一种微米尺度下孔洞变形的应变集中度的表征方法

技术领域

本发明属于高温合金叶片孔洞变形识别技术领域，特别是一种微米尺度下孔洞变形的应变集中度的表征方法。

背景技术

近年来，镍基单晶高温合金叶片因为内部损伤积累，引发再结晶使得材料性能大幅下降而提前失效直接或间接导致人员伤亡，经济损失的例子。为了有效避免这种情况，需要提前对材料的受损状态以及再结晶倾向进行研究，找到引发再结晶所需要的最小应变集中程度。

基于传统的变形损伤以及再结晶问题还停留在极显微尺度下的材料和性能表征，包括强化相表征，位错组态观察，在表征过程中存在耗时长，结果局限，测量信息不够全面而不能够得到样品的的整体结构动态信息，进而导致在后续热处理过程中构件整体的再结晶现象和用于微纳表征的样品微观结构不能直接联接，这使得再结晶行为的预测和评估不具备工程实用性。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

本发明提出了一种微米尺度下孔洞变形的应变集中度的表征方法，依托于DIC图像识别技术，通过含孔样品的塑性变性实验，提出应变集中度的概念，依托热处理回复实验建立再结晶行为与局部应变集中度的数据库。通过不同镍基高温合金数据库的建立，能够在实际工程中对于材料失效提前预测发挥重要作用，对于结构损伤识别和再结晶行为判定有极大的帮助作用，能够使得应变集中度能够用于预测和评估变形构件的损伤程度以及后续热处理再结晶行为的判定，建立应变集中度和再结晶行为的数据库，从而达到结构损伤程度判定，可修复性评估以及再结晶行为的预测的三种目的。

微米尺度下孔洞变形的应变集中度的表征方法包括以下步骤：

步骤S1，对含孔样品施加塑性变形，利用光镜或扫描电子显微镜分别对样品的表面形貌进行图片拍摄和分析区域(region of interest，ROI)选取，得到含孔样品变形的ROI时序图像；

步骤S2，对所述时序图像进行相关性分析得到ROI应变数据；

步骤S3，对所述应变数据进行应变集中度计算，得到含孔样品的ROI应变集中度函数，从而进行损伤位置和损伤程度判定；

步骤S4，对损伤程度评估后的含孔样品进行热处理实验，利用EBSD观察ROI区域内的再结晶行为，建立再结晶行为和应变集中度的关系。

所述的方法中，所述步骤S1中，得到含孔样品变形的ROI时序图像包括以下步骤：

步骤S11，对含孔样品进行抛光以及散斑制备，在整个表面形成满足预定衬度的观测区域，施加塑性变形后，利用光镜或是扫描电子显微镜选择ROI区域并拍摄变形过程中含ROI区域的时序图片或是视频。

所述的方法中，所述步骤S2中，对ROI进行相关性分析得到孔洞周围区域的应变数据包括以下步骤：

步骤S21.对所述ROI区域进行绝对坐标建立，获取初始孔洞区域图像和不同时刻变形后孔洞图像周围的灰度值I(x,y),D(x,y)矩阵；

步骤S22.对两幅图像进行相关性处理，计算时序图像的相关性C：

在式中，B为孔洞周围子区面积，x,y为图像的像素坐标；u，v为变形前后同一区域的位移变形，I和D分别为初始位置和变形后的图像像素值矩阵，使得C(u，v)取极值得到变形为区域位移值；

步骤S23，为得到ROI的应变值还包括以下步骤：

步骤S231，对所得ROI区域位移值进行处理提取，得到应变数据E

式中u，v为变形前后同一区域的位移变形，E

所述的方法中，所述步骤S3中，对所述应变数据进行角相关应变集中度分析包含以下步骤：

步骤S31.以孔洞为中心，在不同角度Φ分别得到K

式中E

通过在不同角度Φ取值计算K值，得到应变数据E

所述的方法中，步骤S4中，对于变形的含孔样品进行抛光以及相应热处理实验，结束后观察区域内的再结晶行为，对比含孔样品局部的应变集中度信息，并最终得到含孔样品的应变集中度和含孔样品再结晶行为的关系。

