CN104266900A - 一种基于高温图像处理的裂纹尖端张开位移测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于高温图像处理的裂纹尖端张开位移测量方法，属于工程材料、结构形变及力学实验技术领域。本发明的技术特点是通过对带预制裂纹的试件进行高温力学加载实验，通过配备滤波装置的摄像机拍摄试件表面的裂纹的扩展过程，以及通过对获取的图像采用边缘检测的方法对试件缺口裂纹进行定位检测并计算裂纹尖端的张开位移，从而获得材料在高温环境下的裂纹尖端张开位移(crack-tip opening displacement,CTOD)。该方法通过图像处理技术直接计算裂纹尖端张开位移，与常规的通过应力-位移曲线计算得到材料裂纹尖端张开位移的方法相比，该方法简单直接，可通过软件辅助计算直接得到结果，减少人为判断常规的应力-位移曲线中的误差。

Description

一种基于高温图像处理的裂纹尖端张开位移测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于高温图像处理的裂纹尖端张开位移测量方法，属于工程材料、结构形变及力学实验技术领域。

背景技术

裂纹尖端张开位移(crack-tip opening displacement，CTOD)是衡量工程材料在弹塑性条件下断裂韧度一个重要指标，它表征了材料抵抗裂纹开裂或扩展的能力。裂纹尖端张开位移是指当裂纹体受力后，在原裂纹尖端沿垂直裂纹方向所产生的位移。1965年，Wells提出了弹塑性断裂力学的CTOD准则。该准则可表述为：当裂纹尖端张开位移δ达到临界值δ_c时，裂纹将要开裂，即δ＝δ_c。式中的裂纹尖端张开位移可通过实验测定。鉴于裂纹尖端张开位移方法是衡量材料断裂性能的一种非常有效而简单的方法且已被工程实际所接受和应用，我国已经制定出测量临界裂纹尖端张开位移δ_c的方法(GB/T 2358-80；GB/T 2358-94)，针对金属材料的裂纹尖端张开位移测试，但是仅限于室温及低温裂纹尖端张开位移的测试。

然而，随着工程技术的发展要求的提高，相应的材料与结构的工作温度也越来越高。高温下材料的变形机制与断裂行为与常温下有很大的不同。与此同时，材料及其结构件处在高温工作环境下的断裂参数测试一直是个难点。为了实现高温下材料断裂韧度测量的表征，一种有效的途径是测量高温条件下材料的裂纹尖端张开位移，这则进一步要求发展并制造高温引伸计来实现高温环境下的裂纹尖端张开位移的测量。目前最先进且应用较成熟的高温引伸计(美国Epsilon公司)的测试温度可以达到1200℃，部分可以满足1600℃的测试。但是使用高温引伸计的缺陷在于：一方面高温引伸计价格非常昂贵，另一方面，高温引伸计的安装使用较复杂，易受到人为操作的影响，进而导致较大的测量误差，而且无法实现高温试验条件下对试件的在线观测与记录，无法进一步揭示试验过程中试件的变形与演化的实时具体过程。

在线观测实验方法方面，一般通过高精度工业摄像机CCD进行，对于裂纹扩展等则高速动态过程会采用高速摄像机。德国Hambury-Harburg技术大学利用摄像装置对CMC的高温稳定性进行研究，实时观测裂纹扩展，采集和处理数据。加州理工学院利用高速CCD像机以万幅/秒的速度采集图像，研究材料裂纹的动态扩展过程等。前述两类技术仅限于常温条件下的应用。中国专利文献201310739173.0(审查状态)利用高速摄像机及工业摄像机配合滤波技术对试件在高温条件下的表面氧化、烧蚀过程进行定量研究。但上述方法均无法对高温环境下的裂纹尖端张开位移进行精确地测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于高温图像处理的裂纹尖端张开位移测量方法，该方法通过对带预制裂纹的材料试件进行高温恒温力学加载实验，通过配备滤波片的摄像机拍摄试件表面的裂纹的扩展过程，进一步对获得的高温图像进行处理，从而获得材料在高温环境下的裂纹尖端张开位移(crack-tip opening displacement,CTOD)。

本发明的技术方案如下：一种基于高温图像处理的裂纹尖端张开位移测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)将带有预制裂纹的试件放入高温恒温环境下进行力学加载，该试件在高温环境中裂纹尖端发生局部氧化，裂纹尖端图像局部灰度值阶跃变化，使用摄像机连续拍摄加载过程中试件裂纹尖端的变化过程，获得同一温度下试件缺口裂纹在不同时刻的扩展图像，并在摄像机镜头上安装至少一个高温滤波片；

2)采用二阶导数来检测、计算裂纹尖端边缘，如下式计算：

定义二维图像灰度函数f(x,y)的拉普拉斯值为：

${\▿}^{2}f(x,y)=\frac{{\∂}^{2}f(x,y)}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^{2}f(x,y)}{{\∂y}^2}---\left(1\right)$

