2000度超高温下材料三维应变测量

　　在航空航天、能源和化工等工业领域，许多机件是在高温下长期服役的，如发动机、锅炉设备等，它们对材料的高温力学性能提出了很高的要求。高温力学性能是指高温下物料因抵抗外力作用而产生各种变形和应力的能力。正确地评价材料、合理地使用材料、研究新的耐高温材料，为上述工业发展和材料科学研究的主要任务之一。

　　数字图像相关法dic测量方案

　　数字图像相关测量方法DIC是一种非接触式变形测量方法，它使用相机分别记录下被测试件表面变形前后的灰度信息，然后通过软件处理图像信息，以得到所需的应变场。

　　DIC方法具有实验设备和过程简单、能实现全场测量、对测量环境和隔振要求低等优点，尤其适用于复杂极端环境下的力学测试。

　　采用新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，通过对高温环境下材料的形貌、变形、应变的同步测量，可以获取材料因高温引起的表面形状变化，揭示材料失效过程，并能定量给出失效的临界温度和应变范围。

一种典型的DIC测量系统示意图

　　误差影响与改进措施

　　数字图像相关法DIC和任何测量过程中一样，误差会影响测量数据，每次新的测试都需要估相对应的不确定性，处理好与测试和后处理相关的误差来源，并尽量减轻这些误差，以使位移测量更加可靠。

　　在高温材料力学测试中，设备、环境和操作等因素容易引起测量误差，其可能的影响因素为：

　　1、高温散斑的质量，会直接影响DIC软件的运算结果；

　　2、温度升高导致试件本身的热膨胀，引起变形测量误差；

　　3、材料试件升温产生的红光，对图像采集有一定影响；

　　4、测试舱内空气在高温条件下导致材料表面氧化，对图像采集造成影响。

　　针对上述高温测试影响因素，为降低测量误差，新拓三维技术工程师通常会根据实际测试环境，对应采用以下改进措施：

　　1、制作对比度高、分布均匀的高质量散斑，提升辨识度；

　　2、高温阶段保持一段时间，待热膨胀变形稳定后加载，消除热膨胀引起的误差；

　　3、加装窄带滤光、干涉片，蓝光LED灯补光，消除高温产生红外干扰，实现高质量散斑采集；

　　4、适当抽取舱内空气降低压强，降低空气氧化的影响；

　　数字图像相关法DIC可以应用于高低温实验，但主要局限在800摄氏度以内的测量，对于超高温（直到3000度）的测量基本上还面临困难。

　　新拓三维XTDIC非接触式三维光学应变测量系统，采用自主研制的特殊技术散斑制备方法，结合多种窄带滤光、干涉片，清晰采集高温散斑图案，可实现3000摄氏度的高温全场应变测量。

　　复合材料高温拉伸

　　复合材料作为耐高温、烧蚀材料，经常用于发动机喷管喉衬、扩张段、燃烧室、燃气阀、进气道等关键防热构件，其工作温度在1500～3500℃，甚至更高。

　　由于引伸计自身材料的热膨胀，试样与引伸计之间会产生滑动，导致误差增大，且试样工作时需通电加热。因此，采用非接触式DIC测量技术，可解决隔热、绝缘问题，可全面准确地了解复合材料的高温力学性能。

图：碳碳复合材料600度拉伸

　　薄板高温焊接

　　高强度薄壁件在船舶、汽车、飞机等领域广泛应用，薄壁件刚度比较低，焊接易引起弯曲变形、角变形、失稳变形等。传统接触式测量方法多是单点单方向的测量，无法直观分析整体变形趋势。

　　由于变形的复杂性，理论数值模拟技术难以准确预测实际变形情况。基于数字图像相关技术，获取薄板焊接过程中全场变形数据，分析变形规律、优化焊接工艺，为数值模拟提供数据支撑。

　　圆筒高温焊接

　　高强度管线钢广泛应用于油气管道（特别是天然气）的运输，由于管道是一种典型的焊接结构，焊缝及靠近焊缝的母材及热影响区不可避免地存在各种形式的焊接缺陷，如裂纹、气孔、夹渣、未焊透、未熔合等。

　　采用基于数字散斑相关技术的非接触测量手段，获取管道焊缝位置全场变形分布，研究管道在焊接过程中的变形机制及力学行为，最大限度地利用管道的变形能力，确保管道在地震带、断层横移、滑坡和永冻带等复杂服役环境下安全稳定运行。

　　激光加热变形

　　激光作为能量载体，作用在靶材上后会产生一系列变形，通过非接触测量手段获取全场变形数据，能够直观显示变形分布规律，为理论研究提供大量的实验数据，揭示激光与靶材相互作用过程中的规律，推动变形机理的深入研究，扩大激光的应用范围。

　　采用激光加热铝合金、钛合金等板材实验，获取加热至熔穿整个过程的变形数据，为理论研究、数值模拟提供数据支撑，进行相关基础性科学研究，推动激光在国防军事、工业加工等重点领域的发展。