一種材料力學特性細觀尺度實驗方法技術

本發(fā)明專利技術提供一種材料力學特性細觀尺度實驗方法，該方法采用了一種材料力學特性細觀尺度實驗裝置，包括以下步驟：S1、將裝置中支撐桿上的屏罩滑動至與試樣和壓力傳感器接觸；S2、通過裝置中線性可變差動變壓器對屏罩進行控制，讓屏罩對銅罩內的試樣施加設定的應力載荷；S3、通過參數(shù)優(yōu)化對環(huán)境掃描電鏡記錄的數(shù)字圖像進行降噪處理；S4、基于數(shù)字圖像技術的應變場測量：對試樣在加載變形前后分別采集獲得數(shù)字圖像，對變形前的圖像進行網(wǎng)格劃分，得到一組相關分析子集，基于灰度值分布，在變形后的圖像中對相關分析子集進行對應定位獲得坐標，計算得到應變場。本發(fā)明專利技術通過應變場測量定量分析材料在耦合場作用下的變形、損傷及破壞過程中微結構變化。

A meso scale experimental method for mechanical properties of materials

The present invention provides a material mechanical properties of meso scale experiment method, the method uses a material mechanical properties of meso scale experimental device, which comprises the following steps: S1, the device on the support bar screen and slide to the sample and the contact pressure sensor; S2, through the device to control the screen cover linear variable differential transformer, let the screen applied the stress load on the copper cover; S3, by optimizing the parameters for noise reduction in digital image recording environmental scanning electron microscope; S4, strain field measurement based on digital image technology: on specimen before and after deformation were collected to obtain the digital image, grid the image before deformation, a group of related analysis subset, gray value distribution based on the image deformation after the correlation analysis of the subset corresponding to the positioning coordinate, plan Calculated strain field. In the present invention, the deformation, damage and failure process of the material under the coupling field are analyzed quantitatively by strain field measurement.

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術涉及材料科學
，具體涉及一種材料力學特性細觀尺度實驗方法。
技術介紹
