CSTM-鋼板 拉伸試驗(yàn) 原位圖像采集及處理編制說明

PAGE21PAGE《鋼板拉伸試驗(yàn)原位圖像采集及處理》中國材料與試驗(yàn)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)編制說明（征求意見稿）《鋼板拉伸試驗(yàn)原位圖像采集及處理》中國材料與試驗(yàn)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)制定小組2021年09月05日

一、工作簡(jiǎn)況1.任務(wù)來源車用關(guān)鍵零部件（發(fā)動(dòng)機(jī)部件、傳動(dòng)軸類）在高溫環(huán)境下，高/低溫下由于晶界相對(duì)被弱化，在外載荷作用下，晶界發(fā)生滑動(dòng)。但由于晶界不是平直光滑的，晶界可能存在夾雜物，如果晶界與滑移帶、亞晶界相交將形成臺(tái)階，因而晶界滑動(dòng)將在這些不連續(xù)的部位及三晶粒交匯處產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂紋或空洞即在這些應(yīng)力集中部位萌生。在較邊外力作用下，萌生的裂紋沿晶或穿晶擴(kuò)展，導(dǎo)致部件變形失效或發(fā)生斷裂。近年來，針對(duì)部件或樣品在高溫環(huán)境下受力斷裂機(jī)制的研究，主要是通過斷口電鏡反推的方式。而通過拉伸試驗(yàn)原位圖像采集及處理的方式，可以影像的形式采集部件在受到拉力，裂紋從萌生到擴(kuò)展直至最后斷裂的全過程，為部件的斷裂機(jī)制研究提供最直接的證明，為部件的斷裂機(jī)制研究提供最直接的證明，為失效分析及材料改進(jìn)提供理論依據(jù)。申請(qǐng)建立針對(duì)“鋼板拉伸試驗(yàn)原位圖像采集及處理”的測(cè)試規(guī)范，用于在常溫及高溫狀態(tài)下，對(duì)鋼板拉伸試驗(yàn)全過程進(jìn)行原位采集。根據(jù)中國材料與試驗(yàn)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)［材試標(biāo)子2021］203號(hào)文件所下達(dá)的中國材料與試驗(yàn)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)修訂計(jì)劃，《鋼板拉伸試驗(yàn)原位圖像采集及處理》標(biāo)準(zhǔn)被列入中國材料與試驗(yàn)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)修訂計(jì)劃，計(jì)劃編號(hào)為CSTMLX990000794—2021。該標(biāo)準(zhǔn)由中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司牽頭，吉林大學(xué)、中國建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司、浙江國檢檢測(cè)技術(shù)股份有限公司、必維誠碩科技（上海）有限公司、中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司、鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院、必維誠碩科技（上海）有限公司天津分公司、天津市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)技術(shù)研究院檢測(cè)技術(shù)研究中心共同起草。計(jì)劃于2022年完成審定，本標(biāo)準(zhǔn)由中國材料與試驗(yàn)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)歸口。2.標(biāo)準(zhǔn)起草過程2019年10月，調(diào)研國內(nèi)外鋼板拉伸試驗(yàn)原位圖像采集及處理設(shè)備的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、文獻(xiàn)、技術(shù)資料。2020年3月-2020年11進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)備技術(shù)指標(biāo)論證，形成系統(tǒng)的原位采集解決方案。2021年2月-2021年5月通過驗(yàn)證試驗(yàn)，獲得完整的鋼板拉伸試驗(yàn)原位圖像采集及處理設(shè)備技術(shù)指標(biāo)，制定對(duì)應(yīng)的樣品預(yù)處理流程。