T-CWAN 0101-2024 基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的微細(xì)金屬絲材拉伸性能測(cè)試方法

ICS25.160.01CCSJ33團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)DIC-basedtestmethodfortensilepropertiesofmicrometalwires中國(guó)焊接協(xié)會(huì)發(fā)布IT/CWAN0101—2024 II 12規(guī)范性引用文件 3術(shù)語和定義 4符號(hào) 25測(cè)試系統(tǒng)和原理 26試樣制備 37試驗(yàn)程序 48試驗(yàn)結(jié)果 69試驗(yàn)報(bào)告 6附錄A（資料性）檢測(cè)報(bào)告示例 8T/CWAN0101—2024本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專利的責(zé)任。本文件由中國(guó)焊接協(xié)會(huì)提出并歸口。本文件起草單位：南昌航空大學(xué)、浙大城市學(xué)院、重慶科技大學(xué)、貴州航天天馬機(jī)電科技有限公司、哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院、中國(guó)機(jī)械總院集團(tuán)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?bào)w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(xì)金屬絲材拉伸性能測(cè)試系統(tǒng)和原理、試樣制備、試驗(yàn)程序、試驗(yàn)結(jié)果和試驗(yàn)報(bào)告等內(nèi)容。本文件適用于直徑為0.3mm-1.6mm微細(xì)金屬絲材通過數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)進(jìn)行拉伸性能測(cè)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(gòu)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(duì)應(yīng)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(yàn)第1部分室溫試驗(yàn)方法GB/T10623金屬材料力學(xué)性能試驗(yàn)術(shù)語JJG139拉力、壓力和萬能試驗(yàn)機(jī)檢定規(guī)程JJG475電子式萬能試驗(yàn)機(jī)檢定規(guī)程JJG1063電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)檢定規(guī)程3術(shù)語和定義GB/T10623中界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。標(biāo)距（L）gaugelength在測(cè)試的任一時(shí)刻，用于測(cè)量試樣伸長(zhǎng)的平行部分長(zhǎng)度。3.2原始標(biāo)距（L0）originalgaugelength室溫下施力前的試樣標(biāo)距。3.3斷后標(biāo)距（Lu）finalgaugelengthafterfracture在室溫下將斷后的兩部分試樣緊密對(duì)接在一起，保證兩部分的軸線位于同一條直線上，測(cè)量試樣斷裂后的標(biāo)距。3.4最大力（Fm）maximumforce（連續(xù)屈服的金屬材料）試驗(yàn)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(qiáng)度（Rm）tensilestrength相應(yīng)最大力Fm對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。3.6伸長(zhǎng)(ΔL）elongation試驗(yàn)期間任一時(shí)刻原始標(biāo)距的增量。3.7斷后伸長(zhǎng)率（A）percentageelongationafterfracture斷后標(biāo)距的殘余伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距（L0）之比，以%表示。3.8數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（DIC）digitalimagecorrelation數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)又稱數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)，是將試件變形前后的兩幅數(shù)字圖像通過相關(guān)計(jì)算獲取感興趣區(qū)域變形信息的技術(shù)。4符號(hào)表1給出了微細(xì)金屬絲拉伸性能測(cè)試過程中所使用的符號(hào)及相應(yīng)的說明。