包含晶粒形状效应的金属材料力学性质及数字图像实验测量研究

摘要

细观尺度下金属板材是由大量微小晶粒构成的多晶体，晶粒形状是晶粒特征之一，通常表现为不规则性。在金属材料弹性性质研究中人们关心晶粒的形状和取向对材料力学性质的影响，金属材料宏细观塑形性质的研究大多基于Taylor假设，本文从晶粒形状的描述出发，研究包含晶粒形状效应的弹性本构关系，基于晶粒尺度，采用数字图像分析方法来探讨金属材料宏、细观力学性质之间的关系。
　　本文用形状函数(CSF)来表示晶粒形状，将晶粒形状函数(CSF)在WignerD-函数基下展开成级数形式，其展开系数称为形状系数;研究了晶粒的平均形状对正交多晶体材料弹性本构关系的影响，得到包含晶粒形状效应的多晶体材料弹性本构关系Ceffijkl一个新的表达式，用摄动方法估测了新的本构表达式中待定的材料常数，并采用有限元法和自洽法检验所得到的Ceffijkl表达式。
　　针对晶粒形状的不规则性，本文采用数字图像分析技术，开展了不规则晶粒形状的参数化研究，在实现晶粒边界准确提取的前提下，用最小外接矩形、椭圆以及分割晶粒的多弦法对目标晶粒的形状作出参数化描述，发现当晶粒形状特别不规则时，椭圆拟合、最小外接矩形拟合得到的结果是晶粒形状参数的上、下限，这时七弦法的拟合结果较为合理;开展了晶粒形状函数及形状系数的实验研究，对不规则晶粒进行了基于晶粒形状函数的拟合。以晶粒参数化为基础进行了金属材料中目标晶粒形状演化的实验研究，结果表明:晶粒形状参数—长细比的数值在弹性阶段、塑性阶段均与材料宏观力学性质的理论结果一致。
　　本文在获取了包含边界清晰、完整的晶粒数字图像之后，利用数字散斑图像相关方法和传统的电测法，开展了金属板材中包含晶粒的局部全场应变与宏观应变的实验测量和计算研究。利用晶粒的显微数字图像，借助数字散斑图像相关方法，实现了晶粒尺度微细观应变的实验测量;实验结果表明晶粒平均应变与材料的宏观应变保持了很好的吻合度，验证了Taylor假设。
　　最后，本文发展了一种试验装备简单、使用方便的数字散斑图像相关实验方法，编制了CCP程序，用于大应变材料力学性质测量。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 金属材料本构关系的研究概述

1．3 数字图像边缘分析技术的概况

1．4 数字散斑图像相关方法概述及研究应用现状

1．5 本文的主要工作及章节安排

第2章 包含晶粒形状效应的金属材料弹性本构关系研究

2．1 引言和预备知识

2．1．1 引言

2．1．2 预备知识

2．2 晶粒形状函数和形状系数表达式的研究

2．3 特殊晶粒平均形状的形状系数研究

2．4 考虑晶粒平均形状的弹性本构关系研究

2．5 讨论和结论

2．5．1 包含晶粒形状效应的弹性本构关系表达式中材料常数的估算

2．5．2 晶粒形状系数的有限元方法计算

2．5．3 自洽法、摄动法和有限元结果的比较

2．6 本章小结

第3章 金属材料晶粒形状参数化与数字图像分析应用

3．1 晶粒图像的提取

3．1．1 实验样本的准备

3．1．2 晶粒边界提取预处理

3．1．3 晶粒边界提取

3．2 晶粒图像的形状参数化

3．2．1 晶粒形状参数在MATLAB中的获取方法

3．2．2 晶粒形状的最小外接矩形拟台

3．2．3 晶粒形状的椭圆拟合

3．2．4 晶粒形状的多弦法拟台

3．2．5 晶粒形状参数化结果讨论

3．3 晶粒形状系数的实验研究

3．4 晶粒形状演化的参数化实验研究

3．5 本章小结

第4章 包含晶粒的局部应变数字散斑图像相关计算

4．1 数字散斑图像相关方法测量系统

4．2 数字散斑图像相关方法的计算原理

4．3 数字散斑图像相关方法中相关函数的选择

4．4 整像素搜索及位移、应变的计算

4．5 包含晶粒的局部全场应变数字散斑图像相关计算

4．6 本章小结

第5章 整像素数字散斑图像相关方法简明程序的设计

5．1 引言及CCP程序的编制

5．1．1 引言

5．1．2 整像素数字散斑图像相关方法简明程序(CCP程序)的编制

5．2 CCP程序的数值仿真验证

5．2．1 刚体位移模式验证

5．2．2 应变模式验证

5．3 金属板材拉伸实验中CCP程序的验证

5．3．1 试样准备

5．3．2 加载及实验数据采集过程

5．3．3 实验数据处理及分析

5．4 CCP程序在橡胶拉伸弹性模量测定实验中的应用

5．4．1 试样准备

5．4．2 加载及实验数据采集

5．4．3 实验数据处理及分析

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

附录

攻读学位期间的研究成果