CN110006935A - 基于dic微区动态应变测试的超快激光精细差异化散斑制备方法 - Google Patents

基于dic微区动态应变测试的超快激光精细差异化散斑制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于微区动态应变的数字图像相关法(DIC)测量领域，具体涉及基于DIC微区动态应变测试的超快激光精细差异化散斑制备方法，包括材料表面预处理、表面微区表征和超快激光五轴加工平台对微区进行高精度差异化散斑制备，以超快激光为能量源，针对被测材料不同区域差异性的物相成分和微观组织结构进行差异化微纳米织构标记。与现有技术相比，本发明制备的散斑可以实现特定的单个微区和多个微区进行差异化散斑制备，用于微区动态应变的数字图像相关法测量，还用于微区材料拉伸和断裂破坏时力学性能的测量，在光测微区力学性能中具有广泛的应用前景。

Description

基于DIC微区动态应变测试的超快激光精细差异化散斑制备 方法
技术领域
本发明属于微区动态应变的数字图像相关法(DIC)测量领域，涉及材料不同区域的超快激光精细差异化标记方法，尤其是涉及一种基于DIC微区动态应变测试的超快激光精细差异化散斑制备方法。
背景技术
近年来，随着国内工业尤其是重大基础装备工业的飞速发展，苛刻环境下材料力学行为的表征在材料加工、固体实验力学和材料科学等领域有着十分重要的应用，尤其针对微区动态应力应变的测量。实时测量材料微区条件下的材料的力学和性能演变行为对评估材料性能的演变、可靠性评估及寿命预测等具有十分重要的意义。由于微尺度的问题，传统的接触式方法在应力应变测试时存在一定极限性，难以有效地测量微区条件下的材料梯度变化或材料微区结构表面的位移，而非接触方法在微区条件下的应力应变测试有着其得天独厚的优势。当前，随着计算机与图像处理技术的进步，数字图像相关(Digital imagecorrelation，DIC)技术以其试件制备简单、非接触、跨(大/小)尺度测量、全场/局部测量、实时动态观测、可视化及空间分辨率高等优点，成为最为常用的微区条件下的非接触式位移测量方法之一。
数字图像相关法在微区领域能否得到应用的成败关键是微区高精度差异化散斑制备。数字图像相关法中使用的散斑图一般是由具有一定灰度且分布随机的散斑组成。因为散斑是被测材料表面变形的信息载体，其在施加载荷(温度、力、边界条件下等)的条件下，散斑会出现相应的信息传递，根据数字图像法相关的运算法则，通过加载条件前后拍摄的散斑图，即可得到被测材料的位移场和应变场。目前，最常用的散斑制备方法是喷漆法，常规的喷漆法在常温或者大尺度样品运用上有着较好效果，但是在苛刻环境下，喷漆法产生的散斑没办法满足要求。如，温度变化、振动、微尺度等苛刻环境下，散斑会出现变脆、脱落及变色等现象。针对微区力学行为表征，因喷漆法本身工艺限制，无法满足微区高精度差异化散斑制备要求。
综上所述，现有的散斑制备方法中，利用数字图像相关法来进行微区动态应力应变的测量还存在困难，其中的一个主要原因是较难制备出微区精细差异化散斑。因此，有急需发展一种散斑质量可靠，易控制，使用过程受外界环境影响小的精细差异化散斑制备方法。
发明内容
为解决上述现有技术的不足，本发明提出一种散斑质量可靠，易控制，使用过程受外界环境影响小的超快激光精细差异化散斑制备方法。该方法的技术特点是通过在材料表面特定区域进行超快激光差异化微纳织构方法，制得高精度差异化散斑，使其适用于采用数字图像相关法进行特定微区动态应力应变的非接触式微区测量。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
基于DIC微区动态应变测试的超快激光精细差异化散斑制备方法，步骤包括：
(1)材料表面预处理；和
(2)材料表面微区表征；和
(3)根据步骤(2)中不同微区表征需求，利用超快激光五轴加工平台对微区进行高精度差异化散斑制备，达到使用数字图像相关法进行特定微区动态应力应变的非接触式测量；
其中：
