使用数字图像相关法进行中等应变率下的材料表征

摘要

本文介绍了一种利用高速伺服液压加载框架在中等应变率下对拉伸试样进行动态表征的方法。同时，还规定了试样上应变片的安装与分析，以及数字图像相关应变测量的实验步骤。

摘要

材料在动态载荷下的力学响应通常与其在静态条件下的行为不同；因此，常用于材料表征的准静态设备和方法不适用于承受动态载荷的材料。材料的动态响应取决于其变形速率，通常分为高应变率（即大于200/s）、中等应变率（即10–200/s）和低应变率（即低于10/s）三个区间。每个应变率区间都需要特定的实验设施和测试规程，以确保所获取数据的可靠性。由于高速伺服液压设备及经过验证的测试方法获取受限，中等应变率区间的实验结果存在明显空白。本论文提供了一种经过验证的实验方案，用于在中等应变率条件下对多种材料进行表征。此外，还包含了应变片测量技术和数字图像相关（DIC）方法作为补充模块，以从每次实验中提取尽可能详尽的数据。文中提供了来自多种材料和测试配置的原始数据示例（例如, 介绍了拉伸和剪切性能的测试方法，并描述了用于处理输出数据的分析流程。最后，讨论了采用当前协议进行动态表征时面临的挑战，以及实验装置的局限性和解决潜在问题的方法。

引言

大多数材料在其力学行为中均表现出一定程度的应变率依赖性¹，因此仅在准静态应变率下进行的力学测试不适合用于确定材料在动态应用中的性能。材料的应变率依赖性通常通过五种类型的力学测试系统进行研究：常规螺杆驱动加载框架、伺服液压系统、高速伺服液压系统、冲击试验机和霍普金森杆系统¹。在过去50年中，分离式霍普金森杆一直是材料动态表征的常用设备²。此外，也有研究致力于改进霍普金森杆以实现中等和较低应变率下的测试。然而，这些设备通常更适用于高应变率条件下的材料表征（即通常大于200/s）。目前在文献中，对应变率范围为10−200/s（即介于准静态与分离式霍普金森杆获得的高应变率结果之间）的材料性能的中等应变率表征仍存在空白³，这主要是由于相关测试设备获取受限以及缺乏可靠的中等应变率材料测试方法所致。

高速伺服液压加载框架以恒定且预设的速度对试样施加载荷。这类加载框架采用松耦合适配器，在拉伸试验中可使横梁在开始加载前先达到目标速度。松耦合适配器允许加载头移动一定距离（例如 0.1 m），以达到目标速度，随后开始对试样施加载荷。高速伺服液压加载框架通常在位移控制模式下进行试验，并保持作动器速度恒定，以实现恒定的工程应变率³。

测量试样伸长的方法通常分为接触式和非接触式两类⁴。接触式方法包括使用引伸计夹持装置等仪器，而非接触式测量则采用激光引伸计。由于接触式引伸计容易受到惯性影响，因此不适用于动态测试；而非接触式引伸计则不存在这一问题。

数字图像相关法（DIC）是一种光学、非接触式、全场应变测量技术，可作为应变片测量应变/载荷的替代方法，并克服与动态材料表征相关的一些挑战（例如振铃现象）⁵。电阻应变片可能存在测量区域有限、伸长范围有限以及安装方式受限等局限性，而DIC则始终能够在实验过程中提供来自试样表面的全场应变测量结果。

本方案介绍了高速伺服液压加载框架与数字图像相关法（DIC）的使用方法，可作为近期制定的标准指南⁶的补充文件，以阐明实验步骤的详细内容。关于伺服液压加载框架的部分适用于多种测试装置（如拉伸、压缩和剪切试验），也可适用于常见的准静态加载框架，因此涵盖范围广泛。此外，DIC部分经过少量修改后，可单独应用于各种类型的力学或热学测试。

方案

1. 样品制备

1. 按照 ISO 标准⁶预先制备狗骨状拉伸试样。
   注意：也可使用类似的试样⁴。
2. 在拉伸试样的夹持段（用于载荷测量，必需）和标距段（用于应变测量，可选）上安装应变片。
   1. 根据试样尺寸、最大伸长率、测试温度、电阻等参数选择合适的应变片型号⁴。
   2. 使用异丙醇清洁试样表面，以去除任何污染物，并在指定位置安装应变片。夹持段的应变片应安装在距离夹持区域等于或大于夹持段宽度的位置，同时确保标距段的应变片位置合理，以保证名义应力均匀传递（即无应力集中）；否则需通过数值分析预测应变片位置的实际应力值。
   3. 将应变片导线连接至惠斯通电桥盒。如需连接外部导线，可使用接线端子。
   4. 通过简单的加载和边界条件验证应变片读数。对试样施加已知载荷（例如，在试样上悬挂已知质量），并检查应变读数。
3. 按以下步骤准备数字图像相关法（DIC）试样：
   1. 在试样表面制备高对比度特征。例如，将试样涂成白色，并喷涂细小的黑色斑点。通过反复试验调整斑点图案，使其与相机图像传感器的像素尺寸匹配，确保每个斑点覆盖约3个或更多像素。
      注意：为避免表面特征干扰，应避免在已安装应变片的一侧进行DIC测量。
   2. 测试前让涂料充分干燥，并尽可能在涂覆当天进行测试。
      注意：根据涂料类型和稠度不同，干燥时间可能长达数小时。请勿在测试前长时间存放已喷涂的试样（例如数天），否则涂料会变脆并在测试过程中剥落。

