基于数字图像相关法的H340LAD_Z高强度钢屈服行为研究

尤威 梁晋 梁瑜 刘烈金 郭楠

摘 要：针对金属材料在屈服阶段塑性变形比较复杂且难以准确测量的问题，提出一种基于数字图像相關法的光学方法来测量H340LAD_Z高强度钢的塑性演变行为。设置拉伸速度为1 mm/min，试件厚度为1 mm，以平行轧制方向拉伸试件，获取试件全场全过程变形数据；通过分析对比试件在屈服阶段的关键点位移及全场应变云图，获得该试件的塑性变形演化规律及屈服阶段的开始与终了时刻。实验结果表明：试件的演变行为从斜两侧向中间转移，塑性变形不均匀；从颈缩到断裂过程，不同关键点工程应变差异大。因此，该方法对研究金属材料的塑性理论及工业应用具有积极的指导意义。

关键词：屈服行为；塑性变形；数字图像相关法；演变规律

文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2017）12-0119-05

Abstract： Aiming at the problem that the plastic deformation of metal material is complex and difficult to be measured accurately in the yield stage， an optical method based on digital image correlation is proposed to measure the plastic evolution of H340LAD_Z high-strength steel. Setting the stretch speed is 1 mm/min， specimen thickness is 1 mm， stretching the specimen in parallel to the rolling direction to obtain the whole-process deformation data of the specimen. By analysing and comparing the key point displacement and the full-field strain cloud chart of the specimen in the yield stage， the evolution law of plastic deformation and the beginning and end time of the yield stage of the specimen are revealed. The test results show that the evolution behaviour of this specimen transfers from both sides to the middle and the plastic deformation is inhomogeneous. From austerity to fracture， the engineering strain of different key points is differont. Therefore， this method has a positive guiding significance for studying the plasticity theory and industrial application of metal materials.

Keywords： yield behavior； plastic deformation； digital image correlation； evolution law

0 引 言

因H340LAD_Z高强度钢具有良好的塑性成形性能、小的变形抗力、优良的抗腐蚀性能，广泛应用于重型机车、轮船和火箭等设备[1]。为充分利用其塑性成形能力，必须准确判定出材料的机械性能。屈服阶段是介于弹性阶段和强化阶段的过渡阶段，塑性演变发生在这个阶段，而通过研究材料的塑性演变，来揭示塑性成形机理，从而判断材料的机械性能是非常有意义的。这为产品的设计制造提供了可靠的数据，在建立材料的本构模型和改进有限元仿真的准确度上也具有理论和实际意义。

目前，测量金属材料流动特性的传统方法是单向拉伸测试。使用固定在试件指定位置的应变片或引伸计来获得位移值，但只能获得平均位移或单点在某个方向上的位移[2]。众所周知，不同的点有不同的位移值，尤其是在颈缩出现之前会有较大的变形。因此，需要有一种动态全场测量的方法获得位移，以便评估机械性能。

数字图像相关法（DIC）[3-4]是一种光学非接触式方法，在物体的整个变形过程中，使用相机以一定的帧率来采集图像，通过对比变形前后两幅散斑图像的相关性来获得全场变形。由于具有操作方便、受环境影响小、能全场测量、高精度等优点，基于DIC的变形测量系统广泛应用于机械性能测试。孙涛等[5]介绍了一种基于DIC的变形测量系统，用来评估铜铝合金的机械性能。Krishnan等[6]用全场变形数据，研究了薄板的离散/局部颈缩现象，用应力应变场分析了金属流动和断裂行为。唐正宗等[7]利用数字图像相关法的分段匹配方法获取高分子材料高于450%应变的大变形测量。李润娟等[8]采用氩弧堆焊实验与基于数字图像相关法的测量系统测量板料焊接和冷却过程，获得板料实时全场的变形规律。

结合传统的机械试验，DIC方法成功地应用于金属材料的全场全过程变形测量中，能获得位移场数据，为确定金属的塑性变形规律和机理提供可靠的基础。本文提出了一种基于3D DIC技术的动态全场变形测量方法，监测高强度低碳钢的单向拉伸变形行为，重点研究试件在屈服阶段塑性演化规律。

1 DIC法和实验方案

1.1 DIC的关键技术

数字图像相关技术的基本原理如图1所示。首先，在被测物体表面人工涂布随机散斑，物体在外载荷作用下变形的同时，左右相机分别以一定频率拍摄整个变形过程的图像；然后，根据精度要求，按照文献[9]设置子区大小与步长（如图1（a）所示）；最后，利用变形子区与未变形子区的相关性跟踪并计算变形位移（如图1（b）所示），是数字图像相关法中的关键环节。

在参考图像中，取以待匹配点（x0，y0）为中心的（2M+1）×（2M+1）大小的矩形作為图像子区，在变形图像中，通过一定的搜索方法，寻找与参考图像子区相似程度最大且以（x′0，y′0）为中心的变形图像子区，则点（x′0，y′0）即为点（x0，y0）在变形图像中的对应匹配点，同理可获得其余变形图像中子区的对应点。对于三维DIC测量，除了对每一个相机采集的变形图像进行时序匹配，还需要结合两个相机对同一变形状态下的两张图像通过三角测量原理进行立体匹配。通过三维重建后的变形点坐标与未变形图像中参考点的坐标之差即为待测点位移。重复这一过程，即可得到物体表面全场的位移。

在衡量变形和非变形图像子区的相似程度时，需要使用相关系数。为了完成全场图像匹配，通过计算相关系数的极值来获得映射函数的参数。因图像子区使用最小平方和系数准则来评估图像子区的相似程度，其公式为