所述的方法中，所述孔洞尺寸为微米级。

所述的方法中，所述含孔样品为单晶体系合金。

所述的方法中，所述含孔样品为镍基单晶高温合金叶片。

有益效果

本发明基于DIC技术的图像相关性识别方法，联合力学加载系统能够实现微米尺度下的塑性变形过程的宏观应变集中度分布，尤其是对于含孔洞样品的表征。可以对于易变形积累的孔洞周围进行应变集中度测量，能够更加全面的评估材料在变形之后的损伤程度。甚至在后续的热处理实验中，通过不同变形区域的再结晶行为最终建立起再结晶行为和应变集中度的关系，能够迅速而准确的增加材料损伤评估和再结晶行为预测，以此来进行工程上的构件更换修复决策指导。更重要的，这一判定模式并不局限于镍基单晶高温合金，对于其他单晶体系合金，通过建立变形之后的应变集中度识别和再结晶行为的数据库，同样能够适用。

相比于传统的完全微观表征技术，本方法具有非接触式表征的最大优点，能够在不破坏样品或是构件的前提下进行结果提取，除此外本方法还能够更加快速实现样品的局部区域受损程度表征，同时表征尺度更加贴紧工程应用，具有更好的实用性。最后一点是该方法的可移植性，对于受损程度的判断，以及再结晶行为的研究并不仅局限于本实验所用单晶样品，其他对单晶结构有特殊要求的其他材料，在建立相应应变集中度和再结晶行为数据库后，也能够方便快捷的投入实际应用，极大地增加材料损伤评估和在结晶行为预测的目的。

附图说明

图1为本发明变形前孔洞图像示意图；

图2是进行单轴拉伸实验以及DIC分析前需要对样品进行散斑处理所实现的衬度效果；

图3是变形后对图像进行E

图4为对样品同一孔洞进行的E

图5是样品经过热处理后的孔洞再结晶行为的结果。

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各附图并不构成对本发明实施例的限定。

如图1至图5所示，微米尺度下孔洞变形的应变集中度的表征方法包括以下步骤：

步骤S1，对含孔样品进行单轴拉伸变形实验，利用光镜或是扫描电镜对样品的表面形貌进行图片拍摄，得到含孔样品ROI变形的时序图像；

步骤S2，对所述时序图像进行相关性分析得到ROI的应变数据；

步骤S3，对所述应变数据进行角相关应变集中度分析，得到ROI的应变集中度函数；

步骤S4对于变形的含孔样品进行抛光以及相应热处理实验，结束后观察ROI区域内的再结晶行为，对比ROI区域的应变集中度信息，并最终得到含孔样品的应变集中度和含孔样品再结晶行为的关系。

所述的方法的优选实施方式中，所述步骤S1中，得到含孔样品变形后ROI的时序图像包括以下步骤：

步骤S11，对含孔样品进行抛光以及散斑制备，在整个表面形成满足图片时序分析的衬度的观测区域，效果见图2图片内黑白像素区域随机分布，两者所占面积比约为1:1为最佳，选取观测区域(region of interest，ROI)，应包含材料本身孔洞以及孔洞周围多倍孔洞尺寸区域，本实验为(80μm*100μm)。

所述的方法的优选实施方式中，所述步骤S2中，对所述时序图像进行相关性分析得到孔洞周围区域的应变数据包括以下步骤：

步骤S21.对所述ROI区域进行绝对坐标建立，获取初始孔洞区域图像和不同时刻变形后孔洞图像周围的灰度值I(x,y),D(x,y)矩阵；

步骤S22.对两幅图像进行相关性处理，计算时序图像的相关性C：

在式中，B为孔洞周围子区面积，x,y为图像的像素坐标；u，v为变形前后同一区域的位移变形，I和D分别为初始位置和变形后的图像像素值矩阵，使得C(u，v)取极值得到变形为区域位移值；

步骤S23，为得到不同区域的应变值还包括以下步骤：

步骤S231，对所得不同位置的区域位移值进行处理提取，得到应变数据E

式中，E

所述的方法的优选实施方式中，所述步骤S3中，对所述应变张量进行应变集中度分析包含以下步骤：

式中E

通过在不同角度Φ取值计算K值，得到应变数据E

如图3中显示了Φ＝0°对E

所述的方法的优选实施方式中，所述步骤S4中，对变形样品进行合金标准热处理，并进行EBSD结果，观测孔洞附近再结晶行为，得到再结晶和未再结晶区域的分界线，如图5所示。通过比对再结晶和未再结晶行为与应变集中度的关系，可以得出在本实例中，临界再结晶的应变集中度值为3，在本合金的单轴拉伸变形过程中，当孔洞周围的应变集中度大于3，经过标准热处理后就会发生再结晶，如图4、图5示意。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的，在需要其他变形方式的实验或是需求中，通过处理不同的应变数据对应的应变集中度K，结合热处理回复后的再结晶行为即能得到含孔样品能否发生再结晶判别依据，不再需要长时间细致的微观结构分析，能够在保证准确性的同时节省大量时间。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。