表1符號(hào)及說明L0LuLd0S0mm2FmNRmΔLA%m0gρ5測(cè)試系統(tǒng)和原理5.1DIC測(cè)試系統(tǒng)數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)通過非接觸式、基于視覺的全場(chǎng)測(cè)量方法對(duì)微細(xì)金屬絲拉伸性能進(jìn)行測(cè)量。DIC測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)由計(jì)算機(jī)、控制器、數(shù)碼相機(jī)、LED光源和拉伸試驗(yàn)機(jī)組成，如圖1所示。3T/CWAN0101—2024圖1數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)試系統(tǒng)組成5.2DIC測(cè)試原理散斑可以用于分析物體的形變和變形，當(dāng)物體受到外力或變形時(shí)，散斑圖案也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。因此，可以分別在金屬絲兩端標(biāo)距處貼上硬紙板，然后通過數(shù)碼相機(jī)對(duì)金屬絲拉伸過程中兩塊紙板的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)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(yàn)結(jié)束后，在兩塊紙板上選取特定區(qū)域作為當(dāng)前計(jì)算點(diǎn)的子區(qū)，可以間接計(jì)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(guān)法計(jì)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(jī)加工，如需要機(jī)加工應(yīng)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(duì)于需要測(cè)定斷后伸長(zhǎng)率的微細(xì)金屬絲試樣，原始標(biāo)距L0應(yīng)取200mm±2mm或100mm±1mm。試驗(yàn)機(jī)兩夾頭之間的距離應(yīng)至少為L(zhǎng)0+20mm。4T/CWAN0101—20246.2.2如不需測(cè)定斷后伸長(zhǎng)率，兩夾頭間的最小自由長(zhǎng)度可以為50mm。6.2.3當(dāng)樣品長(zhǎng)度不能滿足6.2.1和6.2.2要求時(shí)，由供需雙方協(xié)商確定試樣的原始標(biāo)距和試驗(yàn)機(jī)兩夾頭之間的距離。6.3取樣要求試樣選取時(shí)應(yīng)仔細(xì)觀察，確保待測(cè)金屬絲上不存在影響試驗(yàn)結(jié)果的機(jī)械損傷和彎折。如以盤卷交貨的產(chǎn)品，可進(jìn)行矯直。樣品足夠長(zhǎng)時(shí)，試樣應(yīng)在距絲材頭端300mm以上截取，當(dāng)需要取多個(gè)試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)試樣間距不得小于300mm。6.4原始橫截面積的測(cè)定原始橫截面積的測(cè)定應(yīng)準(zhǔn)確到±1%。對(duì)于圓形橫截面的產(chǎn)品，應(yīng)在兩個(gè)相互垂直方向測(cè)量試樣的直徑，取其算術(shù)平均值計(jì)算橫截面積。可以根據(jù)測(cè)量的試樣長(zhǎng)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(yàn)程序7.1試樣裝夾將試樣安裝在試驗(yàn)夾具上，裝配時(shí)要保持試樣自由下垂且平直。必要時(shí)可對(duì)待測(cè)試樣施加一定的預(yù)載荷以將其拉直，但預(yù)載荷大小不應(yīng)超過試樣最大力的5%。7.2散斑制備選取兩塊適當(dāng)尺寸的方形硬紙板。散斑制作前應(yīng)確保硬紙板表面平整干凈，噴漆操作需要遵守相關(guān)的安全操作規(guī)范和環(huán)境保護(hù)要求。在合適的環(huán)境下，保持適當(dāng)?shù)膰娖峋嚯x和角度進(jìn)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(fēng)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(fēng)干后對(duì)散斑進(jìn)行觀察，確保硬紙板仍然平整，且表面噴漆層厚度一致，斑點(diǎn)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(biāo)記的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。理想的散斑圖案是高對(duì)比度、散斑點(diǎn)分布隨機(jī)、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(jī)并調(diào)試完成后，將硬紙板通過膠水粘在待測(cè)絲材樣品上。為了方便后續(xù)計(jì)算樣品的延伸率，應(yīng)保證兩塊硬紙板中心線和兩端標(biāo)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(jī)在同一平面。