水粘在待測絲材樣品上。為了方便后續(xù)計算樣品的延伸率，應保證兩塊硬紙板中心線和兩端標距位置重合，并且調(diào)整兩塊硬紙板的位置，保證兩塊硬紙板與數(shù)碼相機在同一平面。由于DIC二維測試僅使用一臺相機，因此必須保證待測區(qū)僅在平面內(nèi)移動，并且確保兩塊紙板在拉伸前后始終在相機視野范圍內(nèi)。如果測試不符合上述原則，則需要進行調(diào)整。5T/CWAN0101—20247.5圖像校準及采集頻率在測試開始和施加載荷之前，需通過標定板校準DIC相機系統(tǒng)，如圖1所示。將標定板放置在待測絲材附近相機視野中的任意方向，并在每個方向拍攝一幅圖像（需要7幅以上這些圖像用作DIC分析中的基準圖像。標定完成后，在靜止狀態(tài)下拍攝幾張照片進行計算，若計算的位移云圖均勻且接近于0（或應變小于0.01%則說明標定成功。若無法形成均勻應變云圖，則需要調(diào)整數(shù)碼相機位置和角度或調(diào)節(jié)光照強度，對相機重新進行標定。試驗過程中的采集頻率參考微細金屬絲材拉伸速率情況確定，通常為1-10fps。7.6子集和步長子集選取應盡可能覆蓋硬紙板以降低試驗誤差。微細金屬絲材在拉伸過程中位移的計算是以數(shù)據(jù)點為單位的，且這些數(shù)據(jù)點由步長分開，應在保證不影響后續(xù)特定數(shù)據(jù)點的前提下進行提取。子集和步長大小根據(jù)硬紙板尺寸進行設置。7.7拉伸試驗拉伸試驗機應按JJG139、JJG475、JJG1063要求進行檢定，拉伸試驗機分級應不低于1級。試驗所用力值范圍應在被檢范圍以內(nèi)。試驗應依據(jù)GB/T228.1規(guī)定對試樣進行連續(xù)加載，在試樣斷裂時確定最大力Fm。7.8位移測量通過DIC軟件對拉伸前后圖像進行處理，得到圖3示例所示的位移分布云圖。計算后的圖像應顯示出近乎相同的顏色分布，以表明兩塊紙板是整體發(fā)生位移。(a)拉伸前（上部）;(b)拉伸后（上部）;(c)拉伸前（下部）;(d)拉伸后（下部）圖3通過DIC計算出上/下紙板在拉伸試驗開始/結束時的位移為了獲得試樣在拉伸結束后實際的伸長率，分別在上部和下部的網(wǎng)格上沿X方向選取一條直線（圖3c和d中示例需保證所選取的直線與實際絲材中標距位置重合。根據(jù)網(wǎng)格大小可以在直線上得到一系列等間距的像素點，從而將絲材在拉伸過程中的位移變化等效為上下兩部分直線在Y方向的6T/CWAN0101—2024相對位移，計算的位移數(shù)據(jù)精確到小數(shù)點后3位。通過DIC系統(tǒng)記錄所選取直線在絲材拉伸試驗前后相對原始位置的變化可以得出斷后標距Lu，如圖4所示。(a)上部(b)下部圖4通過DIC計算的圖3中所選直線在拉伸前后位移變化8試驗結果根據(jù)公式（2）計算抗拉強度：(2)(2)根據(jù)公式（3）和公式（4）計算斷后伸長率：(3)(4)ΔL=LuL(3)(4)×100%當出現(xiàn)下列情況之一者其試驗結果無效，應重新試驗。（1）試樣斷裂在標距段以外，造成性能不合格；（2）由于操作不當，出現(xiàn)試樣打滑或機械損傷等影響試驗結果準確性的情況；（3）測試過程中硬紙板發(fā)生非平面旋轉或測試結果顯示位移不均勻；9試驗報告試驗完成后應在報告中體現(xiàn)以下信息：a)依據(jù)標準名稱；b)材料的類型；c)試樣原始標距、試驗速率；d)試樣初始截面積，單位為mm2；e)最大力，單位為N；f)抗拉強度，單位為MPa；g)斷后伸長率，單位為%。7T/CWAN0101—2024相同試驗參數(shù)下應進行3次或以上重復試驗以保證數(shù)據(jù)結果準確性，試驗典型的