其中获取图像的面内坐标为(x,y)，x,y对应图像像素点的横坐标和纵坐标，上式中在点(x,y)处的的差分表示分别为：

$\frac{{\∂}^{2}f(x,y)}{{\∂x}^2}=f(x+1,y)-2f(x,y)+f(x-1,y)---\left(2\right)$

$\frac{{\∂}^{2}f(x,y)}{{\∂x}^2}=f(x,y+1)-2f(x,y)+f(x,y-1)---\left(3\right)$

将公式(2)和(3)代入公式(1)，得到下式(4)：

${\▿}^{2}f(x,y)=\frac{{\∂}^{2}f(x,y)}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^{2}f(x,y)}{{\∂y}^2}=f(x+1,y)+f(x-1,y)+f(x,y+1)+f(x,y-1)-4f(x,y)$

根据公式(4)得到对应的二维图像灰度函数f(x,y)的拉普拉斯值的局部最大值；

3)根据裂纹尖端边缘具***置的扩展变化，计算材料裂纹尖端张开位移：

定义函数g(x_max,y_max)表示检测到裂纹尖端边缘对应不同时刻的位置，x_max,y_max是对应图像不同时刻通过边缘检测的方法获得二维图像灰度函数f(x,y)的拉普拉斯值的局部最大值的横坐标和纵坐标；时刻t₀对应的裂纹尖端位置为g₀(x_max,y_max)，时刻t₁对应的裂纹尖端位置为g₁(x_max,y_max)；记实验进行时间Δt＝t₁-t₀，得到裂纹尖端张开位移δ＝g₁(x_max,y_max)-g₀(x_max,y_max)。

上述技术方案中，步骤1)中高温力加载采用带有高温加热炉的三点弯曲实验方法进行加载；所述高温恒温环境下是指600℃-1600℃温度环境下。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：本发明实现在高温(600℃-1600℃)环境下对受载荷作用而变形的材料试件进行在线观测与图像记录，通过高温图像处理的方法对试件缺口裂纹的扩展与演化进行计算，操作简单便捷，可直接得到计算结果，同时可以减少人为判断常规的应力-位移曲线中的误差。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于高温图像处理的裂纹尖端张开位移测量方法的试验操作流程图。

图2为通过本方法对高温合金Nb521材料在1200℃高温实验条件下进行的裂纹尖端张开位移进行的计算结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的具体实施方式。

图1为本发明提供的一种基于高温图像处理的裂纹尖端张开位移测量方法的试验操作流程图,其具体操作步骤如下：

a.带预制裂纹试件制备：

试件尺寸以及裂纹尺寸应根据国家标准GB/T 2358-94设计制备，使试件制备满足国家标准规定；

b.进行高温加载实验：将带有预制裂纹的试件放入高温恒温环境下进行力学加载，该试件在高温环境中裂纹尖端发生局部氧化，裂纹尖端图像局部灰度值阶跃变化，使用摄像机连续拍摄加载过程中试件裂纹尖端的变化过程，获得同一温度下试件缺口裂纹在不同时刻的扩展图像，并在摄像机镜头上安装至少一个高温滤波片。高温加载实验可在带有高温加热炉的三点弯曲试验机上进行，试验过程中试验机记录载荷、时间以及试件挠度变化；加热炉炉壁上开有观察孔，观察孔内放置高温石英玻璃，防止观察孔内气流扰动，提高后续图像捕捉质量；所述高温恒温环境是指在600℃-1600℃温度环境下进行加载实验。

c.通过安装滤波***的摄像机拍摄获得试件缺口裂纹扩展图片：拍摄过程为连续拍摄，对获得的图像进行边缘检测计算时的时间间隔可以选择10s到20s之间，避免因为时间过短导致的裂纹扩展不明显，同时避免因为时间过长导致的裂纹扩展信息被遗漏；通过在摄像机镜头上安装由一系列滤波片组成的滤波***，过滤高温观察孔的高温强光辐射，降低光噪声，提高摄像机拍摄裂纹扩展的动态过程的清晰度；

d.采用图像边缘检测技术检测裂纹尖端边缘：

高温实验中所获取的试件在高温环境中裂纹尖端扩展的图像在裂纹尖端发生局部氧化，裂纹尖端局部图像强度的变化属于阶跃变化函数，即图像强度在不连续处的两边的像素灰度值有显著的差异。通过图像边缘检测理论，采用二阶导数来检测、计算裂纹尖端的几何形貌。计算原理为：

定义二维图像灰度函数f(x,y)的拉普拉斯值为：

${\▿}^{2}f(x,y)=\frac{{\∂}^{2}f(x,y)}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^{2}f(x,y)}{{\∂y}^2}---\left(1\right)$

其中获取图像的面内坐标为(x,y)，x,y对应图像像素点的横坐标和纵坐标,上式中在点(x,y)处的的差分表示分别为：

$\frac{{\∂}^{2}f(x,y)}{{\∂x}^2}=f(x+1,y)-2f(x,y)+f(x-1,y)---\left(2\right)$

$\frac{{\∂}^{2}f(x,y)}{{\∂x}^2}=f(x,y+1)-2f(x,y)+f(x,y-1)---\left(3\right)$

将公式(2)和公式(3)代入公式(1)得到：

${\▿}^{2}f(x,y)=\frac{{\∂}^{2}f(x,y)}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^{2}f(x,y)}{{\∂y}^2}=f(x+1,y)+f(x-1,y)+f(x,y+1)+f(x,y-1)-4f(x,y)---\left(4\right)$

