【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于数字图像的微细观材料表面力学性能测量方法。
技术介绍
1、传统的宏观力学测试通常只代表材料的平均宏观尺度行为，而不提供关于在控制材料的整体响应的纳米和微观尺度上发生的机制的信息，无法捕获局部异质性导致的结构各向异性。对于许多多相材料，包括纤维增强聚合物复合材料、颗粒状材料和水泥基材料，它们在微观尺度上表现出高度的不均匀性和整个材料的力学性能梯度，了解其在微细观下的强度、泊松比、弹性模量等性能参数并与宏观整体力学性能联系起来，有助于开发更强、更耐用的材料。这些技术通常包括纳米压痕测试、原子力显微镜力谱、扫描探针显微镜技术等，它们提供了在微小尺度下研究材料性质的强大工具。
2、当前测量技术仍然存在很大的局限性。仪器设备非常的复杂和昂贵，需要专门的实验室和专业技术人员，不是所有实验室和研究机构都具备这些条件。准备和处理微细观样品通常需要复杂的技术，以确保表面光滑、无缺陷，这可能会增加实验的复杂性。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于数字图像的微细观材料表面力学性能测量方法。
2、为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种基于数字图像的微细观材料表面力学性能测量方法,包括以下具体步骤：步骤s1，施加荷载与数据采集，借助光学仪器采集原位加载装置上的待测材料表面局部测量区域变形前的图片作为参考图片，以及在单轴荷载激励下的序列变形图片，所述原位加载装置上的荷载传感器同步记录采集图片时的施加的荷载值f，每采集一张图片
3、本专利技术的范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案等。
4、由于上述技术方案运用，本专利技术与现有技术相比具有下列优点：本专利技术提供一种基于数字图像的微细观材料表面力学性能测量方法,采用光学显微测量技术采集待测材料局部区域微小变形图片，同时采用数字图像相关方法分析测量区域的位移场和应变场数据，处理数据得到材料表面测量区域的泊松比、弹性模量的分布规律，并结合gaussian拟合方法和基于m-t理论的均匀化方法表征待测材料的整体宏观弹性模量，测量成本低、操作简单，全场测量、多点测量，大大节省时间成本，并在测量过程中同时测得材料的多种力学性能。
5、将含有大量局部力学非均匀性的非均匀材料的微观力学性能与整体材料的宏观力学响应联系起来，能够为微小尺度下材料的损伤检测以及优化设计提供科学依据，也可以给材料多尺度数值模拟提供参数指导，解决了材料微小尺度下性能测试技术的不足。
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1.一种基于数字图像的微细观材料表面力学性能测量方法，其特征在于：包括以下具体步骤：步骤S1，施加荷载与数据采集，借助光学仪器采集原位加载装置上的待测材料表面局部测量区域变形前的图片作为参考图片，以及在单轴荷载激励下的序列变形图片，所述原位加载装置上的荷载传感器同步记录采集图片时的施加的荷载值F，每采集一张图片都能够得知其对应的荷载值；步骤S2，图片数据处理，将采集到的所述参考图片和所有变形图片导入数字图像软件中进行分析，以所述参考图片作为基准，分别利用特征点匹配的方法和线性应变计算方法分析不同荷载下变形图片测量区域的位移场和应变场，最后导出包含有所有位移场和应变场信息的数据文件；步骤S3，局部测量区域弹性模量和泊松比分析，对处理得到的应变场数据进行信息提取，得到任意一个像素点位置在不同荷载激励下的应变信息，结合某一像素点在所有荷载下的应变信息，得到该像素点的弹性模量和泊松比，将其按像素位置排列得到待测材料局部测量区域弹性模量和泊松比分布；步骤S4，整体弹性模量表征，先通过Ga u s sia n拟合方法对像素点弹性模量数据进行分割处理得到不同的相，再使用基于M-T(Mo ri-
2.根据权利要求1所述的基于数字图像的微细观材料表面力学性能测量方法，其特征在于：步骤S3中，对步骤S2中总共采集的N张变形图片，分别对应荷载Fk(k＝1，2...N)，其中，k表示图片编号，从每一张变形图片的数据文件中提取每个像素点的平行荷载方向的应变场εx(xj，yj)和垂直荷载方向的应变场εy(xj，yj)，两个应变场都是以像素点位置为坐标的，其中，j表示像素点的编号，(xj，yj)表示编号为j的像素点的坐标，通过泊松比的计算公式v(xj，yj)＝εx(xj，yj)/εy(xj，yj)，得到每一张图片以像素点为坐标点的泊松比分布vk(xj，yj)，从而得出像素点j处的泊松比为从而求得局部测量区域的泊松比分布v，提取局部测量区域平行荷载方向上的位移场，求得测量区域在不同荷载下平行荷载方向上的距离Uk以及距离变化ΔUk，再根据泊松比求得不同荷载下测量区域所在横截面的面积为正负号表示压缩和拉伸，其中S为初始横截面积，然后求得不同荷载下测量区域的平行荷载方向的应力为σk＝Fk/Sk，同时前面已经求的不同荷载下平行荷载方向的应变场εx，进而求得任一像素点位置处在不同荷载下的应力和应变值[εx(xi，yi)，σ]k，将该像素点处在不同荷载下得应力应变值放在同一坐标轴下，即可获得该像素点处在整个加载过程中得应力-应变曲线，取应力应变曲线得弹性部分进行线性拟合得到直线公式y＝ax+b，根据材料力学公式可知直线的斜率a即为该像素点位置的弹性模量，获得测量区域的弹性模量分布E。