步骤(3)中，所述高精度差异化散斑包括单周期纳米波纹织构、双周期纳米波纹织构、微纳米颗粒织构或复合微纳织构；所述超快激光五轴加工平台的精度包括：加工区域为660×445mm，加工精度为+/-1μm，加工速度为2m/s，且五轴控制；所述超快激光的工艺参数包括：脉冲宽度小于8ps，波长为355～1064nm，功率为0～5W，重复频率为1～100KHz。
进一步，步骤(1)中，所述材料表面预处理方法包括：对材料表面和/或端面区域进行打磨和抛光，去除表面氧化物及杂质，将样品置于丙酮中经超声波清洗干净后取出并用蒸馏水冲洗，吹干。
进一步，步骤(2)中，材料表面微区表征的方法包括：用金相显微镜和/或扫描电子显微镜观测预处理后材料表面形貌，再用扫描电镜自带的EDX能谱仪分析金属焊接头的化学成分，然后用腐蚀着色剂或纳米压痕来区分微区范围。
更进一步，步骤(2)中，所述微区的轮廓为规则或不规则区域，微区表面和/或端面的形状为平面或曲面。
进一步，步骤(3)中，所述复合微纳织构由相互间隔且呈横向、纵向、横向和纵向垂直、或横向和纵向多角度相互交叉排列的、尺寸可调的多个单位织构组成，包括密缝形、方格形、孔洞形、圆形凹坑形、正交方柱形或平行光栅形。
更进一步，所述单位织构的形状有圆形、椭圆形、波纹槽状、直线槽状或方形。
超快激光精细差异化散斑，通过上述基于DIC微区动态应变测试的超快激光精细差异化散斑制备方法制得，其包括单周期纳米波纹织构、双周期纳米波纹织构、微纳米颗粒织构或复合微纳织构。
进一步，所述复合微纳织构由相互间隔且呈横向、纵向、横向和纵向垂直、或横向和纵向多角度相互交叉排列的、尺寸可调的多个单位织构组成，包括密缝形、方格形、孔洞形、圆形凹坑形、正交方柱形或平行光栅形；其中：所述单位织构的形状有圆形、椭圆形、波纹槽状、直线槽状或方形。
上述超快激光精细差异化散斑用于微区动态应变的数字图像相关法测量以及微区材料拉伸和断裂破坏时力学性能的测量。
与现有技术相比，本发明依据被测材料不同区域差异性的物相成分和微观组织结构，以超快激光为能量源，充分利用超快激光微纳米织构技术的精确选区加工、形貌可控加工的优点，制作过程不涉及化学反应，散斑的尺寸、分布、密度易控制，容易获得高精度差异化散斑；非常适用于基于DIC的微区动态应变的测试。本发明的突出优点是散斑质量、大小和密度可控，可以进行微区差异化精细散斑制备；另外，使用过程受外界环境影响小，即使有振动、风力等外界因素的影响，散斑也不存在脱落问题。
附图说明
图1为材料表面不同微区示意图。
图2为超快激光织构的微结构示意图；其中，(a)超快激光纳米级诱导表面波纹和低微米级烧蚀空洞结构：从左至右依次为单周期纳米波纹、双周期纳米波纹和微纳米颗粒；(b)超快激光烧蚀大面积复合微结构，从左至右自上而下依次为：微点阵、正交型、点阵中为空隙和平行光栅；(c)超快激光烧蚀大面积复合微结构，图中字母均为变量。
图3为焊接接头区域的超快激光不同区域加工微区示意图。
具体实施方式
下面结合附图1、附图2和附图3对本发明作进一步详细说明。
制备基于DIC微区动态应变测试的超快激光精细差异化散斑，具体步骤为：
(1)针对材料进行表面预处理：用金相砂纸对材料表面区域进行打磨和抛光，去除表面氧化物及杂质，将样品置于丙酮中经超声波清洗干净后取出并用蒸馏水冲洗，吹干备用。
(2)使用金相显微镜或扫描电镜(不同尺度表征需求)表征预处理后的样品微区，如图1所示。并通过着色腐蚀剂或者纳米压痕表征出所需测试的微区范围，超快激光织构的微结构如图2所示，高精度差异化散斑包括单周期纳米波纹织构、双周期纳米波纹织构、微纳米颗粒织构或复合微纳织构。微区的轮廓为规则或不规则区域，微区表面和/或端面的形状为平面或曲面。另外，复合微纳织构由相互间隔且呈横向、纵向、横向和纵向垂直、或横向和纵向多角度相互交叉排列的、尺寸可调的多个单位织构组成，包括密缝形、方格形、孔洞形、圆形凹坑形、正交方柱形或平行光栅形；其中，单位织构的形状有圆形、椭圆形、波纹槽状、直线槽状或方形。
(3)根据不同微区表征需求利用超快激光五轴加工平台对微区进行针对性的高精度差异化散斑制备，以达到使用数字图像相关法进行特定微区动态应力应变的非接触式测量。
参见图3，焊接接头区域的超快激光不同区域加工微区包括焊缝区、热影响区和母材区，通过打磨抛光、腐蚀，画标定区，采用分秒激光器来加工三个微区，实现微区精细差异化散斑的制备。

