材料断裂韧性压痕法测量系统及方法

摘要

本发明涉及一种材料断裂韧性压痕法测量系统及方法。所述系统包括压痕形成模块，用于对金相试样施加压力，使金相试样的表面形成菱形压痕及裂纹；摄像模块，用于拍摄金相试样的表面的菱形压痕及裂纹，得到试样图像；图像处理模块，用于识别试样图像中的菱形压痕，确定菱形压痕的几何轮廓，测量菱形压痕边长及对角线长度；以及，用于识别试样图像中的裂纹，确定裂纹轮廓，测量裂纹长度；断裂韧性确定模块，用于根据金相试样所对应材料的类别、菱形压痕边长、菱形压痕对角线长度、裂纹长度，以及压痕形成模块对金相试样所施加压力大小确定该材料的断裂韧性。实现材料断裂韧性的规模化、自动化和低成本测量。

说明书

技术领域

本发明涉及材料断裂韧性测量技术领域，尤其涉及一种材料断裂韧性压痕法测量系统及方法。

背景技术

断裂韧性是材料重要的基本力学参数之一，用于表征材料抵抗裂纹扩展的能力，是度量材料韧性好坏的一个定量指标。断裂韧性是评价材料服役性能及可靠性的关键力学指标，在材料服役过程中，若部件韧性过低，则可能在外加载荷作用下过快出现断裂，从而导致材料失效。目前，材料断裂韧性的测量方法众多，如切口梁法、预裂纹梁法和压痕法等。其中，压痕法具有操作简便、测试效率高以及综合成本低等优点，已经广泛应用于陶瓷材料、硬质合金和玻璃材料的断裂韧性测量。

压痕法测量材料断裂韧性的基本原理是利用压头在抛光的材料表面施加一定载荷直至形成菱形压痕和沿菱形顶点向外延伸的裂纹，通过光学显微镜或电子扫描显微镜测量相应压痕尺寸和裂纹长度，结合相应的材料参量计算出材料的断裂韧性数值。

目前，压痕法测量材料断裂韧性多采用硬度测试设备，如显微硬度计或纳米压痕仪，获得压痕和裂纹。但目前使用的设备仅可用于形成压痕和裂纹，不能直接获得断裂韧性数值，需要通过人工分析光学或电子扫描显微照片，测量压痕和裂纹尺寸，随后进行材料断裂韧性的计算。对于大量材料断裂韧性数据测量，采用人工测量的方式工作量大、繁琐，且容易发生错误。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种材料断裂韧性压痕法测量系统及方法。所述系统能够实现材料断裂韧性的规模化、自动化和低成本测量。

第一方面，本发明实施例提供了一种材料断裂韧性压痕法测量系统，所述测量系统包括：

压痕形成模块，用于对布置于预设区域的金相试样施加压力，使金相试样的表面形成菱形压痕及沿菱形压痕顶点向外延伸的裂纹；

摄像模块，用于拍摄金相试样的表面的菱形压痕及裂纹，得到试样图像；

图像处理模块，用于识别试样图像中的菱形压痕，确定菱形压痕的几何轮廓，建立几何轮廓坐标体系并测量菱形压痕边长及对角线长度；以及，用于识别试样图像中的裂纹，确定裂纹轮廓，建立裂纹坐标体系并测量裂纹长度；

断裂韧性确定模块，用于根据金相试样所对应材料的类别、菱形压痕边长、菱形压痕对角线长度、裂纹长度，以及压痕形成模块对金相试样所施加压力大小确定该材料的断裂韧性。

在一种实施方式中，所述压痕形成模块为显微硬度计、纳米压痕仪、微米压痕仪、洛氏硬度计中的一种，所述压痕形成模块的压头为正四角锥压头，对角为136，输出压力载荷为1μN-1000N。