在材料科學中，表征材料的力學特性十分關鍵。現(xiàn)有最常見的材料力學特性(如典型的單軸、多軸加載試驗)表征一般集中在宏觀尺度，僅得到材料的宏觀力學特性如楊氏模量、泊松比、抗壓、抗拉、抗剪強度等。然而，本專利技術的專利技術人經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，這些表征均屬于現(xiàn)象學表述，隱藏在背后的物理機理并沒有很好地被揭示，這也導致目前仍然有很多宏觀現(xiàn)象并沒有被很好地解釋；另外，宏觀尺度研究很少涉及對損傷的研究，微裂縫無法用肉眼直接觀測。因而前述兩個宏觀尺度研究的缺陷，需要到細觀尺度尋找解決方案。材料的微結構決定了其宏觀力學特性，然而在傳統(tǒng)的宏觀尺度研究中并未考慮這一決定性因素，這也是為什么很多現(xiàn)象無法得到很好解釋的重要原因。近些年來，細觀力學理論的蓬勃發(fā)展和成熟為解決上述問題提供了可能。細觀力學基于對微結構及細觀尺度下物理特性的精確描述，利用均勻化數(shù)學方法，獲取材料宏觀的物理性質。細觀力學建模中需要考慮相關力學特征的物理機理，因此需要細觀力學試驗的支持；另外，模型建立后的模型參數(shù)的反演和驗證也需要細觀力學試驗數(shù)據(jù)的支撐。然而，現(xiàn)有研究材料力學特性細觀機理的實驗研究十分匱乏。細觀力學試驗數(shù)據(jù)的匱乏主要是由兩方面引起的。第一方面，材料的力學特性受溫度(大部分材料屬于溫度敏感型材料)、含水量(如生物、土木工程材料等)的影響巨大，因此材料的力學表征試驗一般需要施加耦合場；然而，常規(guī)的耦合場試驗裝置一般只對應宏觀尺度，不能觀測材料在加載過程中微結構的變化。第二方面，現(xiàn)有的觀測材料微結構的手段如光學顯微鏡、掃描電鏡、CT等一般對觀測條件要求苛刻，很難實現(xiàn)耦合場的加載；同時，這些微細觀觀測手段一般僅僅用于定性的材料微結構的觀察，并不能提供材料微結構及在加載過程中微結構變化的定量信息。綜上分析，在材料力學表征中考慮微結構的決定性作用是十分關鍵和必要的，然而現(xiàn)階段對于在溫度-濕度-應力耦合場作用下材料力學特性的細觀尺度實驗方法十分欠缺，造成相應的數(shù)據(jù)成果十分匱乏。
技術實現(xiàn)思路
針對現(xiàn)有技術存在的對于在溫度-濕度-應力耦合場作用下材料力學特性的細觀尺度實驗方法十分欠缺，造成相應數(shù)據(jù)成果十分匱乏的技術問題，本專利技術提供一種材料力學特性細觀尺度實驗方法，該方法為基于溫度-濕度-應力耦合場作用下材料力學特性的細觀尺度實驗方法，并通過應變場測量定量分析材料在耦合場作用下的變形、損傷及破壞過程中微結構的變化和微裂紋的發(fā)生與擴展過程。為了解決上述技術問題，本專利技術采用了如下的技術方案：一種材料力學特性細觀尺度實驗方法，該實驗方法采用了一種材料力學特性細觀尺度試驗裝置，所述材料力學特性細觀尺度試驗裝置包括環(huán)境掃描電鏡、單軸壓縮力學加載儀、冷卻臺、試樣和單軸壓縮力學加載儀控制終端；其中，所述環(huán)境掃描電鏡的內部設有空腔，所述單軸壓縮力學加載儀設于空腔內并與腔體大小相匹配；所述單軸壓縮力學加載儀包括線性可變差動變壓器、螺旋桿、底座以及設置于底座兩端的第一側壁和第二側壁，所述第一側壁和第二側壁相對配置并與底座一體成型，所述第一側壁和第二側壁的相對內壁上設有支撐桿，所述支撐桿上滑動套設有屏罩，所述螺旋桿的一端與線性可變差動變壓器連接，另一端與所述屏罩的右端連接，所述屏罩的左端固定連接有第一圓柱體墊塊，所述第一側壁的內壁設有壓力傳感器，所述壓力傳感器的右端固定連接有第二圓柱體墊塊；所述冷卻臺固定設置于單軸壓縮力學加載儀的底座上，所述試樣由左右中空的銅罩包裹并固定于冷卻臺的表面上，所述試樣的右端可與第一圓柱體墊塊接觸，所述試樣的左端與第二圓柱體墊塊接觸，所述銅罩朝向環(huán)境掃描電鏡的頂部開設有通孔，所述通孔用于設置在環(huán)境掃描電鏡頂部的物鏡進行觀測；所述環(huán)境掃描電鏡包括水蒸汽產(chǎn)生控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)插座，所述水蒸汽產(chǎn)生控制系統(tǒng)用于產(chǎn)生水蒸汽并控制環(huán)境掃描電鏡腔內的水蒸汽壓，所述數(shù)據(jù)插座用于連接環(huán)境掃描電鏡腔內的單軸壓縮力學加載儀和腔外的單軸壓縮力學加載儀控制終端；該方法包括如下步驟：S1、將所述支撐桿上的屏罩進行滑動，滑動至使所述屏罩左端的第一圓柱體墊塊與所述試樣的右端接觸，且所述試樣的左端通過第二圓柱體墊塊與壓力傳感器接觸；S2、通過所述線性可變差動變壓器控制螺旋桿伸長推動屏罩向左運動，讓所述屏罩對銅罩內的試樣施加設定的應力載荷，并通過所述壓力傳感器對施加的應力大小進行檢測；S3、通過參數(shù)優(yōu)化對環(huán)境掃描電鏡記錄的數(shù)字圖像進行降噪處理：對試樣