三維數(shù)字圖像相關(guān)法測(cè)量氧化鋯陶瓷的彈性模量

耿紅霞, 付朝華, 蔣小林, 謝惠民, 陳常青

(清華大學(xué) 航天航空學(xué)院, 北京 100084)

三維數(shù)字圖像相關(guān)法測(cè)量氧化鋯陶瓷的彈性模量

耿紅霞, 付朝華, 蔣小林, 謝惠民, 陳常青

(清華大學(xué) 航天航空學(xué)院, 北京 100084)

利用三維光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)(ARAMIS 3D)采集不同載荷下的氧化鋯陶瓷的數(shù)字圖像,并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算獲得了三維應(yīng)變?cè)茍D,測(cè)得了氧化鋯陶瓷的壓縮彈性模量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)可以為脆性的陶瓷材料力學(xué)性能提供一個(gè)可靠的研究途徑。

氧化鋯陶瓷； 彈性模量； 三維光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)；數(shù)字圖像相關(guān)

陶瓷材料具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),它的強(qiáng)度高、重量輕,同時(shí)還具有很好的耐高溫性、耐腐蝕性和耐磨損性,因此在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中得到了長足的發(fā)展[1-3]。但是陶瓷材料絕大多數(shù)是一種脆性材料,其力學(xué)性能的測(cè)量研究存在一定的困難。本文利用一種非接觸的三維光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)方便快捷地測(cè)量了氧化鋯陶瓷材料在彈性階段的變形行為,獲得了其彈性模量,為測(cè)量陶瓷材料的彈性模量提供了一種新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。該光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)是德國GOM公司基于當(dāng)今比較熱門的數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)開發(fā)的,由于具有2個(gè)攝像頭,所以可以實(shí)時(shí)觀測(cè)材料復(fù)雜表面的三維位移和變形云圖,測(cè)量精度高,結(jié)果形象直觀,可以為一些無法利用傳統(tǒng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)量的材料提供新的研究途徑。

1 材料和設(shè)備

制備氧化鋯陶瓷使用的是日本Tosoh氧化鋯粉體,是特殊制造的生物級(jí)粉體,非常適合應(yīng)用于口腔。把氧化鋯粉體放入不銹鋼模具中,壓制成直徑為10 mm、高度為10 mm的圓柱試樣5個(gè),放入燒結(jié)爐中燒結(jié)成型。燒結(jié)過程分3個(gè)階段:首先從室溫升溫到450 ℃,升溫時(shí)間為4.5 h,保溫1 h；然后從450 ℃升到1 200 ℃,升溫時(shí)間為2.5 h；最后從1 200 ℃升到1 350 ℃,保溫2 h,隨后自然冷卻至室溫。

利用黑白自噴漆在5個(gè)氧化鋯陶瓷柱體表面制備隨機(jī)分布的散斑,然后用WDW-100型號(hào)的材料萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)氧化鋯陶瓷柱體進(jìn)行壓縮,由于氧化鋯陶瓷硬度較大,所以壓縮時(shí)需在上下壓頭上各墊一塊硬質(zhì)合金以防損壞試驗(yàn)機(jī)壓頭。加載速度0.2 mm/min,初始載荷200 N,分級(jí)加載,記錄試樣的載荷-位移曲線。在加載過程中,利用三維光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)(ARAMIS 3D)采集分級(jí)載荷下的氧化鋯陶瓷的數(shù)字圖像,采集間隔為200 N,隨后進(jìn)行數(shù)字圖像相關(guān)計(jì)算得出三維應(yīng)變?cè)茍D。

2 三維數(shù)字圖像相關(guān)方法測(cè)量彈性模量的測(cè)試原理

三維數(shù)字圖像相關(guān)方法是在二維數(shù)字圖像相關(guān)方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,可以準(zhǔn)確觀察表面形狀復(fù)雜的材料或者構(gòu)件,具有二維方法不可比擬的優(yōu)越性,所以得到廣泛應(yīng)用[4-5]。該方法利用2個(gè)CCD鏡頭采集不同載荷下的系列圖像,利用數(shù)字圖像相關(guān)的計(jì)算方法得出不同載荷下試件的三維位移場(chǎng)和變形場(chǎng),最后對(duì)不同載荷下的測(cè)量區(qū)域的應(yīng)變?nèi)∑骄怠?yīng)力由各級(jí)不同的載荷除以試件的橫截面積得到,然后用最小二乘線性回歸擬合應(yīng)力-應(yīng)變曲線,斜率為材料的彈性模量。