2021年5月-2021年8月通過分析總結(jié)，撰寫《鋼板拉伸試驗(yàn)原位圖像采集及處理設(shè)備》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)草案。2021年8月，中國材料與試驗(yàn)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)綜合標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域委員會(huì)在北京組織召開了《鋼板拉伸試驗(yàn)原位圖像采集及處理設(shè)備》線上團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)審查會(huì)。會(huì)議成立了由7位專家組成的審查組，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)建議書、標(biāo)準(zhǔn)草案及編制說明進(jìn)行審查。2021年9月收到中國材料與試驗(yàn)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)下發(fā)的“關(guān)于CSTM標(biāo)準(zhǔn)《鋼板拉伸試驗(yàn)原位圖像采集及處理設(shè)備》的立項(xiàng)公告”（材試標(biāo)字[2021]203號(hào)）。2021年10月，由中國材料與試驗(yàn)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)秘書處將標(biāo)準(zhǔn)征詢意見稿及編制說明發(fā)送到兄弟企業(yè)、高校、科研機(jī)構(gòu)，收集X家修改意見X條。2022年2月召開標(biāo)準(zhǔn)審定會(huì)，會(huì)上專家代表提出修改建議X條，修改完善后形成標(biāo)準(zhǔn)報(bào)批稿。3.編制和協(xié)作單位編制單位：中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司協(xié)作單位：吉林大學(xué)、中國建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司、浙江國檢檢測(cè)技術(shù)股份有限公司、鋼研納克檢測(cè)技術(shù)股份有限公司、必維誠碩科技（上海）有限公司、中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司、鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院、必維誠碩科技（上海）有限公司天津分公司、天津市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)技術(shù)研究院檢測(cè)技術(shù)研究中心。4.主要起草人及其所承擔(dān)的工作簡(jiǎn)要說明謝宇：項(xiàng)目總負(fù)責(zé)，負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)起草、制定驗(yàn)證試驗(yàn)計(jì)劃。李明賀、張仲榮、董帥：負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備參數(shù)符合性驗(yàn)證。石榮洲、邱巖、徐利霞：負(fù)責(zé)開展標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證試驗(yàn)。趙宏偉、姚丙南、孟憲明、杜天強(qiáng)、金秀英、王蓬：負(fù)責(zé)項(xiàng)目協(xié)調(diào)。蘇洪英、管建羽、李旭、馬雙偉、楊秀光、王慧、吳昊、馬德隆、周建、許佳焱、王鵬參與項(xiàng)目協(xié)調(diào)。二、標(biāo)準(zhǔn)編制原則本標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格遵守《中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)法》及其《實(shí)施細(xì)則》、GB/T1.1-2009《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)和編寫》的要求，本著目標(biāo)性、統(tǒng)一性、協(xié)調(diào)性、適用性、一致性和規(guī)范性相結(jié)合，兼顧科學(xué)性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性和合理性的原則進(jìn)行起草，便于在汽車企業(yè)和鋼鐵企業(yè)進(jìn)行推廣和應(yīng)用，可從一定程度上解決超高強(qiáng)汽車用鋼在開發(fā)和使用過程中的問題，具有一定的經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)效益。