2. 启动程序

1. 使用不间断电源（UPS）上的按钮打开控制台的电源。检查从泵到高速加载框架的隔离阀是否已打开，然后开启计算机。
2. 从桌面启动控制器应用程序，选择 High Rate Calculate Displacement.cfg 配置文件，然后点击 Reset 按钮以清除站控（Station Controls）下的联锁1。
   注意：另外两个指示灯（Program 1 和 Gate 1）仍为红色，因为尚未施加高压液压。
3. 勾选 Exclusive Control，以确保框架仅能通过软件控制（而非通过手持控制器）。
4. 现在依次启动液压泵（HPU）并打开服务管汇（HSM 1）（共3个）。每一步均需等待低压试验指示灯停止闪烁后，再按下高压指示灯。若液压泵已长时间关闭，请在选择高压前等待30秒，以便供油泵有足够时间向高压泵供油。
5. 再次从桌面启动测试设计软件。在工具栏中确认 HPU 和 HSM 1 处于 ON 状态（绿色）。从顶部菜单 文件> 新建> 从模板创建测试 中选择 Custom Templates，然后选择 拉伸测试。

3. 应变片的安装

1. 前往加载框架横梁控制装置（靠近手持设备处），将开关转至低速档（乌龟图标）。
2. 在测试腔内，根据颜色编码（红色、白色和黑色）将试样应变片的导线连接到应变片接线盒。如果仅使用一个应变片，则使用SG 1系列。
   注意：红色导线为独立端子（激励+或-），白色和黑色导线为感应和信号导线。
3. 在控制器应用程序中，进入辅助输入下的应变1（或应变2），选择应变的最大量程（即2%、5%或10%）。例如，若选择5%，软件会将50,000 µε映射为10 V输出，无法测量超过5%的应变。
4. 运行调节器工具软件，按照以下步骤配置应变片并平衡惠斯通电桥：
   1. 使用惠斯通电桥公式计算输出电压：
      
      其中，V_O为输出电压，V_E为激励电压，GF为应变片灵敏系数，ε₁为50,000（5%），而ε₂、ε₃和ε₄为零（完成电桥）。
5. 使用以下公式计算增益：
   
6. 在调节器工具软件中，前置放大器增益可选值为1、8、64和512，而后置放大器增益值上限为9.9976。根据前置放大器增益的不同选项（1、8、64、512），使用以下公式计算后置放大器增益：
   
7. 选择能使后置放大器增益低于9.9976的最小前置放大器增益，并将这些数值输入调节器工具软件中。
8. 运行高速数据采集配置软件。在应变通道（通道3和4）中输入应变片的满量程范围（例如50,000）。
   注意：通道1和2分别专用于位移和力。
9. 按照以下步骤将应变片调零：
   1. 首先在软件中清除应变通道的任何偏移值（将偏移值设为零）。
      注意：此过程必须在试样处于静止状态（例如放置在桌面上）且未受载荷时进行。
   2. 然后调节电桥平衡参数，使读出的应变值接近零。此为粗调步骤。
   3. 再调节反馈调零参数，使应变管理软件中的应变值完全归零。此为精调步骤。
   4. 为确认输入参数正确，点击并联启用选项。
      注意：控制器应用程序软件中的应变值应显示为1640 µε（带正号或负号）。请记住关闭并联功能，以将并联电阻从惠斯通电桥中移除。此时应变值将恢复为零。
10. 若试样上有两个应变片，在调节器工具软件中点击应变2，并重复所有应变片设置步骤。