Claims (9)

1.基于DIC微区动态应变测试的超快激光精细差异化散斑制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)材料表面预处理；和
(2)材料表面微区表征；和
(3)根据步骤(2)中不同微区表征需求，利用超快激光五轴加工平台对微区进行高精度差异化散斑制备，达到使用数字图像相关法进行特定微区动态应力应变的非接触式测量；其中：
步骤(3)中，所述高精度差异化散斑包括单周期纳米波纹织构、双周期纳米波纹织构、微纳米颗粒织构或复合微纳织构；所述超快激光五轴加工平台的精度包括：加工区域为660×445mm，加工精度为+/-1μm，加工速度为2m/s，且五轴控制；所述超快激光的工艺参数包括：脉冲宽度小于8ps，波长为355～1064nm，功率为0～5W，重复频率为1～100KHz。
2.根据权利要求1所述的超快激光精细差异化散斑制备方法，其特征在于，步骤(1)中，对材料表面和/或端面区域进行打磨和抛光，去除表面氧化物及杂质，将样品置于丙酮中经超声波清洗干净后取出并用蒸馏水冲洗，吹干。
3.根据权利要求1所述的超快激光精细差异化散斑制备方法，其特征在于，步骤(2)中，采用金相显微镜和/或扫描电子显微镜观测预处理后材料表面形貌，再用扫描电镜自带的EDX能谱仪分析金属焊接头的化学成分，然后用腐蚀着色剂或纳米压痕来区分微区范围。
4.根据权利要求3所述的超快激光精细差异化散斑制备方法，其特征在于，所述微区的轮廓为规则或不规则区域，微区表面和/或端面的形状为平面或曲面。
5.根据权利要求3所述的超快激光精细差异化散斑制备方法，其特征在于，所述复合微纳织构由相互间隔且呈横向、纵向、横向和纵向垂直、或横向和纵向多角度相互交叉排列的、尺寸可调的多个单位织构组成，包括密缝形、方格形、孔洞形、圆形凹坑形、正交方柱形或平行光栅形。
6.根据权利要求5所述的超快激光精细差异化散斑制备方法，其特征在于，所述单位织构的形状有圆形、椭圆形、波纹槽状、直线槽状或方形。
7.超快激光精细差异化散斑，其特征在于，通过权利要求1～6所述基于DIC微区动态应变测试的超快激光精细差异化散斑制备方法制得，其包括单周期纳米波纹织构、双周期纳米波纹织构、微纳米颗粒织构或复合微纳织构。
8.根据权利要求7所述的超快激光精细差异化散斑，其特征在于，所述复合微纳织构由相互间隔且呈横向、纵向、横向和纵向垂直、或横向和纵向多角度相互交叉排列的、尺寸可调的多个单位织构组成，包括密缝形、方格形、孔洞形、圆形凹坑形、正交方柱形或平行光栅形；其中：所述单位织构的形状有圆形、椭圆形、波纹槽状、直线槽状或方形。
9.权利要求7或8所述超快激光精细差异化散斑用于微区动态应变的数字图像相关法测量以及微区材料拉伸和断裂破坏时力学性能的测量。
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