CSTM-钢板 拉伸试验 原位图像采集及处理编制说明

PAGE21PAGE《钢板拉伸试验原位图像采集及处理》中国材料与试验团体标准编制说明（征求意见稿）《钢板拉伸试验原位图像采集及处理》中国材料与试验团体标准制定小组2021年09月05日

一、工作简况1.任务来源车用关键零部件（发动机部件、传动轴类）在高温环境下，高/低温下由于晶界相对被弱化，在外载荷作用下，晶界发生滑动。但由于晶界不是平直光滑的，晶界可能存在夹杂物，如果晶界与滑移带、亚晶界相交将形成台阶，因而晶界滑动将在这些不连续的部位及三晶粒交汇处产生应力集中，裂纹或空洞即在这些应力集中部位萌生。在较边外力作用下，萌生的裂纹沿晶或穿晶扩展，导致部件变形失效或发生断裂。近年来，针对部件或样品在高温环境下受力断裂机制的研究，主要是通过断口电镜反推的方式。而通过拉伸试验原位图像采集及处理的方式，可以影像的形式采集部件在受到拉力，裂纹从萌生到扩展直至最后断裂的全过程，为部件的断裂机制研究提供最直接的证明，为部件的断裂机制研究提供最直接的证明，为失效分析及材料改进提供理论依据。申请建立针对“钢板拉伸试验原位图像采集及处理”的测试规范，用于在常温及高温状态下，对钢板拉伸试验全过程进行原位采集。根据中国材料与试验团体标准委员会［材试标子2021］203号文件所下达的中国材料与试验团体标准修订计划，《钢板拉伸试验原位图像采集及处理》标准被列入中国材料与试验团体标准修订计划，计划编号为CSTMLX990000794—2021。该标准由中汽研汽车检验中心（天津）有限公司牵头，吉林大学、中国建材检验认证集团股份有限公司、浙江国检检测技术股份有限公司、必维诚硕科技（上海）有限公司、中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司、鞍钢集团钢铁研究院、必维诚硕科技（上海）有限公司天津分公司、天津市产品质量监督检测技术研究院检测技术研究中心共同起草。计划于2022年完成审定，本标准由中国材料与试验团体标准委员会归口。2.标准起草过程2019年10月，调研国内外钢板拉伸试验原位图像采集及处理设备的相关标准、文献、技术资料。2020年3月-2020年11进行项目设备技术指标论证，形成系统的原位采集解决方案。2021年2月-2021年5月通过验证试验，获得完整的钢板拉伸试验原位图像采集及处理设备技术指标，制定对应的样品预处理流程。2021年5月-2021年8月通过分析总结，撰写《钢板拉伸试验原位图像采集及处理设备》团体标准草案。2021年8月，中国材料与试验团体标准委员会综合标准领域委员会在北京组织召开了《钢板拉伸试验原位图像采集及处理设备》线上团体标准立项审查会。会议成立了由7位专家组成的审查组，对标准立项建议书、标准草案及编制说明进行审查。2021年9月收到中国材料与试验团体标准委员会下发的“关于CSTM标准《钢板拉伸试验原位图像采集及处理设备》的立项公告”（材试标字[2021]203号）。2021年10月，由中国材料与试验团体标准委员会秘书处将标准征询意见稿及编制说明发送到兄弟企业、高校、科研机构，收集X家修改意见X条。2022年2月召开标准审定会，会上专家代表提出修改建议X条，修改完善后形成标准报批稿。3.编制和协作单位编制单位：中汽研汽车检验中心（天津）有限公司协作单位：吉林大学、中国建材检验认证集团股份有限公司、浙江国检检测技术股份有限公司、钢研纳克检测技术股份有限公司、必维诚硕科技（上海）有限公司、中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司、鞍钢集团钢铁研究院、必维诚硕科技（上海）有限公司天津分公司、天津市产品质量监督检测技术研究院检测技术研究中心。