4. 安装测试样品

1. 在控制器应用程序中，启用手动控制，并将横梁位置设为完全伸展状态，即 -125 mm。
2. 然后单击取消勾选启用手动指令复选框，并取消勾选独占控制选项。
3. 使用安装夹具将试样对中并固定在夹具内。可使用弹性绳将松弛适配器保持在缩回位置，以便为安装试样留出空间。首先拧紧底部夹具中的试样。
4. 在手持设备上，点击右上角的钥匙图标以激活手持设备。确保软件界面上的独占控制选项未被勾选。确认顶部夹具处于松开状态，以避免对试样施加不必要的载荷。
   1. 移除弹性绳，然后按下控制器上滚轮下方的轮子图标以激活滚轮功能。缓慢旋转滚轮，使横梁下降，直至松弛适配器的下臂几乎完全缩回，且横梁位置接近 -125 mm。
      注：横梁位置可在手持设备上读取。
5. 再次按下手持设备上的钥匙图标以关闭手持设备。返回计算机，在控制器应用程序中勾选独占控制选项，并使用手动控制将横梁精确调整至 -125 mm。此时顶部夹具仍处于松开状态，因此试样上无任何载荷施加。
6. 现在，使用扳手和钥匙旋转松弛适配器，将顶部夹具拧紧。在拧紧夹具时，不得扭转试样。
7. 检查松弛适配器与中间横梁之间的螺旋垫圈，确保其已紧固，且在加载路径方向上无轴向间隙。
8. 再次使用横梁控制盒，将设备速率恢复至高速模式（兔子图标），并确保防护门已牢固关闭。
9. 回到计算机，在控制器应用程序中点击右侧的重置按钮以解除互锁状态。
   注：互锁包括“互锁1”（贯穿所有框架和液压泵的互锁链）、“程序1”（由计算机软件控制，例如高速/低速模式）、“门控1”（防护门和速率开关）以及“C-停止1”（受控停止）。
10. 当无需手动移动横梁时，应取消勾选手动指令菜单中的启用手动指令选项，以防止误输入数值导致横梁意外移动。

5. 差示干涉对比显微镜（DIC）装置准备

1. 使用千兆以太网线将高速相机连接到计算机。
2. 将数字 I/O 盒连接到高速相机和 MTC 机架控制器。
3. 通过 DAQ 盒将计算机连接到 MTS 机架控制器。力和位移信号通过该盒从 MTS 控制器传输到计算机。
4. 将高速相机连接到 DAQ 盒，用于触发信号和同步信号。
5. 将相机安装在加载机架的基座上，以避免在测试过程中由于冲击引起的机架振动导致相机与试样之间发生相对运动。
6. 仔细调整相机位置，确保其图像传感器与试样表面平行。使用远心镜头（例如 Opto-engineering 23-64，视场为 64 × 48 mm，工作距离为 182 mm），以减少因离面运动引起透视畸变的可能性。
7. 在相机设置过程中，应考虑试样的最终变形情况，并确保在整个测试过程中，相机的视场始终覆盖整个试样。
8. 在计算机中设置软件连接时，从 Windows 控制面板中选择 网络和共享中心，然后点击“本地连接”。
9. 在 本地连接 属性中选择 Internet 协议版本 4 (TCP/IPv6)，并设置 IP 地址。
10. 打开高速成像查看软件，点击“检测”然后保存设置。
11. 点击 相机选项 按钮，选择 I/O 选项卡以设置外部信号。
12. 为设置帧率和帧分辨率，点击 variable 按钮。将相机频率和数据采集（DAQ）盒的采样率设置为与加载机架中的高速数据采集系统相同的数值，以便简化后续数据分析步骤。
13. 打开 高速成像查看软件中的高速 DAQ 功能，并选择所需的通道及每帧的采样点数。
14. 完成相机设置后，采集若干静态图像，并利用图像相关算法计算应变场。
    注意：由此噪声基底测得的最大应变和位移可用于定性评估图像质量。

6. 运行检测

1. 在测试设计软件中，从顶部菜单选择 文件> 新建> 测试> 从模板创建测试。然后在 自定义模板 下打开 拉伸测试。
2. 选择 新建测试运行，并输入有效的文件名（通常为试样名称，不含空格）。根据需要修改字段，然后点击 确定。
   1. 如果包含应变片，请记得将 通道数 设置为 4。
   2. 起始位置通常为 -125 mm。这一点非常重要，因为如果该值不正确，测试开始前横梁将移动至该位置，可能导致试样损坏。
   3. 高速采集速率 和 缓冲区大小 的默认值分别为 50,000 和 20,000。根据测试持续时间及所需的时间分辨率（数据点之间的时间间隔），必要时可修改这些数值。
      注意：默认参数将保存持续 0.4 s 的数据。
   4. 对于 斜坡速率，选择期望的横梁名义速度（例如 8,000 mm/s），然后点击 确定。
3. 屏幕上将依次弹出一系列提示，提醒检查关键硬件状态，随后点击 运行 图标以启动测试。
4. 在控制台面板上，将 模式选择 切换至 高速模式。此操作将激活用于高速加载的大阀门。默认选中 阀门 1（指示灯亮起）。
5. 在计算机屏幕上将显示一系列操作步骤，请按步骤执行。
6. 在控制台面板上，按下并保持 准备/充能蓄能器 开关。此时系统已准备就绪。
7. 按下 触发 以完成测试。
8. 将 模式选择 切换回 标准模式，然后按下控制台上的 返回起始位置（绿色按钮），使横梁从端盖位置（125 mm）返回原位。
9. 前往横梁控制器，将速度模式切换回低速（乌龟图标）。
10. 打开防护罩并取出试样。在计算机中查找保存的数据文件，路径分别为：
    C:\Datafiles\High Rate Data（高速数据）和 C:\Datafiles\Low Rate Data（低速数据）。

