T-CWAN 0101-2024 基于数字图像相关技术的微细金属丝材拉伸性能测试方法

ICS25.160.01CCSJ33团体标准DIC-basedtestmethodfortensilepropertiesofmicrometalwires中国焊接协会发布IT/CWAN0101—2024 II 12规范性引用文件 3术语和定义 4符号 25测试系统和原理 26试样制备 37试验程序 48试验结果 69试验报告 6附录A（资料性）检测报告示例 8T/CWAN0101—2024本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国焊接协会提出并归口。本文件起草单位：南昌航空大学、浙大城市学院、重庆科技大学、贵州航天天马机电科技有限公司、哈尔滨职业技术学院、中国机械总院集团哈尔滨焊接研究所有限公司。本文件主要起草人：陈玉华、史丽婷、谢吉林、张龙、许明方、张体明、石燕栋、张世一、李文凯、戈军委、郑敏、王滨滨、武鹏博、王善林、曹浩、魏明炜、朱闯、于春洋。1T/CWAN0101—2024本文件规定了微细金属丝材拉伸性能测试系统和原理、试样制备、试验程序、试验结果和试验报告等内容。本文件适用于直径为0.3mm-1.6mm微细金属丝材通过数字图像相关技术进行拉伸性能测试。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T228.1金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法GB/T10623金属材料力学性能试验术语JJG139拉力、压力和万能试验机检定规程JJG475电子式万能试验机检定规程JJG1063电液伺服万能试验机检定规程3术语和定义GB/T10623中界定的以及下列术语和定义适用于本文件。标距（L）gaugelength在测试的任一时刻，用于测量试样伸长的平行部分长度。3.2原始标距（L0）originalgaugelength室温下施力前的试样标距。3.3断后标距（Lu）finalgaugelengthafterfracture在室温下将断后的两部分试样紧密对接在一起，保证两部分的轴线位于同一条直线上，测量试样断裂后的标距。3.4最大力（Fm）maximumforce（连续屈服的金属材料）试验期间试样所承受的最大的力。2T/CWAN0101—2024（不连续屈服的金属材料）在加工硬化开始之后，试样所承受的最大的力。3.5抗拉强度（Rm）tensilestrength相应最大力Fm对应的应力。3.6伸长(ΔL）elongation试验期间任一时刻原始标距的增量。3.7断后伸长率（A）percentageelongationafterfracture断后标距的残余伸长与原始标距（L0）之比，以%表示。3.8数字图像相关技术（DIC）digitalimagecorrelation数字图像相关技术又称数字散斑相关技术，是将试件变形前后的两幅数字图像通过相关计算获取感兴趣区域变形信息的技术。4符号表1给出了微细金属丝拉伸性能测试过程中所使用的符号及相应的说明。表1符号及说明L0LuLd0S0mm2FmNRmΔLA%m0gρ5测试系统和原理5.1DIC测试系统数字图像相关技术通过非接触式、基于视觉的全场测量方法对微细金属丝拉伸性能进行测量。DIC测试系统应由计算机、控制器、数码相机、LED光源和拉伸试验机组成，如图1所示。3T/CWAN0101—2024图1数字图像相关测试系统组成5.2DIC测试原理散斑可以用于分析物体的形变和变形，当物体受到外力或变形时，散斑图案也会发生相应变化。因此，可以分别在金属丝两端标距处贴上硬纸板，然后通过数码相机对金属丝拉伸过程中两块纸板的运动过程进行捕捉，如图2所示。由于纸板是整体发生位移变化，因此在拉伸试验结束后，在两块纸板上选取特定区域作为当前计算点的子区，可以间接计算出金属丝试样在拉伸过程中位移的变化。图2数字图像相关法计算位移原理6试样制备6.1试样的形状试样通常为产品的一部分，不经过机加工，如需要机加工应由供需双方协商确定试样的形状。6.2试样的尺寸6.2.1对于需要测定断后伸长率的微细金属丝试样，原始标距L0应取200mm±2mm或100mm±1mm。试验机两夹头之间的距离应至少为L0+20mm。4T/CWAN0101—20246.2.2如不需测定断后伸长率，两夹头间的最小自由长度可以为50mm。6.2.3当样品长度不能满足6.2.1和6.2.2要求时，由供需双方协商确定试样的原始标距和试验机两夹头之间的距离。6.3取样要求试样选取时应仔细观察，确保待测金属丝上不存在影响试验结果的机械损伤和弯折。