4.主要起草人及其所承担的工作简要说明谢宇：项目总负责，负责标准起草、制定验证试验计划。李明贺、张仲荣、董帅：负责标准设备参数符合性验证。石荣洲、邱岩、徐利霞：负责开展标准验证试验。赵宏伟、姚丙南、孟宪明、杜天强、金秀英、王蓬：负责项目协调。苏洪英、管建羽、李旭、马双伟、杨秀光、王慧、吴昊、马德隆、周建、许佳焱、王鹏参与项目协调。二、标准编制原则本标准严格遵守《中华人民共和国标准法》及其《实施细则》、GB/T1.1-2009《标准化工作导则第1部分：标准的结构和编写》的要求，本着目标性、统一性、协调性、适用性、一致性和规范性相结合，兼顾科学性、先进性、经济性和合理性的原则进行起草，便于在汽车企业和钢铁企业进行推广和应用，可从一定程度上解决超高强汽车用钢在开发和使用过程中的问题，具有一定的经济性和社会效益。本标准规定了“钢板拉伸试验原位图像采集及处理”采集方法，规定原位样品准备、常温及高温试验散斑漆喷涂的注意事项，推荐了原位检测装置主要部件需要满足的技术指标。本标准适用于指导钢板拉伸试验时，进行的原位图像采集及结果处理。三、标准主要内容1、本标准规定了钢板进行拉伸试验原位采集时，常温及高温样品的数字散斑漆喷涂的方法。2、本标准推荐了进行钢板拉伸试验原位采集时主要设备需满足的参数与性能。3、本标准规定了原位采集装置硬件及软件标定的方式。4、本标准规定了钢板拉伸试验原位图像采集后，数据处理的方式。四、主要试验（或验证）情况本标准在制定过程中主要针对金属板材原位拉伸试验进行验证，主要有如下几个部分：高温图像采集关键技术改进常温数字散斑在现有试验中应用广泛，但在高温试验难以完成，分析其原因，主要有以下几个方面：普通散斑制备材料无法承受高温环境，在200℃时就会发生脱落、氧化；试样在被加热过程中背景辐射影响了图像获取：根据黑体辐射定律，任何物体都具有不断向外辐射、吸收、反射电磁波的能力，通过高温炉的连续升温实验也能看出:在500℃时背景辐射为微弱的红光,随着温度升高,背景辐射强度增长越来越快,在800℃时背景辐射中已经有明显的橙色光。试样表面至散斑相机之间的光路热扰动现象严重,空气作为光的传播介质,试样周围空气随试样一起被加热,并且同一位置的空气在不同时刻温度不一致,也就造成了介质折射率不一致的情况,即使在试样温度稳定时,图像也是波动的,这样会给计算造成很大误差。高温炉的连续升温实验经过研究分析，从以下几方面进行改进：选用耐高温散斑材料在常温至500℃的较低”的高温情况下,可以使用耐高温散斑喷漆喷涂散斑图案，超过500℃至1000℃的测试环境,常规耐高温喷漆也将发生氧化和脱落现象。经试验验证，Tac粉末在常温条件下是棕色,经过高温后是白色，DB5012耐高温胶可以承受1700℃的高温,固化后是灰白色,在研究中将其作为C-SiC基底的材料的散斑图案，CoO粉末为黑色，熔点为1900℃,可以将其与酒精混合后粘结在试样表面形成黑色斑点。（2）背景辐射的抑制结合相关文章及试验的分析,认为使用波长为455nm的窄带滤光片能够有效规避由高温炉内物体温度升高带来的背景辐射光线的干扰,并且455mm的波长也是常用的抑制背景辐射的光源所用波长,图1为其特性曲线，本次使用的滤光片带宽为30mm,截止深度为OD2的滤光片，通过直径为52mm,螺距为0.75mm的卡圈,能够将滤光片牢固地安装在现有散斑装置镜头上（图3）。