基于显微压痕法的残余应力分布测试方法与流程

1.本发明涉及金属材料残余应力分布测试领域，更具体的说是涉及一种基于显微压痕法和图像识别技术的金属3d打印件残余应力分布快速测试方法。


背景技术：

2.金属3d打印成型过程中，材料会经历剧烈的温度循环变化过程，由此产生的热残余应力、形变残余应力和相变残余应力是导致成型精度下降，弯曲开裂，疲劳性能下降的主要诱因。如何提供一种行之有效的3d打印金属零件残余应力分布检测分析方法，为零件设计提供实验数据参考是优化3d打印结构设计迫切需要解决的问题。传统的盲孔法只能宏观的测定结构件残余应力值，无法表征尖端等局部应力值。x射线测定应力精度受到3d打印金属内部较高织构，晶粒尺寸粗细不均匀的制约。鉴于这些方法的应用存在一定的局限性，运用显微压痕法测试3d打印试件中的残余应力对于实际工程应用具有十分重要的意义。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供了一种基于显微压痕法和图像识别技术的金属3d打印件残余应力分布快速测试方法，测试过程属于微损测试，相关理论成熟，流程简单，可实现点分布的实际测量应用，结合计算机图像识别技术可显著提升实际压痕面积和对角线长度的测量精度和测量速度。
4.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种基于显微压痕法和图像识别技术的金属3d打印件残余应力分布快速测试方法，步骤如下：
6.获取待测材料强度系数σ0和应变硬化指数n；
7.对所述待测材料进行压制，获取压痕图像，记录每个压痕对应的维氏硬度值hv；
8.利用计算机自动提取模型算法提取压痕对角线长度，进而求得名义投影面积；根据实际显微压痕区域与周围区域存在的明显灰度差异的形貌特征，通过计算机图像识别对压痕内的灰度进行提取，得到实际压痕面积；进而得到实际压痕面积与名义投影面积的比值c2；
9.根据所述待测材料强度系数σ0、所述应变硬化指数n、所述维氏硬度值hv以及所述实际压痕面积与名义投影面积的比值c2，得到残余应力分布值。
10.优选的，所述计算机图像自动提取模型算法包括：在待测压痕外围取一矩形箱体，其上下左右的边界位于四个方向最远存在灰度差异处，所得箱体的长、宽即为压痕对角线长度，其中最小矩形箱体的宽和长即为实际压痕对角线长度d1、d2，进而求得名义投影面积a
nom
＝[(d1
×
d2)/2]2/2。
[0011]
优选的，通过计算机图像识别技术手动对压痕区域内的灰度进行提取具体如下，
[0012]
第一次提取后相同灰度的区域转变为红色，第二次在未转变颜色的压痕区域提取灰度，与第一次提取形成一个灰度区间，灰度区间内所有图像转变为红色，后续继续对压痕
区域内未变色部分进行灰度提取形成新的变色灰度区间，直到压痕区全部转变为红色，红色区域所包含的像素为实际压痕面积a。
[0013]
优选的，残余应力分布值的计算方法如下：
[0014]
计算残余应变值ε
res
，如下所示：
[0015][0016]
根据残余应变值，得到残余应力分布值，如下所示：
[0017][0018]
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于显微压痕法和图像识别技术的金属3d打印件残余应力分布快速测试方法，测试过程属于微损测试，相关理论成熟，流程简单，可实现点分布的实际测量应用，结合计算机图像识别技术可显著提升实际压痕面积和对角线长度的测量精度和测量速度。更进一步的，通常显微压痕法测残余应力采用用带标尺的金相显微镜测量压痕尺寸，然而压痕边缘受残余应力影响后会转变为圆弧形，导致测量难度增加，精度下降，面积计算复杂化。本发明方法根据压痕与周围区域存在明显灰度差的形貌特征，通过计算机图像识别技术自动提取关键参数实际压痕投影面积和对角线长度，避免了人工测量带来的误差，提升了测量效率和精确度。
附图说明
[0019]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0020]
图1附图为本发明的流程示意图；
[0021]
图2附图为本发明的计算机图像自动提取模型算法示意图。
具体实施方式
[0022]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0023]
本发明实施例公开了一种基于显微压痕法和图像识别技术的金属3d打印件残余应力分布快速测试方法，如图1所示，步骤如下：
[0024]
第一步：材料强度系数σ0和应变硬化指数n的获取。
[0025]
1.1采用与待测金属3d打印件相同的工艺参数和粉末制备矩形方块，然后加工成标准拉伸试样。
