[发明专利]一种基于DIC应变观测的压痕实验装置和方法

说明书

本发明公开了一种基于DIC应变观测的压痕实验装置和方法，属于材料力学性能测试技术领域。包括DIC测量单元、精密压入单元、X轴定位单元、Y轴定位单元、Z轴定位单元和底座。所述Z轴定位单元、Y轴定位单元和DIC测量单元均安装在底座上；所述精密压入单元安装在Z轴定位单元上，所述X轴定位单元安装在Y轴定位单元上；所述精密压入单元包括压电促动器、激光位移传感器、载荷传感器和压头。本发明基于三维精准定位单元，可对试样压入变形前后同一区域的散斑图像进行采集，满足DIC的测量要求，实现对压痕变形区的应变分布和尺寸测量表征，结合载荷‑压入深度曲线，实现对材料力学性能和本构模型的精确测量，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于材料力学性能测试技术领域，具体涉及一种基于DIC应变观测的压痕实验装置和方法。

背景技术

压痕实验是采用控制位移或者控制载荷方法，将特定形状的压头压入待测试样一定的深度，记录整个实验过程中的载荷、压入深度和时间，进而获取材料力学性能的测试。相较于拉伸、压缩、扭转等传统材料力学性能测试手段而言，压痕实验具有操作方便、制样简单、测试结果丰富、微损伤等显著特点，被广泛应用于研究材料的力学性能，可实现在役设备材料力学性能的连续性监控，为在役设备的结构完整性评估提供了可靠的保障。

基于压痕实验测量得到的载荷-压入深度曲线，可以通过理论模型计算、有限元优化反求以及机器学习建模预测等方法初步确定材料的弹性模量、屈服强度、抗拉强度以及应变硬化指数等力学参量。然而，由于载荷-压入深度曲线所包含的力学信息较少，在进行有限元反求时，导致反求收敛困难，计算结果不唯一；在进行理论计算和机器学习预测时，导致计算结果的精度较差。因此，为了达到精准测量的目的，仍需要确定压痕弹塑性区尺寸和应变场分布等实验测量数据。

数字图像相关法(DIC)是一种行之有效的弹塑性应变测量与表征方法，但要求拍摄变形前后的散斑图像进行应变计算。目前常用的方法是图像采集前在试样表面人为设置定位标记点，再以标记点为基准点，对变形前后图像进行手工对齐，确保压入区域在每张图像中位置基本相同。上述方法依靠于人为标点和手工对齐，具有很大的误差和不确定性，其应变测量结果无法用于进行压痕弹塑性力学性能的精确测量。

综上，可以看出，研制具有载荷-压入深度曲线精确测量，同时能够满足DIC应变测量要求的压痕实验装置和方法依然是一个难点，也是急迫需要的。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种基于DIC应变观测的压痕实验装置和方法，克服解决现有技术的不足。本发明基于三维精准定位单元，对试样压入变形前后同一区域的散斑图像进行采集，利用DIC应变测量技术，对压痕弹塑性变形区的应变分布和尺寸进行测量表征，结合载荷-压入深度曲线，实现对材料力学性能和本构模型的精确测量。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种基于DIC应变观测的压痕实验装置，包括精密压入单元1、Z轴定位单元2、底座3、X轴定位单元4、Y轴定位单元5、DIC测量单元6；所述Z轴定位单元2、Y轴定位单元5和DIC测量单元6均固定安装在底座3上，所述精密压入单元1安装在Z轴定位单元2上，所述X轴定位单元4安装在Y轴定位单元5上。

所述精密压入单元1包括压电促动器衔接板11、Z轴滑台衔接板12、激光位移传感器13、位移测量板14、压头15、压杆16、载荷传感器17、压电促动器固定架18、压电促动器19；所述压电促动器衔接板11固定在Z轴滑台衔接板12上；所述压电促动器固定架18固定在压电促动器衔接板11上；所述压电促动器19固定在压电促动器18上；所述压电促动器19与载荷传感器17的一端连接；所述载荷传感器17的另一端与压杆16连接；所述压头15固定在压杆16上；所述激光位移传感器13安装在Z轴滑台衔接板12上；所述位移测量板14固定在载荷传感器17与压杆16之间。