散斑装置配置有两个16w的白色LED光源,在不改动配置的情况下可以正常使用,但在增加窄带滤光片后,原有光源在能够透过滤光片的波长范围的光线强度便不能够满足相机成像的需求,从图2中可以看出,此时的数字散斑相机已经无法成像,需要增加额外的光源增强。图1滤光片的特征曲线图2安装窄带滤光片取景框（3）光源增强为了能够和定制的滤光片特性进行匹配,使散斑相机成像清晰,定制了一台蓝光光源（图4）,该光源功率200w,主峰波长455mm,50%强度带宽+10mm,与之匹配,前文提到的滤光片50%强度带宽为15mm,二者配合使用既能够过滤掉高温带来的背景辐射,又能有效发挥光源特性,提供额外的照度。3偏振片及旋转支架图4蓝光光源数字散斑装置硬件标定数字散斑装置在使用过程中需要先进行标定,其中硬件标定包括以下几个步骤：手动对焦相机:通常数字散斑相机工作的距离为50-100cm,这是由于数字散斑在3D使用场景需要两台相机,相机之间需要保证一定角度同时需要保证单个相机能够在合适的角度拍摄被测物体图像,而高温试验场景需要高温加热装置及可能需要配置的真空环境装置。自动对焦相机在加装了线偏振片和窄带滤光片后,对焦将不再准确,因此相机在标定过程中预先设置好焦距,在试验过程中便不再调整。滤光片及光源角度调整:根据黑体辐射理论,温度越高背景辐射越强,并且由于背景辐射是从红外区域逐渐向紫外区域延展,过滤背景辐射才能得到清晰的散斑图像,常用的光源有波长约450mm的蓝光光源、532nm的绿光光源也存在相关研究使用紫外光光源,光源波长越短价格越昂贵,并且紫外光无法与当前相机匹配,故选择蓝光光源。而滤光片需要与光源搭配,考虑到滤光片及光源在制作过程中都可能存在误差导致中心波长及50%带宽偏离标称值,滤光片带宽应该比光源大一些。光源增强测试：数字散斑装置的原有配置使用时硬件标定过程中需要根据相机预览界面调整光圈值,保证图像是蓝紫相间的清晰图像,并且图像需要保持清晰,在“overexposed"模式下不能有明显的红色点。由于滤光片和蓝光光源都是额外配置的,因此需要验证新的光源能否在整套散斑装置中使用。硬件标定过程中,在不安装滤光片的情况下调整好相机焦距,保证常规条件下成像清晰,调整好相机和自带光源的偏振片角度,使标定板上金属表面在相机产生的红色区域面积最小,再安装窄带滤光片,按照通常的使用方法将相机曝光时间调整至40ms附近,此时,

自带白色光源能通过滤光片的部分光不足以让相机产生足够清晰的像,将蓝光光源开启后,在“over

exposed"模式中将光源功率调整至不产生明显红点且能够保证相机成像曝光度合适的大小,再切换至"falsecolor"模式,使预览中的成像尽量为蓝紫相间的清晰图像,即完成了加入光源和滤光片的标定过程光源及滤光片装置测试过程中使用了厚度为2mm的板状试样侧面喷涂散斑图案,再将试样放置在试验机夹具上进行测试,光源距离试样的距离为1.6m,为了能够使成像清晰,此时光源功率为100w,曝光时间为40ms。切换至"falsecolor"模式,能够满足蓝紫相间的图像要求,并且在“overexposed"模式下没有明显的红色区域。保持该状态拍摄图像并进行计算,如果能得到符合实际情况的结果,则证明光源和滤光的组件是可行的,下图为硬件标定时的效果。光源未开启光源开启开启蓝光光源后falsecolor模式相机成像效果开启蓝光光源后overexposed模式相机成像效果高温原位图像采集启动试验机及原位采集装置，开启试验，试验结束后截取采集到的原位图像如下：0秒12秒12秒24秒36秒断裂结论上述结果表明，可以采用该评价方法用