基于上述原理，图像中对应不同时间的裂纹尖端边缘的二维图像灰度函数f(x,y)的拉普拉斯值有阶跃，计算对应的二维图像灰度函数取得局部最大值，即检测到裂纹尖端对应不同时间的位置；

e.根据裂纹尖端边缘具***置的扩展变化，计算材料裂纹尖端张开位移：定义函数g(x_max,y_max)表示检测到裂纹尖端边缘对应不同时刻的位置，x_max,y_max是对应图像不同时刻通过边缘检测的方法获得二维图像灰度函数f(x,y)的拉普拉斯值的局部最大值的横坐标和纵坐标；时刻t₀对应的裂纹尖端位置为g₀(x_max,y_max)，时刻t₁对应的裂纹尖端位置为g₁(x_max,y_max)；记实验进行时间Δt＝t₁-t₀，对应裂纹尖端张开位移δ＝g₁(x_max,y_max)-g₀(x_max,y_max)。

下面通过具体的实施例来进一步理解本发明。

实施例：

本方法分别进行了600℃、800℃、1000℃、1200℃、1400℃以及1600℃的实验，其中选取1200℃的高温实验结果具体解释：

a.将高温合金Nb521制成单边缺口梁试件(具体尺寸细节满足GB/T 2358-94的要求)；

b.对制备好的Nb521试件进行高温三点弯曲实验，实验温度为恒温1200℃；

c.该实例中高温三点弯曲实验加热炉壁上开有直径为12mm的观察孔，通过装配有高温滤波***的高速摄像机对整个实验过程进行拍摄，获得试件缺口裂纹扩展图片；

d.采用图像边缘检测技术得到裂纹尖端边缘，计算得到裂纹尖端张开位移(选择裂纹张开位移小于0.05mm为裂纹开始扩展时间)，下表给出不同时刻(时间间隔为20s)裂纹尖端张开位移实际长度值的测量值，计算结果分别参见说明书附图2。

Claims (3)

1.一种基于高温图像处理的裂纹尖端张开位移测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)将带有预制裂纹的试件放入高温恒温环境下进行力学加载，该试件在高温环境中裂纹尖端发生局部氧化，裂纹尖端图像局部灰度值阶跃变化，使用摄像机连续拍摄加载过程中试件裂纹尖端的变化过程，获得同一温度下试件缺口裂纹在不同时刻的扩展图像，并在摄像机镜头上安装至少一个高温滤波片；

2)采用二阶导数来检测、计算裂纹尖端边缘，如下式计算：

定义二维图像灰度函数f(x,y)的拉普拉斯值为：

${\▿}^{2}f(x,y)=\frac{{\∂}^{2}f(x,y)}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^{2}f(x,y)}{{\∂y}^2}---\left(1\right)$ 其中获取图像的面内坐标为(x,y)，x,y对应图像像素点的横坐标和纵坐标，上式中在点(x,y)处的 的差分表示分别为：

$\frac{{\∂}^{2}f(x,y)}{{\∂x}^2}=f(x+1,y)-2f(x,y)+f(x-1,y)---\left(2\right)$

$\frac{{\∂}^{2}f(x,y)}{{\∂x}^2}=f(x,y+1)-2f(x,y)+f(x,y-1)---\left(3\right)$

将公式(2)和(3)代入公式(1)，得到下式(4)：

${\▿}^{2}f(x,y)=\frac{{\∂}^{2}f(x,y)}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^{2}f(x,y)}{{\∂y}^2}=f(x+1,y)+f(x-1,y)+f(x,y+1)+f(x,y-1)-4f(x,y)$

根据公式(4)得到对应的二维图像灰度函数f(x,y)的拉普拉斯值的局部最大值；

3)根据裂纹尖端边缘具***置的扩展变化，计算材料裂纹尖端张开位移：

定义函数g(x_max,y_max)表示检测到裂纹尖端边缘对应不同时刻的位置，x_max,y_max是对应图像不同时刻通过边缘检测的方法获得二维图像灰度函数f(x,y)的拉普拉斯值的局部最大值的横坐标和纵坐标；时刻t₀对应的裂纹尖端位置为g₀(x_max,y_max)，时刻t₁对应的裂纹尖端位置为g₁(x_max,y_max)；记实验进行时间Δt＝t₁-t₀，得到裂纹尖端张开位移δ＝g₁(x_max,y_max)-g₀(x_max,y_max)。

2.按照权利要求1所述的一种基于高温图像处理的裂纹尖端张开位移测量方法，其特征在于：在步骤1)中高温力加载采用带有高温加热炉的三点弯曲实验方法进行加载。

3.按照权利要求1或2所述的一种基于高温图像处理的裂纹尖端张开位移测量方法，其特征在于：步骤1)所述高温恒温环境下是指600℃-1600℃温度环境下。