在一种实施方式中，所述材料断裂韧性压痕法测量系统还包括：

传送模块，用于将表面形成菱形压痕及裂纹的金相试样从预设区域转移至摄像模块的拍摄范围内。

在一种实施方式中，所述图像处理模块还用于在识别试样图像中的菱形压痕、识别试样图像中的裂纹前，对试样图像进行图像增强处理。

在一种实施方式中，所述图像处理模块还用于在识别试样图像中的裂纹前，基于菱形压痕的几何轮廓对图像增强处理后的试样图像进行分割，得到包含单个裂纹的局部图像；所述图像处理模块基于局部图像识别试样图像中的裂纹。

在一种实施方式中，所述基于菱形压痕的几何轮廓对图像增强处理后的试样图像进行分割，得到包含单个裂纹的局部图像，包括：于图像增强处理后的试样图像上以菱形压痕的几何轮廓的各顶点为坐标，建立坐标系，通过调整每个角度大小，得到包含单个裂纹的局部图像。

在一种实施方式中，所述材料断裂韧性压痕法测量系统还包括：

公式数据库模块，用于存储与材料类别对应的材料断裂韧性计算公式。

在一种实施方式中，所述断裂韧性确定模块，还用于从所述公式数据库模块中获取与金相试样所对应材料的类别的材料断裂韧性计算公式，根据材料断裂韧性计算公式、菱形压痕边长、菱形压痕对角线长度、裂纹长度，以及压痕形成模块对金相试样所施加压力大小计算材料的断裂韧性。

第二方面，本发明实施例提供了一种材料断裂韧性压痕法测量方法，所述方法包括：

对布置于预设区域的金相试样施加压力，使金相试样的表面形成菱形压痕及沿菱形压痕顶点向外延伸的裂纹；

拍摄金相试样的表面的菱形压痕及裂纹，得到试样图像；

识别试样图像中的菱形压痕，确定菱形压痕的几何轮廓，建立几何轮廓坐标体系并测量菱形压痕边长及对角线长度；以及，识别试样图像中的裂纹，确定裂纹轮廓，建立裂纹坐标体系并测量裂纹长度；

根据金相试样所对应材料的类别、菱形压痕边长、菱形压痕对角线长度、裂纹长度，以及对金相试样所施加压力大小确定该材料的断裂韧性。

在一种实施方式中，在识别试样图像中的菱形压痕、识别试样图像中的裂纹前，还包括对试样图像进行图像增强处理；

所述识别试样图像中的裂纹包括：基于菱形压痕的几何轮廓对图像增强处理后的试样图像进行分割，得到包含单个裂纹的局部图像，基于局部图像识别试样图像中的裂纹。

在一种实施方式中，所述基于菱形压痕的几何轮廓对图像增强处理后的试样图像进行分割，得到包含单个裂纹的局部图像，包括：于图像增强处理后的试样图像上以菱形压痕的几何轮廓的各顶点为坐标，建立坐标系，通过调整每个角度大小，得到包含单个裂纹的局部图像。

在一种实施方式中，所述根据金相试样所对应材料的类别、菱形压痕边长、菱形压痕对角线长度、裂纹长度，以及对金相试样所施加压力大小确定该材料的断裂韧性，包括从公式数据库模块中获取与金相试样所对应材料的类别的材料断裂韧性计算公式，根据材料断裂韧性计算公式、菱形压痕边长、菱形压痕对角线长度、裂纹长度，以及压痕形成模块对金相试样所施加压力大小计算材料的断裂韧性。

在本发明实施例中，材料断裂韧性压痕法测量系统通过对布置于预设区域的金相试样施加压力，使金相试样的表面形成菱形压痕及沿菱形压痕顶点向外延伸的裂纹；拍摄金相试样的表面的菱形压痕及裂纹，得到试样图像；识别试样图像中的菱形压痕，确定菱形压痕的几何轮廓，建立几何轮廓坐标体系并测量菱形压痕边长及对角线长度；以及，识别试样图像中的裂纹，确定裂纹轮廓，建立裂纹坐标体系并测量裂纹长度；根据金相试样所对应材料的类别、菱形压痕边长、菱形压痕对角线长度、裂纹长度，以及对金相试样所施加压力大小确定该材料的断裂韧性。实现材料断裂韧性的规模化、自动化和低成本测量。其可应用于金属、陶瓷、玻璃及复合材料等的断裂韧性测量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的一种材料断裂韧性压痕法测量系统的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的试样图像；