[0026]
1.2对拉伸试样进行拉伸试验得到应力应变曲线，根据应力应变曲线计算得到材料强度系数σ0和应变硬化指数n。
[0027]
第二步：对金属3d打印件测量区域进行压制，获取压痕图像。
[0028]
2.1确定金属3d打印件测量位置和方向，对测试平面测试区域划分成1mm*1mm的方格，采用维氏硬度计金刚石压头在每个方格内制造压痕，载荷为1kg。记录每个压痕对应的维氏硬度值hv。
[0029]
2.2采用金相显微镜在500
×
下记录每个方格内的压痕形貌图片。
[0030]
第三步：实际压痕面积a和压痕对角线长度d的自动提取。
[0031]
3.1根据维氏硬度计金刚石压头的形貌特征，其压痕图像最小矩形箱体的宽和长即为实际压痕对角线长度d1、d2。其计算机图像自动提取模型算法如图2所示，即在被测压痕外围取一矩形箱体，其上下左右的边界位于四个方向最远存在灰度差异处，所得箱体的长、宽即为压痕对角线长度，进而求得名义压痕面积a
nom
＝[(d1
×
d2)/2]2/2。
[0032]
3.2根据实际显微压痕区域与周围区域存在明显灰度差异的形貌特征，通过计算机图像识别技术手动对压痕区域内的灰度进行提取，第一次提取后相同灰度的区域转变为红色，第二次在未转变颜色的压痕区域提取灰度，与第一次提取形成一个灰度区间，该灰度区间内所有图像转变为红色，后续继续对压痕区域内未变色部分进行灰度提取形成新的变色灰度区间，直到压痕区全部转变为红色，该红色区域所包含的像素为实际压痕面积a。利用标尺在图像中进行定标，即可将实际压痕面积单位从像素转化为mm。进而得到实际压痕面积与名义投影面积的比值c2。
[0033]
第四步：计算残余应力分布值。
[0034]
4.1根据基于压入响应和弹塑性接触理论的压痕法测量残余应力，求出残余应变值ε
res
，如下所示：
[0035][0036]
根据残余应变值，得到残余应力分布值，如下所示：
[0037][0038]
具体的，本实施例中，激光快速成形(lsf)in718合金残余应力分布
[0039]
(1)lsf in718合金拉伸试验
[0040]
将lsf in718合金加工成标准拉伸试样，在万能试验机上进行室温拉伸试验，得到in718合金的应力应变曲线，通过曲线拟合计算得到强度系数σ0＝976.33，应变硬化指数n＝0.25。
[0041]
(2)lsf in718合金压痕采集
[0042]
对lsf in718合金待测区域进行机械抛光，采用较低的磨盘转速，避免磨抛破坏原有应力场分布。采用维氏硬度计以合适的载荷在抛光面x、y方向上每隔200μm制造压痕。运用金相显微镜在500
×
下记录压痕形貌。
[0043]
(3)实际压痕面积和压痕对角线长度的测量
[0044]
将压痕金相照片导入软件，利用压痕与周围图像的灰度差异，自动提取实际压痕面积a和压痕对角线长度d1、d2。
[0045]
(4)数据汇总与处理
[0046]
根据实际压痕面积a和压痕对角线长度d1、d2，可以计算得到显微硬度h、压痕实际投影面积a与名义投影面积anom的比值c2。代入公式1,2计算得到各个位置的残余应力。其残余应力分布如图所示，搭接区的残余应力高于非搭接区，与理论结果一致。
[0047]
在另外一个实施例中，流量计焊缝处残余应力分布
[0048]
(1)焊接接头拉伸试验
[0049]
按gb/t 2651
‑
2008进行室温拉伸试验，得到材料焊接区域的应力应变曲线，通过曲线拟合计算得到强度系数σ0＝608，应变硬化指数n＝0.21。
[0050]
(2)待测区域压痕采集
[0051]
对焊缝待测区域进行机械抛光，采用较低的磨盘转速，避免磨抛破坏原有应力场分布。用硝酸酒精侵蚀处焊缝后，将焊缝区域划分成如图所示1
×
1mm方格，采用维氏硬度计以1kg载荷在每个方格内制造压痕。运用金相显微镜在500
×
下记录压痕形貌。
[0052]
(3)实际压痕面积和压痕对角线长度的测量
[0053]
将压痕金相照片导入软件，利用压痕与周围图像的灰度差异，自动提取实际压痕面积a和压痕对角线长度d1、d2。
[0054]
(4)数据汇总与处理
[0055]
根据实际压痕面积a和压痕对角线长度d1、d2，可以计算得到显微硬度h、压痕实际投影面积a与名义投影面积anom的比值c2。代入公式1,2计算得到各个位置的残余应力。其残余应力分布如图所示，焊缝区靠垫板区域应力最高，靠近母材区应力较低。
[0056]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0057]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。