CSSD=■[f（xi，yi）-r0-r1·g（x′i，y′i）]2

式中：f（xi，yi）、g（x′i，y′i）——在未变形子区的点（xi，yi）和变形子区的点（x′i，y′i）的灰度值；

r0、r1——用于补偿由于光照不均匀引起的灰度值差异的系数。

1.2 单向拉伸测试

采用与轧制方向平行的标准拉伸试件，拉伸速度为1 mm/min，试件厚度为1 mm，表面人工喷涂黑白散斑图案。试验机采用RGM4100型电子万能材料试验机，应变测量装置采用本实验室自主研发的XJTUDIC测量系统。三维测量装置如图2所示，主要包括两个相机（acA 1 600-20 gm，1624×1236像素和8 mm的焦距）、照明装置（LED）、三角架、控制箱、计算机等，相机采集图像频率为2幅/s，将所有图像导入后处理软件进行全场变形位移和应变计算。由于试件中间位置变形量较大，使得相关性太低而无法继续匹配，因此，在试件标距内上下两端各设置一个种子点，以保证试件中间位置停止匹配后，两端变形子区能继续匹配。文献[10]利用本系统对Q235板状试件进行了标准拉伸实验，并固定标距为50 mm的引伸计进行精度验证和对比，得到本系统的应变测量准确度为0.5%，与引伸计准确度相当。

2 实验结果和分析

2.1 工程应力-应变曲线

选择感兴趣的区域进行计算，但因边缘部分的图像子区需相邻区域提供数据，所以无法计算出试件边缘数据。基于以上计算原理和算法的局限性，研究机械性能和屈服演变，获得了工程应力应变曲线。

用3个形状、大小均相同的标准试件进行3次测试，平均工程应力应变曲线是用每个试件标距内的6个关键点（如图3所示）的平均应力绘制。如图4所示，分别进行3次实验对应的3条平均工程应力应变曲线差异较小，屈服极限和强度极限非常接近，表明实验比较稳定。因此，取1号试件的测量区域中间位置的6个关键点，分别绘制每一个点的工程应力应变曲线（如图5所示）。在达到强度极限之前，屈服强度和拉伸强度基本一致。在强化阶段后，出现颈缩，伴随着工程应力的增加，工程应变变化明显。例如，关键点1在试件发生断裂之前应变约为20%，而关键点3则超过50%。因此，研究试件标距内全场位移及应变变化规律，对研究金属的流动性能具有重要的意义。

2.2 位移变化规律

试件在标距内由上而下依次选择6个关键点，图6为关键点在试件上的位移随时间变化的曲线。从图中可以看出对应的关键点位移变化趋势一致，在弹性变形阶段，不同位置的关键点位移变形曲线呈线性，说明各点的变形速率基本一致；屈服阶段是弹性变形向塑性变形的过渡阶段，在屈服阶段（两条黑色垂直线之间，即89～128 s区间），每个方向上关键点的位移曲线逐渐分散；塑性变形阶段，位移曲线持续分散，但在450 s之前，位移曲线呈线性增长趋势，说明此阶段为均匀塑性变形区。

试件中间关键点（点3）的位移曲线近似线性，说明其变形速率均匀，越向两端的关键点，位移曲线的斜率变化越大，说明其变形速率发生变化，不同位置的点变形并不相同。关键点6的变形量最大，向上依次递减，关键点1的变形量最小，由于试验机上夹具固定，下夹具运动，变形趋势符合实际拉伸情况。

图7为关键点屈服阶段放大的变形位移曲线，可以看出，屈服刚开始时，所有关键点的位移曲线均近似处于水平方向，明显有别于弹性阶段的斜线。随后在整个塑性演变过程中，试件的关键点变形并没特定规律，表现出不同的变形速率。

图8给出了屈服阶段内各个点的工程应变随时间的变化趋势，可以看出不同位置的点并不是同时进入屈服阶段的。点1屈服时，其他点可能还在弹性阶段，点4是最后进入屈服阶段的。屈服之后要进入均匀塑性变形阶段，曲线又逐渐趋于水平。点4接近试件中间位置，点2和点6，点3和点5的曲线基本一致，表明它们关于点4对称。

2.3 全场塑性演变规律

图9列出了屈服阶段5个时刻的工程应变场图。蓝色区域代表初始未变形区域，绿色、黄色、红色代表不同并逐渐增加的应变值，相应的区域发生的变形程度逐渐增大。屈服开始阶段，计算区域应变首先从左上角和右下角同时开始变大，随着屈服时间的增长，应变逐渐增大的同时，应变区域逐渐增大并向试件中间位置扩张，未变形区域（蓝色）越来越小。说明随着屈服时间的增长，试件的演化方向是逐渐从斜两侧向中间过渡。

3 结束语

本文通过对数字图像相关法基本原理及关键技术的研究，采用XJTUDIC应变测量系统结合单向拉伸试验机，测量H340LAD_Z钢试件全场变形位移及应变。通过对3个试件屈服阶段的开始时间、屈服极限、关键点位移变化规律、全场应变演化规律等方面的研究，得出以下结论：

1）基于数字图像相关法的非接触变形测量方法能够直观、动态、方便的测量拉伸变形，获取全场的变形数据为研究材料屈服阶段塑性变形演化规律提供可靠的依据。

2）在弹性阶段、屈服阶段和强化阶段，不同位置处的关键点的工程应变差异不大，但是从颈缩到断裂却有极大的差异；在屈服阶段内，试件的塑性变形演化方向为自斜向两端向中间靠拢，塑性阶段全场变形不均匀。

参考文献

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[8] 李润娟，王登峰，郭楠. 板料焊接变形测量的数字图像相关法应用研究[J]. 中国测试，2015，41（7）：33-36.

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（编辑：李妮）