本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了“鋼板拉伸試驗(yàn)原位圖像采集及處理”采集方法，規(guī)定原位樣品準(zhǔn)備、常溫及高溫試驗(yàn)散斑漆噴涂的注意事項(xiàng)，推薦了原位檢測(cè)裝置主要部件需要滿足的技術(shù)指標(biāo)。本標(biāo)準(zhǔn)適用于指導(dǎo)鋼板拉伸試驗(yàn)時(shí)，進(jìn)行的原位圖像采集及結(jié)果處理。三、標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容1、本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了鋼板進(jìn)行拉伸試驗(yàn)原位采集時(shí)，常溫及高溫樣品的數(shù)字散斑漆噴涂的方法。2、本標(biāo)準(zhǔn)推薦了進(jìn)行鋼板拉伸試驗(yàn)原位采集時(shí)主要設(shè)備需滿足的參數(shù)與性能。3、本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了原位采集裝置硬件及軟件標(biāo)定的方式。4、本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了鋼板拉伸試驗(yàn)原位圖像采集后，數(shù)據(jù)處理的方式。四、主要試驗(yàn)（或驗(yàn)證）情況本標(biāo)準(zhǔn)在制定過程中主要針對(duì)金屬板材原位拉伸試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，主要有如下幾個(gè)部分：高溫圖像采集關(guān)鍵技術(shù)改進(jìn)常溫?cái)?shù)字散斑在現(xiàn)有試驗(yàn)中應(yīng)用廣泛，但在高溫試驗(yàn)難以完成，分析其原因，主要有以下幾個(gè)方面：普通散斑制備材料無法承受高溫環(huán)境，在200℃時(shí)就會(huì)發(fā)生脫落、氧化；試樣在被加熱過程中背景輻射影響了圖像獲?。焊鶕?jù)黑體輻射定律，任何物體都具有不斷向外輻射、吸收、反射電磁波的能力，通過高溫爐的連續(xù)升溫實(shí)驗(yàn)也能看出:在500℃時(shí)背景輻射為微弱的紅光,隨著溫度升高,背景輻射強(qiáng)度增長越來越快,在800℃時(shí)背景輻射中已經(jīng)有明顯的橙色光。試樣表面至散斑相機(jī)之間的光路熱擾動(dòng)現(xiàn)象嚴(yán)重,空氣作為光的傳播介質(zhì),試樣周圍空氣隨試樣一起被加熱,并且同一位置的空氣在不同時(shí)刻溫度不一致,也就造成了介質(zhì)折射率不一致的情況,即使在試樣溫度穩(wěn)定時(shí),圖像也是波動(dòng)的,這樣會(huì)給計(jì)算造成很大誤差。高溫爐的連續(xù)升溫實(shí)驗(yàn)經(jīng)過研究分析，從以下幾方面進(jìn)行改進(jìn)：選用耐高溫散斑材料在常溫至500℃的較低”的高溫情況下,可以使用耐高溫散斑噴漆噴涂散斑圖案，超過500℃至1000℃的測(cè)試環(huán)境,常規(guī)耐高溫噴漆也將發(fā)生氧化和脫落現(xiàn)象。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，Tac粉末在常溫條件下是棕色,經(jīng)過高溫后是白色，DB5012耐高溫膠可以承受1700℃的高溫,固化后是灰白色,在研究中將其作為C-SiC基底的材料的散斑圖案，CoO粉末為黑色，熔點(diǎn)為1900℃,可以將其與酒精混合后粘結(jié)在試樣表面形成黑色斑點(diǎn)。（2）背景輻射的抑制結(jié)合相關(guān)文章及試驗(yàn)的分析,認(rèn)為使用波長為455nm的窄帶濾光片能夠有效規(guī)避由高溫爐內(nèi)物體溫度升高帶來的背景輻射光線的干擾,并且455mm的波長也是常用的抑制背景輻射的光源所用波長,圖1為其特性曲線，本次使用的濾光片帶寬為30mm,截止深度為OD2的濾光片，通過直徑為52mm,螺距為0.75mm的卡圈,能夠?qū)V光片牢固地安裝在現(xiàn)有散斑裝置鏡頭上（圖3）。散斑裝置配置有兩個(gè)16w的白色LED光源,在不改動(dòng)配置的情況下可以正常使用,但在增加窄帶濾光片后,原有光源在能夠透過濾光片的波長范圍的光線強(qiáng)度便不能夠滿足相機(jī)成像的需求,從圖2中可以看出,此時(shí)的數(shù)字散斑相機(jī)已經(jīng)無法成像,需要增加額外的光源增強(qiáng)。