三维数字图像相关法测量氧化锆陶瓷的弹性模量

耿红霞, 付朝华, 蒋小林, 谢惠民, 陈常青

(清华大学 航天航空学院, 北京 100084)

三维数字图像相关法测量氧化锆陶瓷的弹性模量

耿红霞, 付朝华, 蒋小林, 谢惠民, 陈常青

(清华大学 航天航空学院, 北京 100084)

利用三维光学应变测量系统(ARAMIS 3D)采集不同载荷下的氧化锆陶瓷的数字图像,并进行相关计算获得了三维应变云图,测得了氧化锆陶瓷的压缩弹性模量。实验结果表明,利用数字图像相关技术可以为脆性的陶瓷材料力学性能提供一个可靠的研究途径。

氧化锆陶瓷； 弹性模量； 三维光学应变测量系统；数字图像相关

陶瓷材料具有很多独特的优点,它的强度高、重量轻,同时还具有很好的耐高温性、耐腐蚀性和耐磨损性,因此在科学研究和工业生产中得到了长足的发展[1-3]。但是陶瓷材料绝大多数是一种脆性材料,其力学性能的测量研究存在一定的困难。本文利用一种非接触的三维光学应变测量系统方便快捷地测量了氧化锆陶瓷材料在弹性阶段的变形行为,获得了其弹性模量,为测量陶瓷材料的弹性模量提供了一种新的实验技术。该光学应变测量系统是德国GOM公司基于当今比较热门的数字图像相关技术开发的,由于具有2个摄像头,所以可以实时观测材料复杂表面的三维位移和变形云图,测量精度高,结果形象直观,可以为一些无法利用传统力学实验方法进行测量的材料提供新的研究途径。

1 材料和设备

制备氧化锆陶瓷使用的是日本Tosoh氧化锆粉体,是特殊制造的生物级粉体,非常适合应用于口腔。把氧化锆粉体放入不锈钢模具中,压制成直径为10 mm、高度为10 mm的圆柱试样5个,放入烧结炉中烧结成型。烧结过程分3个阶段:首先从室温升温到450 ℃,升温时间为4.5 h,保温1 h；然后从450 ℃升到1 200 ℃,升温时间为2.5 h；最后从1 200 ℃升到1 350 ℃,保温2 h,随后自然冷却至室温。

利用黑白自喷漆在5个氧化锆陶瓷柱体表面制备随机分布的散斑,然后用WDW-100型号的材料万能试验机对氧化锆陶瓷柱体进行压缩,由于氧化锆陶瓷硬度较大,所以压缩时需在上下压头上各垫一块硬质合金以防损坏试验机压头。加载速度0.2 mm/min,初始载荷200 N,分级加载,记录试样的载荷-位移曲线。在加载过程中,利用三维光学应变测量系统(ARAMIS 3D)采集分级载荷下的氧化锆陶瓷的数字图像,采集间隔为200 N,随后进行数字图像相关计算得出三维应变云图。

2 三维数字图像相关方法测量弹性模量的测试原理

三维数字图像相关方法是在二维数字图像相关方法的基础上发展起来的,可以准确观察表面形状复杂的材料或者构件,具有二维方法不可比拟的优越性,所以得到广泛应用[4-5]。该方法利用2个CCD镜头采集不同载荷下的系列图像,利用数字图像相关的计算方法得出不同载荷下试件的三维位移场和变形场,最后对不同载荷下的测量区域的应变取平均值。应力由各级不同的载荷除以试件的横截面积得到,然后用最小二乘线性回归拟合应力-应变曲线,斜率为材料的弹性模量。

3 结果与讨论

通常情况下,陶瓷材料是符合虎克定律的脆性材料,几乎没有塑性变形,所以其弹性阶段的力学性能非常重要,其中弹性模量是一个尤为重要的力学参数,它很大程度上决定了陶瓷材料的弹性形变规律。而弹性模量取决于原子种类和化学键类型,是原子间距发生微小弹性位移所需外力的大小[6-7]。测量材料的弹性模量除了通过测定共振频率来得到外,还有一种方法就是直接测量物体不同载荷下的变形。

测量材料的应变和变形通常有两种方法,电测法和光测法[8-9]。电测法是利用电阻应变片测量物体的应变,但是它只能测定物体单个点的某个方向的应变,而且如果测点多的话,贴片、连接导线等准备工作异常繁琐。光学测量方法有很多种,如云纹法、激光散斑干涉法、数字图像相关法等。其中数字图像相关技术经过不断的改进和完善,成了多个研究领域的重要的力学实验手段。本文利用三维数字图像相关方法来测量氧化锆陶瓷在分级载荷下的应变。图1是其中一个陶瓷样品的散斑图。