3 結(jié)果與討論

通常情況下,陶瓷材料是符合虎克定律的脆性材料,幾乎沒有塑性變形,所以其彈性階段的力學(xué)性能非常重要,其中彈性模量是一個(gè)尤為重要的力學(xué)參數(shù),它很大程度上決定了陶瓷材料的彈性形變規(guī)律。而彈性模量取決于原子種類和化學(xué)鍵類型,是原子間距發(fā)生微小彈性位移所需外力的大小[6-7]。測(cè)量材料的彈性模量除了通過測(cè)定共振頻率來得到外,還有一種方法就是直接測(cè)量物體不同載荷下的變形。

測(cè)量材料的應(yīng)變和變形通常有兩種方法,電測(cè)法和光測(cè)法[8-9]。電測(cè)法是利用電阻應(yīng)變片測(cè)量物體的應(yīng)變,但是它只能測(cè)定物體單個(gè)點(diǎn)的某個(gè)方向的應(yīng)變,而且如果測(cè)點(diǎn)多的話,貼片、連接導(dǎo)線等準(zhǔn)備工作異常繁瑣。光學(xué)測(cè)量方法有很多種,如云紋法、激光散斑干涉法、數(shù)字圖像相關(guān)法等。其中數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)經(jīng)過不斷的改進(jìn)和完善,成了多個(gè)研究領(lǐng)域的重要的力學(xué)實(shí)驗(yàn)手段。本文利用三維數(shù)字圖像相關(guān)方法來測(cè)量氧化鋯陶瓷在分級(jí)載荷下的應(yīng)變。圖1是其中一個(gè)陶瓷樣品的散斑圖。

圖1 氧化鋯陶瓷試樣的散斑照片

圖2給出了在分級(jí)載荷下的氧化鋯陶瓷柱體的應(yīng)變?cè)茍D。可見,每個(gè)分級(jí)載荷下,樣品的應(yīng)變是均勻的,沒有出現(xiàn)明顯的應(yīng)變集中現(xiàn)象。根據(jù)每個(gè)分級(jí)載荷下的應(yīng)變?cè)茍D,計(jì)算出對(duì)應(yīng)載荷下的平均應(yīng)變,應(yīng)力通過載荷除以試件的橫截面積得到。

圖2 壓縮氧化鋯陶瓷在不同載荷下的軸向應(yīng)變?cè)茍D

圖3給出了應(yīng)力-應(yīng)變曲線,擬合得到的斜率即為彈性模量。5個(gè)試件測(cè)得的彈性模量見表1。從表中可見,彈性模量有一定的分散性。這是因?yàn)樘沾刹牧洗蠖际谴嘈圆牧?對(duì)缺陷非常敏感,所以其力學(xué)性能的分散性較大。陶瓷材料的彈性模量不僅與化學(xué)鍵密切相關(guān),而且還受陶瓷材料的組成相、相的體積分?jǐn)?shù)及氣孔率的影響。特別是氣孔率,陶瓷材料的彈性模量會(huì)隨著氣孔率的增加急劇下降[10-11]。因此,陶瓷材料的成型工藝對(duì)彈性模量影響重大,所以制備陶瓷材料時(shí)對(duì)工藝參數(shù)一定要嚴(yán)格要求。本文取平均值作為氧化鋯陶瓷的彈性模量,結(jié)果為233 GPa,該測(cè)量值與氧化鋯陶瓷的彈性模量準(zhǔn)確值(220 GPa)比較吻合,因此利用數(shù)字圖像相關(guān)法測(cè)定陶瓷材料的彈性模量是比較可信的。

圖3 壓縮氧化鋯陶瓷的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表1 氧化鋯陶瓷的彈性模量 GPa

4 結(jié)論

用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)測(cè)量氧化鋯陶瓷試樣的彈性模量為233 GPa,該方法為陶瓷材料的彈性變形行為的研究提供了一種可靠的方法。

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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

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51202122)

耿紅霞(1977—)，女，山東菏澤，博士，工程師，主要從事實(shí)驗(yàn)力學(xué)方面的研究.

E-mail：ghxia@tsinghua.edu.cn

O348.1； G420

B

1002-4956(2015)12- 0060- 03