3.根据权利要求1所述的基于数字图像的微细观材料表面力学性能测量方法，其特征在于：步骤S4中，根据步骤S3中每个像素点位置的弹性模量，从而得到测量区域按像素点坐标分布的弹性模量矩阵；首先通过高斯拟合方法对弹性模量数据进行分割，根据弹性模量的集中分布情况确定材料中所含有的不同相的数量，求出各个相的平均弹性模量(μ±σ)和所占有的体积分数(％)，其中体积分数最高的相作为主要介质，其他相作为包含相；接着，将弹性模量矩阵和泊松比分布矩阵按像素点相互关联，通过统计学方法就可以求得每个相的泊松比；最后再参考M-T理论方案将测量材料定义为由球形包杂体增强的参考矩阵，并使用均质体的体积模量Bh和剪切模量Sh来计算整体宏观弹性模量Eh，具体公式为：
4.根据权利要求1所述的基于数字图像的微细观材料表面力学性能测量方法，其特征在于：步骤S2中，特征点匹配的相关系数公式为：
5.根据权利要求1所述的基于数字图像的微细观材料表面力学性能测量方法，其特征在于：待测材料在测量前要先放到显微镜下，观察其特征点的密度，或者当待测材料本身的特征点较少，使用亚光喷漆给待测材料表面进行散斑处理，增加特征点的密度。
6.根据权利要求5所述的基于数字图像的微细观材料表面力学性能测量方法，其特征在于：在步骤S1中对采集的图片进行标定，测量出采集的图片中两个像素点之间的实际距离，得到的弹性模量和泊松比分布矩阵中每两个元素之间的间距。
7.根据权利要求1所述的基于数字图像的微细观材料表面力学性能测量方法，其特征在于：所述光学仪器为同轴光源的电子显微镜，在步骤S1之前准备，根据自身需要选择显微镜镜头的放大倍数，调整显微镜镜头的垂直高度以及显微镜同轴光源的亮度可以使得电脑采集的图片更加明亮清晰，调整显微镜镜头的水平位置选择材料表面准备测量区域。
8.根据权利要求1所述的基于数字图像的...
【技术特征摘要】
1.一种基于数字图像的微细观材料表面力学性能测量方法，其特征在于：包括以下具体步骤：步骤s1，施加荷载与数据采集，借助光学仪器采集原位加载装置上的待测材料表面局部测量区域变形前的图片作为参考图片，以及在单轴荷载激励下的序列变形图片，所述原位加载装置上的荷载传感器同步记录采集图片时的施加的荷载值f，每采集一张图片都能够得知其对应的荷载值；步骤s2，图片数据处理，将采集到的所述参考图片和所有变形图片导入数字图像软件中进行分析，以所述参考图片作为基准，分别利用特征点匹配的方法和线性应变计算方法分析不同荷载下变形图片测量区域的位移场和应变场，最后导出包含有所有位移场和应变场信息的数据文件；步骤s3，局部测量区域弹性模量和泊松比分析，对处理得到的应变场数据进行信息提取，得到任意一个像素点位置在不同荷载激励下的应变信息，结合某一像素点在所有荷载下的应变信息，得到该像素点的弹性模量和泊松比，将其按像素位置排列得到待测材料局部测量区域弹性模量和泊松比分布；步骤s4，整体弹性模量表征，先通过ga u s sia n拟合方法对像素点弹性模量数据进行分割处理得到不同的相，再使用基于m-t(mo ri-ta na ka)理论方案的均匀化方法表征待测材料的整体宏观弹性模量。
2.根据权利要求1所述的基于数字图像的微细观材料表面力学性能测量方法，其特征在于：步骤s3中，对步骤s2中总共采集的n张变形图片，分别对应荷载fk(k＝1，2...n)，其中，k表示图片编号，从每一张变形图片的数据文件中提取每个像素点的平行荷载方向的应变场εx(xj，yj)和垂直荷载方向的应变场εy(xj，yj)，两个应变场都是以像素点位置为坐标的，其中，j表示像素点的编号，(xj，yj)表示编号为j的像素点的坐标，通过泊松比的计算公式v(xj，yj)＝εx(xj，yj)/εy(xj，yj)，得到每一张图片以像素点为坐标点的泊松比分布vk(xj，yj)，从而得出像素点j处的泊松比为从而求得局部测量区域的泊松比分布v，提取局部测量区域平行荷载方向上的位移场，求得测量区域在不同荷载下平行荷载方向上的距离uk以及距离变化δuk，再根据泊松比求得不同荷载下测量区域所在横截面的面积为正负号表示压缩和拉伸，其中s为初始横截面积，然后求得不同荷载下测量区域的平行荷载方向的应力为σk＝fk/sk，同时前面已经求的不同荷载下平行荷载方向的应变场εx，进而求得任一像素点位置处在不同荷载下的应力和应变值[εx(xi，yi)，σ]k，将该像素点处在不同荷载下得应力应变值放在同一坐标轴下，即可获得该像素点处在整个加载过程中得应力-应变曲线，取应力应...
【专利技术属性】
技术研发人员：高子淇，雷冬，段建华，何锦涛，杜文康，宋辉，周锴旸，余昊，洪淼，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：
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