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载荷和环境对结构完整性的影响
一种变形试样高温非接触测量的实验方法
摘要
本文的目的是测量高温变形时样品参数的非接触实验方法。 该方法包括摄像机，灯光进入炉子，电子系统发送脉冲拍摄每张0.1毫米拉伸的照片和一个用于后期处理的计算机程序。实验期间拍摄测量样本几何远程的照片。在拉伸试验中，使用开发的非接触式测量系统可以让我们看到样品形状的变化并估算当时每个横截面的真实应力。 在后期处理阶段，我们可以通过一个自动理论标准确定本地化时间。
1.介绍
在任何时候，现场测试都是验证已开发理论和新结果来源的最佳方法。在高温测试期间，当测量变形样品的参数时会出现困难。 因为这个原因在这些测试中只能测量一个或两个参数。在高温下测量变形的现有仪器可以分为两组：测量物体离散点处的变形以及测量整个物体变形的变形检查（或连续测量受试者选定区域的变形）。有耐高温应变计，型号НМТ-450 [1]。但是，它们的工作温度限制在450°C，其尺寸为~1 cm，与通常不超过5-10厘米的样本相比，不能用它们进行变形定位的可靠研究。具有接触测量系统的缺点和缺点的环境，使用非接触方法是必需的。 TRViewX [2]视频中的引伸计设计用于纵向的非接触式测量在高温下试样的横向变形。但是，这个视频引伸计无法实现测量试样上任意选择点的位移，并且不能完全控制形状受变形的试样变化。使用特定方法来包括数码相机和标记距离为10,20,30,40毫米的样本作为测量的检查点在[3]中描述。在论文[3]中没有说明该方法是否可以用于高温变形测量。已知方法[4]，其中在预曝光后将照片层施加到样品的表面上通过坐标网格图案。但是这种方法在高温下的使用受到很大限制，而事实并非如此，也可以在变形过程中测量试样形状的变化。在论文[5,6]中，描述了一种方法，包括在受试者的表面上形成光线（使用发光系统）位于物体的指定部分进行光线图像采集，通过计算机辅助图像处理对横截面轮廓进行位置测量。这些方法要求旋转系统，它们不能确定表面变形并需要额外的视觉访问激光。阴影方法[7]可用于非接触式测量对象形式变化，其中边界确定阴影区域。但是这种方法不适用于表面变形的测量，也不能用于较大的科目。使用结构光的方法的一个显着特征在于投射在其上的特殊发射具有正弦强度分布的指定结构的物体表面[8]，指定结构的光流[9]或通过强度进行空间调制[10]。但是在较高温度下使用这些方法会导致出现由于自然环境导致的重大困难包括IR或加热器和照明装置的可见光发射。在论文[11]中，基于数字图像相关方法使用已知的工业系统Vic-3D（DIC）[12,13]。必须使用特殊涂料在样品上施加随机图案，但这是不可能在更高温度下实现的。该论文的作者在温度升高时测试了这种测量系统（没有涂漆）的温度，但系统无法获得所需的任何结果。本文的目的是开发一种测量几何和参数的受热变形和高温变形的非接触方法。
2.方法说明
这些是作为该方法基础应用的几何参数的非接触测量。标本使用了在实验期间拍摄的照片重建几何体。图1a显示了基本组件系统。为了拍摄样品，我们在炉子的绝缘层上钻一个孔并用一个盖子覆盖一块光学硅玻璃。在未暴露于高温的外表面上，安装了摄像机。该相机将拍摄的照片传输到PC，在专门开发的软件环境中进行处理。对于进一步分析表面形变，将参考线机械施加到样品研磨表面上-您可以在图1b中的未变形样品上看到它们的图像。保持最佳数量在一个测试中，创建一个控制器来操作和控制“每分钟帧数”参数。由于采用了高温加热元件，炉内照明不足以拍摄出高质量的照片。主要问题是不可能建立一个可以照亮的第二个窗口。因此，开发并测试了三种照明选项。
图1.（a）结构的方案; 标本（b）。
Fumace：炉子 Specimen：标本 Lamp：灯 Fiber：光纤 Glasses：玻璃片 Box：盒子 Wedge：楔 Camera： 照相机 PC：个人电脑 Controller：控制器
选项1（选项A，没有B，C）有一个半透明的光学楔，角度为45°，有一个安装直接光源（灯泡），楔形灯上的灯光以90°的折射率折射到楔形物上样品。这使得能够直接拍摄被照射的样本。但这种照明导致了光标本中间的光斑。第二个照明系统，或选项2（选项B，没有A，C）使用由其制成的光学光导蓝宝石。光导管通过一个小孔插入炉内。但是通过指南的光量是不够得;此外，由于难以均匀地照射样品，因此这些问题无法实现，所以不可以使用该系统。第三个系统（选件С，没有A，B）炉内有两盏灯。最初，只有一盏灯，但为了提高长期实验期间的可靠性，安装了另一个来增加灯泡使用寿命。当暴露在高于400°C的温度时，控制器以之前的方式更新向相机发送信号，接着打开了灯泡。