图1 氧化锆陶瓷试样的散斑照片

图2给出了在分级载荷下的氧化锆陶瓷柱体的应变云图。可见,每个分级载荷下,样品的应变是均匀的,没有出现明显的应变集中现象。根据每个分级载荷下的应变云图,计算出对应载荷下的平均应变,应力通过载荷除以试件的横截面积得到。

图2 压缩氧化锆陶瓷在不同载荷下的轴向应变云图

图3给出了应力-应变曲线,拟合得到的斜率即为弹性模量。5个试件测得的弹性模量见表1。从表中可见,弹性模量有一定的分散性。这是因为陶瓷材料大都是脆性材料,对缺陷非常敏感,所以其力学性能的分散性较大。陶瓷材料的弹性模量不仅与化学键密切相关,而且还受陶瓷材料的组成相、相的体积分数及气孔率的影响。特别是气孔率,陶瓷材料的弹性模量会随着气孔率的增加急剧下降[10-11]。因此,陶瓷材料的成型工艺对弹性模量影响重大,所以制备陶瓷材料时对工艺参数一定要严格要求。本文取平均值作为氧化锆陶瓷的弹性模量,结果为233 GPa,该测量值与氧化锆陶瓷的弹性模量准确值(220 GPa)比较吻合,因此利用数字图像相关法测定陶瓷材料的弹性模量是比较可信的。

图3 压缩氧化锆陶瓷的应力-应变曲线

表1 氧化锆陶瓷的弹性模量 GPa

4 结论

用数字图像相关技术测量氧化锆陶瓷试样的弹性模量为233 GPa,该方法为陶瓷材料的弹性变形行为的研究提供了一种可靠的方法。

References)

[1] 龚江宏.陶瓷材料断裂力学[M].北京:清华大学出版社，2001.

[2] 张清纯. 陶瓷材料的力学性能[M]. 北京 : 科学出版社，1987.

[3] 包亦望,邱岩,卜晓雪. 陶瓷材料的力学性能评价新方法[J].稀有金属材料与工程,2007,36(增刊2)：347.

[4] 姚学锋,林碧森,简龙晖,等.立体摄影术与数字散斑相关方法相结合用于研究三维变形场[J].光学技术,2003,29(4):473.

[5] 苏俭生,张志升,刘伟才,等.数字图像相关法测量牙科陶瓷材料弹性模量[J].口腔材料器械杂志,2006,15(3):117.

[6] 张金升,张银燕,王美婷.陶瓷材料显微结构与性能[M].北京:化学工业出版社, 2007.

[7] 付强,严伟浩,覃峰,等,一种新型切削陶瓷材料弹性模量的测定[J]. 广东牙病防治,2002,10(2):113.

[8] 王开福,高明慧,周克印. 现代光测力学技术[M]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2009.

[9] 戴福隆,沈观林,谢惠民. 实验力学[M].北京:清华大学出版社，2010.

[10] 田恬,关锐峰,赵克,等.孔隙尺寸对多孔镍钛合金弹性模量及压缩强度的影响[J].中华口腔医学研究杂志,2011,5(3):268.

[11] 关长斌, 郭英奎, 赵玉成. 陶瓷材料导论[M].哈尔滨 : 哈尔滨工程大学出版社，2005.

Measuring elastic modulus of ZrO2ceramics based on three-dimension digital image correlation

Geng Hongxia, Fu Chaohua, Jiang Xiaolin, Xie Huimin, Chen Changqing

(School of Aerospace, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Three-dimension optical strain measurement system was used for the measurement of elastic modulus of ZrO2ceramics. Firstly, the digital images were captured under different loads by using optical strain measurement system, and then the three-dimension strain nephogram was obtained through the correlation operation. The experimental results indicate that the three-dimension digital image correlation can be applied for the measurement of elastic deformation of brittle ceramics, which can accomplish the three-dimension displacement and strain field effectively and reliably.

ZrO2ceramics; elastic modulus; three-dimension optical strain measurement system; digital image correlation

2015- 04- 10

国家自然科学基金青年科学基金资助项目(51202122)

耿红霞(1977—)，女，山东菏泽，博士，工程师，主要从事实验力学方面的研究.

E-mail：ghxia@tsinghua.edu.cn

O348.1； G420

B

1002-4956(2015)12- 0060- 03