7. 关闭程序

1. 在控制器应用程序软件中，先将 HSM 1 调至低速（黄色），再调至关闭（红色）。这将关闭管路系统并停用泵。
2. 在测试设计软件中，如有需要，可通过顶部菜单选择文件> 另存为，然后选择测试项目进行保存。关闭测试设计软件。
3. 关闭控制器应用程序。如有需要，在关闭软件前保存参数。关闭计算机。
4. 关闭液压阀（大手柄），并再次通过 UPS 上的电源按钮关闭控制台的电源。

8. 数据分析

1. 将载荷架计算机中的原始数据导出至所选的后处理软件中。
2. 根据安装在试样标距段上的应变片读数计算实际载荷，并将其与高速数据采集系统（DAQ）的原始载荷数据进行比较。如果高速DAQ数据中的振荡现象严重，则在后续步骤中使用应变片计算得到的载荷值⁴。
3. 基于计算得到的载荷 P 以及标距段处试样的横截面积 A_{x - section}，计算标距段中的应力 σ_gauge：
   
4. 通过以下任一方法获取标距段的应变：
   1. 标距段的平均应变：
      1. 根据已知的载荷、夹持段长度、试样的弹性模量和横截面积，计算夹持段的伸长量。
         注：如果弹性模量是应变率的函数，则需要采用迭代法（具体细节参见参考文献⁷）。
      2. 从整个试样的伸长量（即载荷架横梁位移）中减去夹持段的伸长量，以获得标距段的伸长量。
      3. 根据标距段的伸长量和初始长度，计算标距段的平均应变。
   2. 数字图像相关法（DIC）获得的局部应变：
      1. 确定试样在标距段发生断裂（即分裂为两部分）的位置，并将应变场限制在断裂区域附近的局部范围内。
      2. 使用所选的DIC后处理软件测量并记录该局部区域的应变。
5. 绘制由前述步骤获得的应力-应变曲线。

结果

动态试验的持续时间通常与应力波在加载系统（即夹具、试样和加载装置）长度内完成一次往返传播所需的时间相当¹。当动态试验中应力波的数量和幅值受到控制，从而实现动态平衡，并使试样经历近乎恒定应变率下的均匀变形时，该试验才被视为有效。美国汽车工程师学会（SAE）起草的 SAE J2749 标准⁸要求，在试样屈服点之前，至少要有10个弹性反射波通过试样的标距段。具有较高固有频率的系统通常会产生幅值较低的振铃振荡（即信号的振荡，通常是对阶跃输入的响应）。这种振铃现象是中高应变率动态试验中的主要挑战。振铃的程度（即振荡信号的频率和幅值）决定了从加载框架获得的原始载荷数据是否可被接受。图1展示了两次不同试验的载荷信号示例。在这两次试验中，均将加载框架测得的载荷与基于安装在试样夹持段上的应变片输出计算得到的载荷进行了比较。尽管这两项试验均正确执行，但直接从加载框架力传感器获取的载荷数据无法用于图...

讨论

实验获得的原始数据受试样几何形状以及应变片在试样上安装位置的影响。在高应变率下（Bruce et al.³ 建议为 > 10/s，而 Wang et al.⁹ 报道该限值为 100/s），通过加载框架中集成的压电式测力垫圈获取的低应变率动态试验载荷数据，通常会因加载过程中产生的动态波而出现大幅振荡。如图1a所示，试样材料、几何形状与应变率的组合可能导致测力垫圈信号因噪声水平过高而无法使用。因此，必须考虑其他载荷读取方法，其中在试样夹持段上安装应变片是最常见的方法³。为了根据测得的应变数据计算载荷，关键是要确保在试验过程中，用于载荷计算的应变片所安装的夹持段始终处于弹性变形范围内。此外，如实验方案部分所述，为避免边界效应（即圣维南原理的影响），应变片必须安装在远离夹持区域（该区域局部受载荷影响）或标距段（该区域几何形状变化会干扰应力的均匀分布）的位置；否则，需通...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
相机镜头	Opto Engineering		远心镜头 23-64
高速相机	SAX Photron Fastcam
高速数据采集系统	国家仪器公司	USB-6259
高速伺服液压加载框架	MTS系统公司	定制
带漫射器的Jab Bullet灯	AADyn JAB BULLET		15° 漫射器
应变片	Micro-Measurements	型号 EA-13-062AQ-350