由于DIC二維測(cè)試僅使用一臺(tái)相機(jī)，因此必須保證待測(cè)區(qū)僅在平面內(nèi)移動(dòng)，并且確保兩塊紙板在拉伸前后始終在相機(jī)視野范圍內(nèi)。如果測(cè)試不符合上述原則，則需要進(jìn)行調(diào)整。5T/CWAN0101—20247.5圖像校準(zhǔn)及采集頻率在測(cè)試開始和施加載荷之前，需通過標(biāo)定板校準(zhǔn)DIC相機(jī)系統(tǒng)，如圖1所示。將標(biāo)定板放置在待測(cè)絲材附近相機(jī)視野中的任意方向，并在每個(gè)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(zhǔn)圖像。標(biāo)定完成后，在靜止?fàn)顟B(tài)下拍攝幾張照片進(jìn)行計(jì)算，若計(jì)算的位移云圖均勻且接近于0（或應(yīng)變小于0.01%則說明標(biāo)定成功。若無法形成均勻應(yīng)變?cè)茍D，則需要調(diào)整數(shù)碼相機(jī)位置和角度或調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度，對(duì)相機(jī)重新進(jìn)行標(biāo)定。試驗(yàn)過程中的采集頻率參考微細(xì)金屬絲材拉伸速率情況確定，通常為1-10fps。7.6子集和步長(zhǎng)子集選取應(yīng)盡可能覆蓋硬紙板以降低試驗(yàn)誤差。微細(xì)金屬絲材在拉伸過程中位移的計(jì)算是以數(shù)據(jù)點(diǎn)為單位的，且這些數(shù)據(jù)點(diǎn)由步長(zhǎng)分開，應(yīng)在保證不影響后續(xù)特定數(shù)據(jù)點(diǎn)的前提下進(jìn)行提取。子集和步長(zhǎng)大小根據(jù)硬紙板尺寸進(jìn)行設(shè)置。7.7拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)機(jī)應(yīng)按JJG139、JJG475、JJG1063要求進(jìn)行檢定，拉伸試驗(yàn)機(jī)分級(jí)應(yīng)不低于1級(jí)。試驗(yàn)所用力值范圍應(yīng)在被檢范圍以內(nèi)。試驗(yàn)應(yīng)依據(jù)GB/T228.1規(guī)定對(duì)試樣進(jìn)行連續(xù)加載，在試樣斷裂時(shí)確定最大力Fm。7.8位移測(cè)量通過DIC軟件對(duì)拉伸前后圖像進(jìn)行處理，得到圖3示例所示的位移分布云圖。計(jì)算后的圖像應(yīng)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(jì)算出上/下紙板在拉伸試驗(yàn)開始/結(jié)束時(shí)的位移為了獲得試樣在拉伸結(jié)束后實(shí)際的伸長(zhǎng)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(shí)際絲材中標(biāo)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(diǎn)，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(duì)位移，計(jì)算的位移數(shù)據(jù)精確到小數(shù)點(diǎn)后3位。通過DIC系統(tǒng)記錄所選取直線在絲材拉伸試驗(yàn)前后相對(duì)原始位置的變化可以得出斷后標(biāo)距Lu，如圖4所示。(a)上部(b)下部圖4通過DIC計(jì)算的圖3中所選直線在拉伸前后位移變化8試驗(yàn)結(jié)果根據(jù)公式（2）計(jì)算抗拉強(qiáng)度：(2)(2)根據(jù)公式（3）和公式（4）計(jì)算斷后伸長(zhǎng)率：(3)(4)ΔL=LuL(3)(4)×100%當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一者其試驗(yàn)結(jié)果無效，應(yīng)重新試驗(yàn)。（1）試樣斷裂在標(biāo)距段以外，造成性能不合格；（2）由于操作不當(dāng)，出現(xiàn)試樣打滑或機(jī)械損傷等影響試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的情況；（3）測(cè)試過程中硬紙板發(fā)生非平面旋轉(zhuǎn)或測(cè)試結(jié)果顯示位移不均勻；9試驗(yàn)報(bào)告試驗(yàn)完成后應(yīng)在報(bào)告中體現(xiàn)以下信息：a)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)名稱；b)材料的類型；c)試樣原始標(biāo)距、試驗(yàn)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(qiáng)度，單位為MPa；g)斷后伸長(zhǎng)率，單位為%。7T/CWAN0101—2024相同試驗(yàn)參數(shù)下應(yīng)進(jìn)行3次或以上重復(fù)試驗(yàn)以保證數(shù)據(jù)結(jié)果準(zhǔn)確性，試驗(yàn)典型的