基于断前轮廓的金属圆棒试样断后伸长率自动检测方法

本发明涉及金属材料力学性能测试，具体涉及基于断前轮廓的金属圆棒试样断后伸长率自动检测方法。

背景技术：

1、断后伸长率是反映金属材料力学性能的重要指标，是实际工程设计和材料选择的重要依据。gb/t228.1-2021《金属拉伸室温试验方法》规定了断后伸长率的手动测量测定方法。但是，手动测量需要对试样原始标距进行标记，并且利用卡尺等工具手动测量断后拼接试样的标记点距离，不可避免引入人为误差，测量结果波动较大，而且测量过程繁琐，测量效率较低。现有技术对金属材料试样断后伸长率进行测算时，由于金属材料断后试样断口不均匀平齐，试样断口并不能完美严密拼接，从而影响了标记点距离的测量精度；当合金材料发生断裂时，将产生剧烈的弹性回复，回弹后装夹试样的位置均发生较大变化，应用光学手段在线捕捉断后试样图像信息是非常困难的，由此导致断后伸长率在线自动测量难以实施；此外，由于金属试样断口位置随机变化，且断口位置对于断后伸长率影响较大，需要根据断口位置判断是否对断后伸长率进行修正，这也限制了断后伸长率的自动测量。因此，针对金属试样断后伸长率，如何降低仪器设备和人为的误差，且能够实现快速在线精确测量，目前面临着诸多技术难题。

技术实现思路

1、为了解决上述技术难题，本发明提供了基于断前轮廓的金属圆棒试样断后伸长率自动检测方法，它包括如下步骤：

2、(1)以金属圆棒为试样，再将试样加工成哑铃型试样,由螺旋测微器或游标卡尺测量获取试样原始标距直径，定义为b0，由光学视频装置测量试样标距两端的标记点距离获取标距长度为l0；试样原始标距范围内的体积定义为v0，通过材料试验机进行试样单轴拉伸试验并记录开始拉伸至断裂时刻的载荷与标距延伸量，其中断裂前一帧对应的载荷定义为fu和标距延伸量定义为dlu，并采用光学视频装置测量试样断裂前一帧的沿轴线方向的外轮廓几何信息；

3、(2)试样的弹性模量e计算公式为

4、

5、其中，dl1和dl2分别为试样弹性段内的极限应力的20％-80％中任意两点对应的标距延伸量，f1和f2分别为试样弹性段内的弹性极限应力20％-80％区间中任意两点对应的载荷；

6、(3)通过处理步骤(1)外轮廓几何信息获得试样断裂前一帧沿轴线方向所有点直径，其中最小直径值设定为y0，将最小直径值对应的点定义为断裂点位置，该点轴线坐标定义为坐标原点，即x0＝0；

7、(4)断裂前一帧标距长度定义为lu，其中lu＝l0+dlu，将标距长度lu沿轴线方向上平均分为n份，则每份长度定义为a，

8、(5)在断裂点左侧试样沿轴线方向除左侧标记点之外的任意一点i的轴线坐标为xi＝i·a，断裂点左侧试样共有m个点，其中i＜m，再通过处理步骤(1)外轮廓几何信息获得i点的直径yi，同时，相应断裂后回弹的任意一点i对应的轴线坐标、直径分别定义为xi和yi，设定左侧标记点为m,该点轴线坐标为xm和直径ym，相应断裂后回弹后m点对应的轴线坐标、直径分别定义为xm和ym,其中断裂点回弹后对应的轴线坐标x0＝0；

9、(6)在断裂点右侧试样沿轴线方向除右侧标记点之外的任意一点j的轴线坐标为xj＝j·a，断裂点右侧试样共有n个点，其中j＜n，再通过处理步骤(1)外轮廓几何信息获得j点的直径yj，同时，相应的断裂后回弹的任意一点j对应的轴线坐标及直径分别定义为xj和yj，设定右侧标记点为n，该点轴线坐标为xn和直径yn，相应断裂后回弹后n点对应的轴线坐标、直径分别定义为xn和yn；

10、(7)步骤(5)所述的xi和yi计算公式分别如下，其中1≤i＜m，μ为泊松比：

11、

12、步骤(6)所述的xj和yj计算公式如下，其中1≤j＜n，μ为泊松比：

13、

14、步骤(5)所述的左侧标记点xm计算公式如下:

15、

16、步骤(6)所述的右侧标记点xn计算公式如下:

17、

18、(8)步骤(5)所述的断裂点左侧试样回弹体积vm计算公式如下：

19、

20、步骤(6)所述的断裂点右侧试样回弹体积vn计算公式如下：

21、

22、试样回弹体积vu计算公式如下：

23、vu＝vm+vn                         (10)；

24、(9)根据塑性变形体积不变原理，试样标距范围内弹性完全回复后的体积vu应等于原始标距范围内体积v0，但由于试样轮廓图像采集会存在误差，结果是试样直径测算值与直径实际值存在偏差，即vu与v0具有一定偏差，将步骤(5)对应的直径yi、步骤(6)对应的直径yj、步骤(3)对应的直径y0进行相关修订后，分别获得yi′、yj′、y0′：

25、

26、然后重复步骤(7)和(8)，直至所述的v0与vu的比值为0.975～1.025，则结束上述计算；

27、(10)当并且时，金属圆棒试样断后伸长率定义为a，它的计算公式为：

28、

29、(11)当时，步骤(8)所述的vm为：

30、

31、当j从1开始，断裂点右侧试样从断裂点至j点的弹性回复后体积定义vj，vj的计算公式为

32、

33、以断裂点为中心，试样右侧与左侧标记点呈镜面对称的点定义为n′，n′点与试样右侧标记点间的中心点定义为n″；当vj≥vm，则此时n′＝j，当则此时n″＝j；鉴于移位法，金属圆棒试样断后伸长率a计算公式如下：

34、

35、(12)当时，步骤(8)所述的vn为：

36、

37、当i从1开始，断裂点左侧试样从断裂点至i点的弹性回复后体积定义vi，vi的计算公式为

38、

39、以断裂点为中心，试样左侧与右侧标记点呈镜面对称的点定义为m′，m′点与试样左侧标记点间的中心点定义为m″；当vi≥vn，则此时m′＝i，当则此时m″＝i；鉴于移位法，金属圆棒试样断后伸长率a的计算公式如下：

40、

41、与现有技术相比，本发明的有益效果：

42、(1)本发明仅采用配备光学测量装置的材料试验机采集金属圆棒试样断前一帧的外轮廓几何信息及标距伸长量和载荷，能够在试样拉伸试验结束时自动计算输出断后伸长率，省略了断后试样拼接固定、手动或光学二次测量等常规复杂操作，并对断前一帧试样轮廓图像采集精度进行了修正，提高了测量精度、测量效率、自动化程度以及节约了成本；

43、(2)本发明严格执行gb/t228.1-2021规定的断后伸长率测量方法，能够根据试样断口位置自动实施移位法的判断条件，且避免了常规移位法的试样标距刻度制作等环节，移位法计算精度和测量效率高，测量可靠性得到保证。

44、(3)本发明采用断前一帧的金属圆棒试样轮廓图像信息，有效克服了现有技术的如下问题：一是金属材料断后试样断口不均匀平齐，无法准确捕捉拼接试样标记点距离，从而影响测量精度的问题；二是当试样断裂时，由于剧烈弹性回复导致装夹试样位置变化，光学手段难以在线精确获取试样的图像信息。从而实现了金属圆棒试样断后伸长率的在线自动精确测量。