图3为本发明实施例一提供的图像增强处理后的试样图像；

图4为本发明实施例一提供的菱形压痕的几何轮廓识示意图；

图5为本发明实施例一提供的局部图像；

图6为本发明实施例一提供的裂纹轮廓示意图；

图7为本发明实施例二提供的一种材料断裂韧性压痕法测量方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

断裂韧性是材料重要的基本力学参数之一，用于表征材料抵抗裂纹扩展的能力，是度量材料韧性好坏的一个定量指标。断裂韧性是评价材料服役性能及可靠性的关键力学指标，在材料服役过程中，若部件韧性过低，则可能在外加载荷作用下过快出现断裂，从而导致材料失效。

目前，压痕法测量材料断裂韧性多采用硬度测试设备，如显微硬度计或纳米压痕仪，获得压痕和裂纹。但目前使用的设备仅可用于形成压痕和裂纹，不能直接获得断裂韧性数值，需要通过人工分析光学或电子扫描显微照片，测量压痕和裂纹尺寸，随后进行材料断裂韧性的计算。对于大量材料断裂韧性数据测量，采用人工测量的方式工作量大、繁琐，且容易发生错误。

为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本申请实施例提供一种材料断裂韧性压痕法测量系统。所述系统能够实现材料断裂韧性的规模化、自动化和低成本测量。下面通过实施例进行详细说明。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种材料断裂韧性压痕法测量系统的结构示意图，所述材料断裂韧性压痕法测量系统具体可以包括如下模块：

压痕形成模块101，用于对布置于预设区域的金相试样施加压力，使金相试样的表面形成菱形压痕及沿菱形压痕顶点向外延伸的裂纹。

所述压痕形成模块可以为显微硬度计、纳米压痕仪、微米压痕仪、洛氏硬度计等中的一种，也可以为其它合适的可以对布置于预设区域的金相试样施加压力，使金相试样的表面形成菱形压痕及沿菱形压痕顶点向外延伸的裂纹的装置，在此不一一列举。

所述压痕形成模块的压头优选为正四角锥压头，对角为136，输出压力载荷为1μN-1000N。

所述压痕形成模块可以具有通讯接口，通过该通讯接口与材料断裂韧性压痕法测量系统的其它一个或多个组件之间进行通讯。

在一种实施方式中，所述材料断裂韧性压痕法测量系统还可以包括服务器或智能终端，所述智能终端可以为个人计算机、智能电话、平板电脑等等，本申请实施例对此不作限制。服务器或智能终端能够与压痕形成模块通过网络进行通讯，以向压痕形成模块发送控制指令，压痕形成模块根据该控制指令执行相应的动作，如压头向下移动，以向布置于预设区域的金相试样施加压力，压头向上移动复位等。

应当理解，所述压痕形成模块还可以根据自身程序设置，自动执行相应动作，如感应金相试样、压头向下移动对金相试样施加载荷、压头向上移动复位等。

摄像模块102，用于拍摄金相试样的表面的菱形压痕及裂纹，得到试样图像。

压痕形成模块对金相试样施加压力，使金相试样的表面形成菱形压痕及沿菱形压痕顶点向外延伸的裂纹后，通过摄像模块对金相试样进行拍摄，获得能够显示金相试样的表面的菱形压痕及裂纹的试样图像。

所述摄像模块为具有摄像镜头的装置，如扫描电子显微镜，扫描电子显微镜利用聚焦的很窄的高能电子束来扫描样品，通过光束与物质间的相互作用，来激发各种物理信息，对这些信息收集、放大、再成像以达到对物质微观形貌表征的目的。当然，所述摄像模块还可以采用其它合适的摄像镜头的装置，本申请实施例对此不作限制。优选地，所述摄像模块放大倍数为10～10000倍。