如以盘卷交货的产品，可进行矫直。样品足够长时，试样应在距丝材头端300mm以上截取，当需要取多个试验时，每个试样间距不得小于300mm。6.4原始横截面积的测定原始横截面积的测定应准确到±1%。对于圆形横截面的产品，应在两个相互垂直方向测量试样的直径，取其算术平均值计算横截面积。可以根据测量的试样长度、试样质量和材料密度，按照公式（1）确定其原始横截面积：S0=1000*m0P*L(1)7试验程序7.1试样装夹将试样安装在试验夹具上，装配时要保持试样自由下垂且平直。必要时可对待测试样施加一定的预载荷以将其拉直，但预载荷大小不应超过试样最大力的5%。7.2散斑制备选取两块适当尺寸的方形硬纸板。散斑制作前应确保硬纸板表面平整干净，喷漆操作需要遵守相关的安全操作规范和环境保护要求。在合适的环境下，保持适当的喷漆距离和角度进行散斑制作。首先，将不反光白漆均匀覆盖于硬纸板表面；待白漆风干后，将不反光黑漆均匀且分散的叠加于白漆之上。待完全风干后对散斑进行观察，确保硬纸板仍然平整，且表面喷漆层厚度一致，斑点尺寸和分布均匀。7.3散斑质量检查待硬纸板表面油漆完全干燥后需检查散斑标记的质量和准确性。理想的散斑图案是高对比度、散斑点分布随机、散斑尺寸大小一致、且表面黑白分布密度等量。7.4硬纸板散斑放置待试样装夹到拉伸机并调试完成后，将硬纸板通过胶水粘在待测丝材样品上。为了方便后续计算样品的延伸率，应保证两块硬纸板中心线和两端标距位置重合，并且调整两块硬纸板的位置，保证两块硬纸板与数码相机在同一平面。由于DIC二维测试仅使用一台相机，因此必须保证待测区仅在平面内移动，并且确保两块纸板在拉伸前后始终在相机视野范围内。如果测试不符合上述原则，则需要进行调整。5T/CWAN0101—20247.5图像校准及采集频率在测试开始和施加载荷之前，需通过标定板校准DIC相机系统，如图1所示。将标定板放置在待测丝材附近相机视野中的任意方向，并在每个方向拍摄一幅图像（需要7幅以上这些图像用作DIC分析中的基准图像。标定完成后，在静止状态下拍摄几张照片进行计算，若计算的位移云图均匀且接近于0（或应变小于0.01%则说明标定成功。若无法形成均匀应变云图，则需要调整数码相机位置和角度或调节光照强度，对相机重新进行标定。试验过程中的采集频率参考微细金属丝材拉伸速率情况确定，通常为1-10fps。7.6子集和步长子集选取应尽可能覆盖硬纸板以降低试验误差。微细金属丝材在拉伸过程中位移的计算是以数据点为单位的，且这些数据点由步长分开，应在保证不影响后续特定数据点的前提下进行提取。子集和步长大小根据硬纸板尺寸进行设置。7.7拉伸试验拉伸试验机应按JJG139、JJG475、JJG1063要求进行检定，拉伸试验机分级应不低于1级。试验所用力值范围应在被检范围以内。试验应依据GB/T228.1规定对试样进行连续加载，在试样断裂时确定最大力Fm。7.8位移测量通过DIC软件对拉伸前后图像进行处理，得到图3示例所示的位移分布云图。计算后的图像应显示出近乎相同的颜色分布，以表明两块纸板是整体发生位移。(a)拉伸前（上部）;(b)拉伸后（上部）;(c)拉伸前（下部）;(d)拉伸后（下部）图3通过DIC计算出上/下纸板在拉伸试验开始/结束时的位移为了获得试样在拉伸结束后实际的伸长率，分别在上部和下部的网格上沿X方向选取一条直线（图3c和d中示例需保证所选取的直线与实际丝材中标距位置重合。根据网格大小可以在直线上得到一系列等间距的像素点，从而将丝材在拉伸过程中的位移变化等效为上下两部分直线在Y方向的6T/CWAN0101—2024相对位移，计算的位移数据精确到小数点后3位。通过DIC系统记录所选取直线在丝材拉伸试验前后相对原始位置的变化可以得出断后标距Lu，如图4所示。(a)上部(b)下部图4通过DIC计算的图3中所选直线在拉伸前后位移变化8试验结果根据公式（2）计算抗拉强度：(2)(2)根据公式（3）和公式（4）计算断后伸长率：(3)(4)ΔL=LuL(3)(4)×100%当出现下列情况之一者其试验结果无效，应重新试验。（1）试样断裂在标距段以外，造成性能不合格；（2）由于操作不当，出现试样打滑或机械损伤等影响试验结果准确性的情况；（3）测试过程中硬纸板发生非平面旋转或测试结果显示位移不均匀；9试验报告试验完成后应在报告中体现以下信息：a)依据标准名称；b)材料的类型；c)试样原始标距、试验速率；d)试样初始截面积，单位为mm2；e)最大力，单位为N；f)抗拉强度，单位为MPa；g)断后伸长率，单位为%。7T/CWAN0101—2024相同试验参数下应进行3次或以上重复试验以保证数据结果准确性，试验典型的