連續(xù)取得兩張環(huán)境掃描電鏡圖像，對兩張圖像進行減法運算，得到圖像噪聲值，對圖像中所有像素的噪聲值進行統(tǒng)計分析，得到噪聲值方差，作為描述圖像噪聲的特征參數(shù)，以該噪聲特征參數(shù)為目標函數(shù)，對環(huán)境掃描電鏡圖像包括光點大小、物距、掃描時間在內的照相參數(shù)進行優(yōu)化，最后得到低噪聲的數(shù)字圖像；S4、基于數(shù)字圖像相關技術的應變場測量：對所述試樣在加載變形前、后分別采集獲得數(shù)字圖像，對變形前的圖像進行網(wǎng)格劃分，得到一組相關分析子集；基于灰度值分布，在變形后的圖像中對相關分析子集進行對應、定位，獲得坐標，計算得到相關分析子集的位移場，進而計算得到其應變場。進一步，所述第一圓柱體墊塊與試樣滑動接觸的壓頭部分采用絕熱材料制成。進一步，所述環(huán)境掃描電鏡采用型號為FEIQuanta600的環(huán)境掃描電鏡，所述單軸壓縮力學加載儀控制終端采用一臺計算機作為單軸壓縮力學加載儀控制終端。與現(xiàn)有技術相比，本專利技術提供的材料力學特性細觀尺度實驗方法，是一種基于溫度-濕度-應力耦合場作用下材料力學特性的細觀尺度實驗方法，通過冷卻臺控制試樣的溫度，通過環(huán)境掃描電鏡控制試樣周圍的水蒸汽壓，從而實現(xiàn)試樣溫度和相對濕度(為溫度及水蒸汽壓的函數(shù))的控制，其控制相對濕度的精度小于1％，相對于傳統(tǒng)的通過恒溫恒濕箱或飽和鹽溶液控制相對濕度的方法，本專利技術中相對濕度的控制精度大大提高，可以實現(xiàn)相對濕度接近100％(大于99％)的控制，從而研究材料在飽和水狀態(tài)下的力學特性；本專利技術實現(xiàn)了在環(huán)境掃描電鏡腔體內溫度-濕度-應力耦合加載實驗以及微、細觀(從納米尺度到毫米尺度)實時觀測，直接觀察材料微結構的變化；本專利技術可對不同加載階段的環(huán)境掃描電鏡圖片進行數(shù)字圖像相關技術分析，計算得到應變場，并通過應變場測量定量分析材料在耦合場作用下的變形、損傷及破壞過程中微結構的變化和微裂紋的發(fā)生與擴展過程，相對于現(xiàn)階段一般的微結構定性的觀測，實現(xiàn)了定量的研究。附圖說明圖1是本專利技術提供的材料力學特性細觀尺度試驗裝置結構示意圖。圖中，1、環(huán)境掃描電鏡；11、物鏡；2、單軸壓縮力學加載儀；21、螺旋桿；22、底座；23、第一側壁；24、第二側壁；25、支撐桿；26、屏罩；27、第一圓柱體墊塊；28、壓力傳感器；29、第二圓柱體墊塊；3、冷卻臺；4、試樣；5、單軸壓縮力學加載儀控制終端；6、銅罩；61、通孔。具體實施方式為了使本專利技術實現(xiàn)的技術手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體圖示，進一步闡述本專利技術。在本專利技術的描述中，需要理解的是，術語“縱向”、“徑向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種材料力學特性細觀尺度實驗方法，其特征在于，該實驗方法采用了一種材料力學特性細觀尺度試驗裝置，所述材料力學特性細觀尺度試驗裝置包括環(huán)境掃描電鏡(1)、單軸壓縮力學加載儀(2)、冷卻臺(3)、試樣(4)和單軸壓縮力學加載儀控制終端(5)；其中，所述環(huán)境掃描電鏡(1)的內部設有空腔，所述單軸壓縮力學加載儀(2)設于空腔內并與腔體大小相匹配；所述單軸壓縮力學加載儀(2)包括線性可變差動變壓器、螺旋桿(21)、底座(22)以及設置于底座(22)兩端的第一側壁(23)和第二側壁(24)，所述第一側壁(23)和第二側壁(24)相對配置并與底座(22)一體成型，所述第一側壁(23)和第二側壁(24)的相對內壁上設有支撐桿(25)，所述支撐桿(25)上滑動套設有屏罩(26)，所述螺旋桿(21)的一端與線性可變差動變壓器連接，另一端與所述屏罩(26)的右端連接，所述屏罩(26)的左端固定連接有第一圓柱體墊塊(27)，所述第一側壁(23)的內壁設有壓力傳感器(28)，所述壓力傳感器(28)的右端固定連接有第二圓柱體墊塊(29)；所述冷卻臺(3)固定設置于單軸壓縮力學加載儀(2)的底座(22)上，所述試樣(4)由左右中空的銅罩(6)包裹并固定于冷卻臺(3)的表面上，所述試樣(4)的右端可與第一圓柱體墊塊(27)接觸，所述試樣(4)的左端與第二圓柱體墊塊(29)接觸，所