在一种实施方式中，服务器或智能终端能够与摄像模块通过网络进行通讯，以向摄像模块发送控制指令，摄像模块根据该控制指令执行相应的动作，如调整放大倍数、拍摄。

例如，利用本系统对反应等离子喷涂制备的TiC-Ti

应当理解，所述摄像模块还可以根据自身程序设置，自动执行相应动作，如调整放大倍数、拍摄、与其它组件间进行通讯等。

在一种实施方式中，所述材料断裂韧性压痕法测量系统还可以包括传送模块，用于将表面形成菱形压痕及裂纹的金相试样从预设区域转移至摄像模块的拍摄范围内。所述传送模块可以包括传送带或机械手等，压痕形成模块使金相试样的表面形成压痕和裂纹后，将金相试样从预设区域转移至摄像模块的拍摄范围内，从而能够避免压头等部件对摄像模块在拍摄过程所造成不良影响，如阻挡拍摄、形成阴影等。

在一种实施方式中，服务器或智能终端能够与传送模块通过网络进行通讯，以向传送模块发送控制指令，传送模块根据该控制指令执行相应的动作，如转移金相试样。

应当理解，所述传送模块还可以根据自身程序设置，自动执行相应动作，如转移金相试样。

图像处理模块103，用于识别试样图像中的菱形压痕，确定菱形压痕的几何轮廓，建立几何轮廓坐标体系并测量菱形压痕边长及对角线长度；以及，用于识别试样图像中的裂纹，确定裂纹轮廓，建立裂纹坐标体系并测量裂纹长度。

所述图像处理模块可以直接从摄像模块中获取试样图像，也可以在服务器或智能终端从摄像模块中获取试样图像后，由服务器或智能终端发送给图像处理模块。在一种实施方式中，所述图像处理模块可以由软件和/或硬件实现，可以配置在服务器或智能终端中，此方式中，图像处理模块直接从摄像模块中获取试样图像。

在一种实施方式中，图像处理模块获取试样图像后，先对试样图像进行图像增强处理。图像增强处理包括但不限于对试样图像亮度、对比度、色阶、饱和度等参数的调节，对试样图像进行选区、锐化、边缘增强等操作，以使“所需要的”图像特征更为明显，加强后续试样图像识别效果。例如，利用本系统对反应等离子喷涂制备的TiC-Ti

试样图像完成图像增强后，图像处理模块识别试样图像中的菱形压痕，确定菱形压痕的几何轮廓，建立几何轮廓坐标体系并测量菱形压痕边长及对角线长度。例如，利用本系统对反应等离子喷涂制备的TiC-Ti

在一种实施方式中，所述图像处理模块可以基于菱形压痕的几何轮廓对图像增强处理后的试样图像进行分割，得到包含单个裂纹的局部图像。例如，依据菱形压痕的几何轮廓(顶点和边)来分割试样图像，以几何轮廓的每个顶点为坐标，建立坐标系，通过调整每个角度的大小，获得包含单个裂纹的局部图像。分割的局部图像根据图像及压痕特征，可为不同形状，如三角形、长方形等。例如，利用本系统对反应等离子喷涂制备的TiC-Ti

然后，所述图像处理模块基于局部图像识别试样图像中的裂纹，确定裂纹轮廓，建立裂纹坐标体系并测量裂纹长度。例如，利用本系统对反应等离子喷涂制备的TiC-Ti

断裂韧性确定模块104，用于根据金相试样所对应材料的类别、菱形压痕边长、菱形压痕对角线长度、裂纹长度，以及压痕形成模块对金相试样所施加压力大小确定该材料的断裂韧性。

所述断裂韧性确定模块可以直接从图像处理模块获取菱形压痕边长、菱形压痕对角线长度、裂纹长度等数据，也可以在服务器或智能终端从摄像模块中获取相关数据后，再由服务器或智能终端发送给断裂韧性确定模块。在一种实施方式中，所述断裂韧性确定模块可以由软件和/或硬件实现，可以配置在服务器或智能终端中，此方式中，断裂韧性确定模块直接从图像处理模块获取相关数据。

