多晶铝在单向拉伸实验中的晶粒变形测量

杨世玲

(凯里学院理学院,贵州凯里556000)

多晶铝在单向拉伸实验中的晶粒变形测量

杨世玲

(凯里学院理学院,贵州凯里556000)

多晶铝试件在单向拉伸实验中,试件表面的应变分布并不均匀.采用扫描电子显微镜观察试件在拉伸过程中的晶粒形貌变化,并在加载过程中跟踪晶粒拍摄了一系列照片,通过数字散斑技术,对所拍照片进行分析,得到了高精度的晶粒名义应力-应变关系曲线.

多晶铝;拉伸形变;数字散斑技术;牛顿迭代算法

1 引 言

细观力学作为对物体细观层次的研究,近年来越来越受到力学界和材料学界的高度重视.材料的微观结构及其细观尺度上的物理机制影响着材料的宏观响应,因而,对材料微观结构的研究可以揭示物体宏观性能的本质.从细观力学的角度来研究晶体界面的性质和对材料力学性能的影响和破坏效应,不仅具有学术意义,而且对发展材料和更好地使用材料具有实际意义.对于微观塑性变形和微观结构理论的研究包括位错、滑移以及晶粒和晶界的力学行为等方面.由于晶粒的存在,多晶材料在变形过程中,其微观变形并不均匀,变形分布受到晶粒尺寸、取向等因素的影响.本文研究的材料选用多晶铝,这是由于铝材料在工程实际的应用广泛,在宏观和微观方面的理论研究工作可以借鉴,而且多晶铝的纯度高,晶粒粒度可以控制.在本文试验中,多晶铝试件的晶粒平均直径小于0.01 mm.在单向拉伸加载过程中,用高分辨率扫描电镜跟踪观察晶粒变形并拍摄照片,用数字散斑技术对晶粒照片进行分析.

亚像素数字散斑技术最初由美国南卡罗来纳大学提出并发展,已被证明为有效的测量试件在加载过程中位移的方法.采用该方法进行位移和应变测量时,强烈依托于计算机,对变形前后的试件照片进行相关计算.在本实验中,基于牛顿迭代算法的数字散斑技术[1-5]被用于测量多晶铝试件上平均直径为120μm的晶粒变形情况.

2 试件和拉伸曲线

在SEM下观察拉伸的细晶粒铝试件,可以很清楚地看到随着拉伸位移的增大,晶粒发生了变形,实验通过跟踪晶粒的变化来分析晶粒在试件拉伸过程中的力学行为.

试件采用图1所示纯铝细晶粒试件,其中中段宽度为4.5 mm,厚度1 mm,其拉伸应力-位移曲线如图2所示,因为在实验中需要停机拍摄图片,所以出现了一些载荷下降的点,属于材料的应力松弛现象.

图1 纯铝细晶粒试件照片

图2 试件拉伸载荷-轴向位移关系曲线

3 跟踪晶粒变形情况

实验过程中跟踪记录了从零载荷到试件断裂过程中1个晶粒变化的全过程,图3所示为其中的4张形貌图(加载方向沿y方向).

图3 拉升过程中晶粒的变化

在图中,直接量取了晶粒上特征点A,B间的横向和纵向距离,以及3个特征角度的大小,如表1所示.

表1 拉升过程中的晶粒形貌参量变化

结合图3和表1可以看出,在拉升过程中,随着载荷的增大,晶粒发生变形,特征点A,B间的纵向距离增大,而横向距离减小,θ1和θ3变化不大,而θ2不断减小.

将跟踪量取得到的所有特征点纵向距离和横向距离进行分析,可以得到晶粒的名义应力-应变关系曲线,如图4所示.

图4 通过直接量测特征点距离得到的应力-应变关系曲线

由于测量特征点距离会带来比较大的随机误差,因此采用数字散斑技术对变形前后图像进行拟合.如图5所示,将名义应力为33.98 MPa时的晶粒形貌图与0载荷时的晶粒形貌图进行数字散斑计算,计算区域为1条白色竖直线,如图5 (a)中所示.

相关计算后,得到该计算区域上一系列点的坐标值与位移值,将其纵向位移值v与纵坐标值y进行线性拟合,得到的直线斜率B为该应力状态相对于初始状态的应变值εy,如图6所示,由于使用相关计算,且选定区域为5(a)中所示直线,所以相比单纯的特征点测量法,精度大为提高.

将不同载荷下所对应的晶粒形貌图分别于初始状态的晶粒形貌图进行相关计算并拟合后,便得到一组应变值,可以得到该晶粒的名义应力-应变曲线,如图7所示.

图5 用数字图像相关法进行相关分析的2幅晶粒形貌图

图6 相关计算区域的纵向位移-纵坐标曲线

图7 由数字图像相关法得到的晶粒名义应力-应变关系曲线

从改进结果可以明显看出,用该方法得到了更为精确的拉伸加载曲线,并且能很好地求得多晶铝试件的弹性模量、屈服极限和强化极限.

由于在该实验中,对多晶铝试件的加载经历了弹性拉伸、屈服、颈缩以及断裂4个阶段,而断裂阶段的变形集中在断口附近,断口附近的应变以及位错都远远超出数字图像所需要的精度要求(相关精度要求在0.9 mm以上以确保精确性),因此在模拟过程中未对断裂阶段进行相关计算.

4 结束语

采用基于牛顿迭代法进行相关运算的数字散斑技术,对单向拉伸过程中多晶铝试件上的1个晶粒进行变形分析.由于在线性拟合中,计算区域上所有点的变形信息都加以考虑,该方法得到的晶粒名义应力-应变曲线精度相对于特征点法大为提高[6-7].相对于传统的应变片及应变计测量应变的方法,数字图像相关测量能直接对扫描电镜实验图片进行处理,无需在试件上贴应变片或者加应变仪.由于扫描电镜能通过改变放大倍率对不同区域集中观测,因此能对尺度很小的晶粒区域本身进行应变测量,而这些都是采用贴应变片或者应变计方法所无法实现的.

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Measuring the crystal deformation of polycrystalline aluminum under uniaxial tension

YANG Shi-ling
(Department of Physics,Kaili College,Kaili 556000,China)

A polycrystalline specimen is exerted uniaxial tension,scanning electron microscopy photos of a crystal are taken during the loading process.The photos are analyzed by digital image correlation method,and nominal stress-strain curve of the crystal with high accuracy is obtained.

polycrystalline aluminum;tensile deformation;digital image correlation;Newton-Raphson iteration method

O344

A

1005-4642(2010)06-0008-04

[责任编辑:任德香]

2009-12-27;修改日期:2010-04-22

杨世玲(1962-),女,贵州锦屏人,凯里学院理学院高级实验师,从事普通物理及实验教学工作.