数字图像相关方法在焊缝材料力学性能测试中的应用

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaOcl．252013Vol34No102372．2382ISSN1000—6893CN11-1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn数字图像相关方法在焊缝材料力学性能测试中的应用杭超1，杨广1，李玉龙1’*，于起峰1’2，郭亚洲11．西北工业大学航空学院，陕西西安7100722．国防科学技术大学航天与材料工程学院，湖南长沙410073摘要：焊缝材料是一种非均匀材料，其焊缝区、母材区、热影响区具有不同的力学性能。为了能使焊缝材料在工程实践中得到合理应用，对焊缝材料不同区域

2、力学行为进行定量研究变得非常重要。本文采用数字图像相关(DIC)方法对TC4钛合金焊缝在单轴拉伸载荷作用下的变形场进行测量，得到了焊缝材料在不同载荷下不同区域的应变场，3个区域的应变从大到小依次为母材区、焊缝区、热影响区，并且母材区的应变远大于焊缝区和热影响区。母材区具有良好的韧性，其局部失效应变可达30％。同时对加载过程中的变形局部化现象进行了定量测量，焊缝在达到峰值载荷时就已经出现微小的颈缩，峰值载荷时颈缩量仅为0．075mm，断前一瞬间颈缩量可达0．271mm。最后对试验系统的误差作了简要分析，验证了DIC方法的可靠性。关键词：数字图像相关；钛合金；焊缝；母材区；热影响区；力学性能中图分

3、类号：V250．2文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)10—2372—11钛合金由于具有比强度高、耐腐蚀等优点，因此在航空、航天、船舶、汽车等行业得到越来越广泛的应用。焊接作为一种提高材料利用率、减轻结构重量、降低成本的方法，已经成为钛合金加工的重要手段[1]。在焊接钛合金时，大量的热量输入导致焊缝区材料发生熔化，并且在母材区和焊缝区之间形成明显的热影响区。焊缝区材料的熔化再结晶，以及热影响区材料受热后内部组织发生改变，使得焊缝区和热影响区的力学性能与母材区不一致，给其力学性能的测试带来诸多不便。由于焊缝材料性能变化梯度比较大，常规的材料测试方法难以区分焊缝材料不同区域力学性

4、能的差异。为了解决这一问题，Sharpe等心3提出了测量微小试样应变的干涉应变计法，朱勐晖等[31用该方法测得了焊缝材料不同区域的本构曲线。干涉应变计法基于光的干涉原理，通过检测干涉条纹确定试样的应变，该方法可以用于微小试样的应变测量，但其测量光路比较复杂，且测量精度容易受到试验环境影响。还有一些学者采用微拉伸和微剪切方法研究焊缝材料的力学性能，雷斌隆研究了微剪切试验与拉伸试验、断裂力学试验之间的关系[4]，并用统计方法得出了焊接接头各区剪切强度与剪切韧性、冲击韧性之间的关系[5]。王元良等[63用微剪切方法研究了铝合金焊缝微区的力学性能，汤忠斌等[73分别用微拉伸和微剪切方法测得了焊缝各个区

5、域的剪切强度、剪切屈服强度、抗拉强度、拉伸屈服强度的分布情况。本文采用数字图像相关(DigitalImageCor一收稿日期：2012—12—26；退修日期：2012—12—29；录用日期：2013—03—05；网络出版时间：2013-03-1915：42网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20130319．1542．003htmI基金项目：国家自然科学基金(11102166，10932008)；高等学校学科创新引智计划(B07050)；西北工业大学基础研究基金(JC201201)*通讯作者Tel．：029—88494859E-mail：liyu

6、long@nwpuedu．CR乎l用榕武

7、HangC，YangG，LiYL，etal．Applicationofdigitalimagecorrectionmethodtotestofmechanicalpropertiesforweldmaterials．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2013．34(10)：2372-2382．杭遥，扬广．李玉龙，等．数字豳像相关方法在焊缝材料力学性能溯试中的应角航空学报．2013．34(10)：2372-2382．杭超等：数字图像相关方法在焊缝材料力学性能测试中的应用relation，D／C)方法‘8。10

8、，准确

9、地定位出焊缝材料各个区域的位置，测得各个区域的应变分布，并估计了该测量方法的误差。CzNSSD一邑M，互M(学一赵喾卫)21试验技术式中：(3)1．1DIC方法原理数字图像相关又称为数字散斑相关(DigitalSpeckleCorrelation，DSC)，是一种光学测量变形体表面变形信息的方法。DIC方法基于灰度不变假设，认为物体在变形过程中表面各点的灰度保持不变，通过采集物体表面变形前后的两幅