断裂韧性确定模块根据金相试样所对应材料的类别，确定材料断裂韧性计算公式。基于获取的菱形压痕边长、菱形压痕对角线长度、裂纹长度，压痕形成模块对金相试样所施加压力大小等数据，以及材料断裂韧性计算公式确定该材料的断裂韧性。

例如，利用本系统对反应等离子喷涂制备的TiC-Ti

K＝75.2P/C

其中，K为断裂韧性，单位为MPa·m

经计算，确定TiC-Ti

在一种实施方式中，所述材料断裂韧性压痕法测量系统还包括：公式数据库模块，用于存储与材料类别对应的材料断裂韧性计算公式。所述断裂韧性确定模块可以由软件和/或硬件实现，可以配置在服务器或智能终端中。

所述断裂韧性确定模块根据金相试样所对应材料的类别，从公式数据库模块中获取与材料类别对应的材料断裂韧性计算公式。

在本发明实施例中，材料断裂韧性压痕法测量系统通过对布置于预设区域的金相试样施加压力，使金相试样的表面形成菱形压痕及沿菱形压痕顶点向外延伸的裂纹；拍摄金相试样的表面的菱形压痕及裂纹，得到试样图像；识别试样图像中的菱形压痕，确定菱形压痕的几何轮廓，建立几何轮廓坐标体系并测量菱形压痕边长及对角线长度；以及，识别试样图像中的裂纹，确定裂纹轮廓，建立裂纹坐标体系并测量裂纹长度；根据金相试样所对应材料的类别、菱形压痕边长、菱形压痕对角线长度、裂纹长度，以及对金相试样所施加压力大小确定该材料的断裂韧性。实现材料断裂韧性的规模化、自动化和低成本测量。其可应用于金属、陶瓷、玻璃及复合材料等的断裂韧性测量。

实施例二

图7为本发明实施例二提供的一种材料断裂韧性压痕法测量方法的流程图。该方法可以由材料断裂韧性压痕法测量系统来执行。所述材料断裂韧性压痕法测量方法具体包括如下步骤：

步骤201、对布置于预设区域的金相试样施加压力，使金相试样的表面形成菱形压痕及沿菱形压痕顶点向外延伸的裂纹；

步骤202、拍摄金相试样的表面的菱形压痕及裂纹，得到试样图像；

步骤203、识别试样图像中的菱形压痕，确定菱形压痕的几何轮廓，建立几何轮廓坐标体系并测量菱形压痕边长及对角线长度；以及，识别试样图像中的裂纹，确定裂纹轮廓，建立裂纹坐标体系并测量裂纹长度；

步骤204、根据金相试样所对应材料的类别、菱形压痕边长、菱形压痕对角线长度、裂纹长度，以及对金相试样所施加压力大小确定该材料的断裂韧性。

在一种实施方式中，步骤203中，在识别试样图像中的菱形压痕、识别试样图像中的裂纹前，还包括对试样图像进行图像增强处理。

在一种实施方式中，所述识别试样图像中的裂纹包括：基于菱形压痕的几何轮廓对图像增强处理后的试样图像进行分割，得到包含单个裂纹的局部图像，基于局部图像识别试样图像中的裂纹。

在一种实施方式中，所述基于菱形压痕的几何轮廓对图像增强处理后的试样图像进行分割，得到包含单个裂纹的局部图像，包括：于图像增强处理后的试样图像上以菱形压痕的几何轮廓的各顶点为坐标，建立坐标系，通过调整每个角度大小，得到包含单个裂纹的局部图像。

在一种实施方式中，步骤204包括：

子步骤一：从公式数据库模块中获取与金相试样所对应材料的类别的材料断裂韧性计算公式；

子步骤二：根据材料断裂韧性计算公式、菱形压痕边长、菱形压痕对角线长度、裂纹长度，以及压痕形成模块对金相试样所施加压力大小计算材料的断裂韧性。

本发明实施例所提供的材料断裂韧性压痕法测量方法可由本发明任意实施例所提供的材料断裂韧性压痕法测量系统执行，具备相应的有益效果。