述銅罩(6)朝向環(huán)境掃描電鏡(1)的頂部開設有通孔(61)，所述通孔(61)用于設置在環(huán)境掃描電鏡(1)頂部的物鏡(11)進行觀測；所述環(huán)境掃描電鏡(1)包括水蒸汽產(chǎn)生控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)插座，所述水蒸汽產(chǎn)生控制系統(tǒng)用于產(chǎn)生水蒸汽并控制環(huán)境掃描電鏡腔內的水蒸汽壓，所述數(shù)據(jù)插座用于連接環(huán)境掃描電鏡腔內的單軸壓縮力學加載儀(2)和腔外的單軸壓縮力學加載儀控制終端(5)；該方法包括如下步驟：S1、將所述支撐桿(25)上的屏罩(26)進行滑動，滑動至使所述屏罩(26)左端的第一圓柱體墊塊(27)與所述試樣(4)的右端接觸，且所述試樣(4)的左端通過第二圓柱體墊塊(29)與壓力傳感器(27)接觸；S2、通過所述線性可變差動變壓器控制螺旋桿(21)伸長推動屏罩(26)向左運動，讓所述屏罩(26)對銅罩(6)內的試樣(4)施加設定的應力載荷，并通過所述壓力傳感器(28)對施加的應力大小進行檢測；S3、通過參數(shù)優(yōu)化對環(huán)境掃描電鏡(1)記錄的數(shù)字圖像進行降噪處理：對試樣連續(xù)取得兩張環(huán)境掃描電鏡圖像，對兩張圖像進行減法運算，得到圖像噪聲值，對圖像中所有像素的噪聲值進行統(tǒng)計分析，得到噪聲值方差，作為描述圖像噪聲的特征參數(shù)，以該噪聲特征參數(shù)為目標函數(shù)，對環(huán)境掃描電鏡圖像包括光點大小、物距、掃描時間在內的照相參數(shù)進行優(yōu)化，最后得到低噪聲的數(shù)字圖像；S4、基于數(shù)字圖像技術的應變場測量：對所述試樣(4)在加載變形前、后分別采集獲得數(shù)字圖像，對變形前的圖像進行網(wǎng)格劃分，得到一組相關分析子集；基于灰度值分布，在變形后的圖像中對相關分析子集進行對應、定位，獲得坐標，計算得到相關分析子集的位移場，進而計算得到其應變場。...

【技術特征摘要】
1.一種材料力學特性細觀尺度實驗方法，其特征在于，該實驗方法采用了一種材料力學特性細觀尺度試驗裝置，所述材料力學特性細觀尺度試驗裝置包括環(huán)境掃描電鏡(1)、單軸壓縮力學加載儀(2)、冷卻臺(3)、試樣(4)和單軸壓縮力學加載儀控制終端(5)；其中，所述環(huán)境掃描電鏡(1)的內部設有空腔，所述單軸壓縮力學加載儀(2)設于空腔內并與腔體大小相匹配；所述單軸壓縮力學加載儀(2)包括線性可變差動變壓器、螺旋桿(21)、底座(22)以及設置于底座(22)兩端的第一側壁(23)和第二側壁(24)，所述第一側壁(23)和第二側壁(24)相對配置并與底座(22)一體成型，所述第一側壁(23)和第二側壁(24)的相對內壁上設有支撐桿(25)，所述支撐桿(25)上滑動套設有屏罩(26)，所述螺旋桿(21)的一端與線性可變差動變壓器連接，另一端與所述屏罩(26)的右端連接，所述屏罩(26)的左端固定連接有第一圓柱體墊塊(27)，所述第一側壁(23)的內壁設有壓力傳感器(28)，所述壓力傳感器(28)的右端固定連接有第二圓柱體墊塊(29)；所述冷卻臺(3)固定設置于單軸壓縮力學加載儀(2)的底座(22)上，所述試樣(4)由左右中空的銅罩(6)包裹并固定于冷卻臺(3)的表面上，所述試樣(4)的右端可與第一圓柱體墊塊(27)接觸，所述試樣(4)的左端與第二圓柱體墊塊(29)接觸，所述銅罩(6)朝向環(huán)境掃描電鏡(1)的頂部開設有通孔(61)，所述通孔(61)用于設置在環(huán)境掃描電鏡(1)頂部的物鏡(11)進行觀測；所述環(huán)境掃描電鏡(1)包括水蒸汽產(chǎn)生控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)插座，所述水蒸汽產(chǎn)生控制系統(tǒng)用于產(chǎn)生水蒸汽并控制環(huán)境掃描電鏡腔內的水蒸汽壓，所述數(shù)據(jù)插座用于連接環(huán)境掃描電鏡腔內...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：王琳琳，張廣清，李世遠，陳結，
申請(專利權)人：中國石油大學北京，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11