2.1 程序
为了处理拍摄的照片，人们编写了一个软件包，包括“识别器”，“解算器”和“后处理器”。图2a显示了该软件的一般结构。
图2.程序结构（a）; 虚拟样本（b）。
Photo：图片 Solvering：求解 Auto：自动Manual：手动Postprocessing：后处理Video：视频
“识别器”的目的是将框架中的样本图形呈现转换为内部程序对象。如果自动识别某些对象，转换会自动或半自动进行，标本的元素导致了很大的误差。识别过程以下列方式进行：“识别器”从框架中提取样本以进行固定它的左右边界，以及上边缘和下边缘;然后它识别出的参考线表面。使用第一帧来包含具有已知尺寸的样本的原始几何形状，校准了图片的比例。识别时获得的图像存储在内部程序对象中并传输到“求解”部分。“解算器”软件自动将对象转换为度量几何。 “解决者”运行导致虚拟样本与自然样本最大相同。图2b显示了虚拟圆柱形样品在它变形的某个点上。然后使用“后处理器”，在公制数据（虚拟样本）的基础上构建图形，并且生成数据用于进一步分析。还可以在时间t和x上表示各种参数试样的依赖性轴向坐标。一些参数可以以图形图像中的字段的形式表示标本（见图3）。对于每种类型的标本，可以获得两种标准数据（改变为长度/高度l（t）/h（t）和变形（t）），以及特定的一个（真实应力分布（t，x）沿试验试样的一部分和受拉伸的圆柱面侧试样颈部的切线圆半径R（t）表面的溶胀分布B（t，x）（受压的试样）。对于每个实验，可以创建视频文件。视频文件可以包含标准变形过程或根据变形作用应力以标本着色形式的增强环境（图3）。
图3.具有增强实体的拉伸样本。
3.应用
对于受拉伸的材料，在某个时间点发生局部化变形（“颈部”出现）。由于在高温下测量的困难，通常没有解决，在变形定位后，拉伸试样的值变得不那么有用。这个时间点之前和之后的实验通常都是未知的。因此，最重要的是研究形变和进一步颈部形变的产生。该方法也用于压力下的气缸。测试模式如下。首先，将固定在棒中的样品加热至操作温度T。温度上升到指定值，相机打开，设置给定的时间间隔拍摄或试样伸长间隔。然后将载荷快速施加到试样上以达到规定的值，初始轴向应力为0，使用测试设备下部的重量P0。在恒定力P0下蠕变的条件进行进一步变形直到破裂。选择两种材料进行测试：D16T铝合金和VT-6钛合金（扁平圆柱形）。将试样进行拉伸，并在400℃至600℃的温度下压制圆柱形试样。关于所得测试结果的更多细节在[14]中给出。使用所开发的测量方法的现场测试在美国力学研究所进行，在罗蒙诺索夫莫斯科国立大学使用测试设施IMEX-5，还使用了相机NIKON D300s以及相机镜头尼克尔80-200毫米和延长环12毫米。 所有计算都在服务器上进行。 使用自己生产的CNC机器在标本上施加标记。使用所开发的方法测量样品的高温拉伸使其成为可能通过实验确定试样中颈部形成和发展的变形参数。设法表明，均匀变形仅发生在30-50％之间破裂的时候; 之后，变形表现出明显的不均匀性。 使用该方法进行测量受压制的圆柱体的变形，来证实变形条件的特征理论和实验的适当一致性。
4．结论
通过使用光学方法设计和生产设施，能够测量几何形状的变化高温变形过程中试样的参数。 该系统可以增加数量在实验期间经过几次测量的参数可以显着提高可靠性与理论计算的比较分析。
致谢
报告的研究由RFBR根据研究项目No.16-38-60200和17-08-00210资助。
参考
1.克洛伊科夫，纽约州，1990年。应变计。莫斯科，Machinostroenie，第230页。
2.非接触式数字视频引伸计。
链接：https：//www.shimadzu.com/an/test/universal/1_trviewx.html。
最后访问时间为20.05.2018。
3. Kazakov，D.，Zhegalov，D。2007.使用数字摄影技术研究应变场。问题报告procstosti i plastichnosti。卷。 69,99-105。 （俄文）。
4. Granovsky，V.，Orlenkov，I.，Podymaka，N。知识产权：专利laquo;确定样品微观形变的方法raquo;RU2011160。
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资料编号：[1967]
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