圖1濾光片的特征曲線圖2安裝窄帶濾光片取景框（3）光源增強(qiáng)為了能夠和定制的濾光片特性進(jìn)行匹配,使散斑相機(jī)成像清晰,定制了一臺(tái)藍(lán)光光源（圖4）,該光源功率200w,主峰波長455mm,50%強(qiáng)度帶寬+10mm,與之匹配,前文提到的濾光片50%強(qiáng)度帶寬為15mm,二者配合使用既能夠過濾掉高溫帶來的背景輻射,又能有效發(fā)揮光源特性,提供額外的照度。3偏振片及旋轉(zhuǎn)支架圖4藍(lán)光光源數(shù)字散斑裝置硬件標(biāo)定數(shù)字散斑裝置在使用過程中需要先進(jìn)行標(biāo)定,其中硬件標(biāo)定包括以下幾個(gè)步驟：手動(dòng)對(duì)焦相機(jī):通常數(shù)字散斑相機(jī)工作的距離為50-100cm,這是由于數(shù)字散斑在3D使用場(chǎng)景需要兩臺(tái)相機(jī),相機(jī)之間需要保證一定角度同時(shí)需要保證單個(gè)相機(jī)能夠在合適的角度拍攝被測(cè)物體圖像,而高溫試驗(yàn)場(chǎng)景需要高溫加熱裝置及可能需要配置的真空環(huán)境裝置。自動(dòng)對(duì)焦相機(jī)在加裝了線偏振片和窄帶濾光片后,對(duì)焦將不再準(zhǔn)確,因此相機(jī)在標(biāo)定過程中預(yù)先設(shè)置好焦距,在試驗(yàn)過程中便不再調(diào)整。濾光片及光源角度調(diào)整:根據(jù)黑體輻射理論,溫度越高背景輻射越強(qiáng),并且由于背景輻射是從紅外區(qū)域逐漸向紫外區(qū)域延展,過濾背景輻射才能得到清晰的散斑圖像,常用的光源有波長約450mm的藍(lán)光光源、532nm的綠光光源也存在相關(guān)研究使用紫外光光源,光源波長越短價(jià)格越昂貴,并且紫外光無法與當(dāng)前相機(jī)匹配,故選擇藍(lán)光光源。而濾光片需要與光源搭配,考慮到濾光片及光源在制作過程中都可能存在誤差導(dǎo)致中心波長及50%帶寬偏離標(biāo)稱值,濾光片帶寬應(yīng)該比光源大一些。光源增強(qiáng)測(cè)試：數(shù)字散斑裝置的原有配置使用時(shí)硬件標(biāo)定過程中需要根據(jù)相機(jī)預(yù)覽界面調(diào)整光圈值,保證圖像是藍(lán)紫相間的清晰圖像,并且圖像需要保持清晰,在“overexposed"模式下不能有明顯的紅色點(diǎn)。由于濾光片和藍(lán)光光源都是額外配置的,因此需要驗(yàn)證新的光源能否在整套散斑裝置中使用。硬件標(biāo)定過程中,在不安裝濾光片的情況下調(diào)整好相機(jī)焦距,保證常規(guī)條件下成像清晰,調(diào)整好相機(jī)和自帶光源的偏振片角度,使標(biāo)定板上金屬表面在相機(jī)產(chǎn)生的紅色區(qū)域面積最小,再安裝窄帶濾光片,按照通常的使用方法將相機(jī)曝光時(shí)間調(diào)整至40ms附近,此時(shí),

自帶白色光源能通過濾光片的部分光不足以讓相機(jī)產(chǎn)生足夠清晰的像,將藍(lán)光光源開啟后,在“over

exposed"模式中將光源功率調(diào)整至不產(chǎn)生明顯紅點(diǎn)且能夠保證相機(jī)成像曝光度合適的大小,再切換至"falsecolor"模式,使預(yù)覽中的成像盡量為藍(lán)紫相間的清晰圖像,即完成了加入光源和濾光片的標(biāo)定過程光源及濾光片裝置測(cè)試過程中使用了厚度為2mm的板狀試樣側(cè)面噴涂散斑圖案,再將試樣放置在試驗(yàn)機(jī)夾具上進(jìn)行測(cè)試,光源距離試樣的距離為1.6m,為了能夠使成像清晰,此時(shí)光源功率為100w,曝光時(shí)間為40ms。切換至"falsecolor"模式,能夠滿足藍(lán)紫相間的圖像要求,并且在“overexposed"模式下沒有明顯的紅色區(qū)域。保持該狀態(tài)拍攝圖像并進(jìn)行計(jì)算,如果能得到符合實(shí)際情況的結(jié)果,則證明光源和濾光的組件是可行的,下圖為硬件標(biāo)定時(shí)的效果。光源未開啟光源開啟開啟藍(lán)光光源后falsecolor模式相機(jī)成像效果開啟藍(lán)光光源后overexposed模式相機(jī)成像效果高溫原位圖像采集啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)及原位采集裝置，開啟試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后截取采集到的原位圖像如下：0秒12秒12秒24秒36秒斷裂結(jié)論上述結(jié)果表明，可以采用該評(píng)價(jià)方法用