機(jī)械性能測(cè)試的應(yīng)用貫穿于科研到生產(chǎn)階段，測(cè)定材料的力學(xué)性能，從材料的服役條件和失效現(xiàn)象出發(fā)，研究失效的原因和規(guī)律、提出合理的衡量指標(biāo)，證明產(chǎn)品的耐用性、穩(wěn)定性和安全性，從而讓產(chǎn)品獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

　　微觀尺度下材料力學(xué)的應(yīng)變測(cè)試，對(duì)微觀材料力學(xué)的測(cè)定至關(guān)重要。使用微米甚至納米級(jí)光學(xué)/電子顯微鏡，搭配數(shù)字圖像相關(guān)法（DIC技術(shù)），通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)得材料的載荷-位移曲線，可快速、精確地測(cè)出被拉伸材料的力學(xué)性質(zhì)，如彈性模量，屈服強(qiáng)度等。

　　一、測(cè)量需求

　　拉伸試驗(yàn)可測(cè)定材料的一系列強(qiáng)度指標(biāo)和塑性指標(biāo)，比如材料在外力作用下抵抗產(chǎn)生彈性變形、塑性變形和斷裂的能力?？蒲袑?shí)驗(yàn)室用戶通過(guò)測(cè)定細(xì)微金屬材料的這些參數(shù)，掌握金屬材料抵抗外力拉伸的能力與塑性高低，檢驗(yàn)金屬材料是否符合規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。

　　二、原有測(cè)量方式的不足

　　在實(shí)驗(yàn)固體力學(xué)領(lǐng)域中，對(duì)于不同載荷下，材料表面的變形測(cè)量一直是一個(gè)較難的課題。傳統(tǒng)的方式是采用接觸式測(cè)量方法，比如電阻應(yīng)變片、電阻應(yīng)變計(jì)等接觸式測(cè)量。

　　由于材料尺寸小的限制，傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量工具，已不能再用于該領(lǐng)域的測(cè)量中。另外，應(yīng)變片測(cè)的兩點(diǎn)之間的單向數(shù)據(jù)，獲取的是兩點(diǎn)之間應(yīng)變的平均值；對(duì)于大變形、各向異性的材料、介觀尺度的實(shí)驗(yàn)等應(yīng)變片難以應(yīng)用。

　　三、新拓顯微DIC測(cè)量方案

　　微細(xì)尺度下材料機(jī)械力學(xué)性能的測(cè)試，它的應(yīng)用對(duì)細(xì)觀力學(xué)及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展起到了積極地推動(dòng)作用。新拓DIC顯微測(cè)量方案采用了數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，安裝在顯微鏡上的XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)分析材料表面的變形。由于采用了顯微鏡對(duì)材料進(jìn)行高倍放大，新拓三維采用了高精密度的標(biāo)準(zhǔn)正交柵格和自主研發(fā)的軟件算法對(duì)畸變誤差進(jìn)行了調(diào)教，達(dá)到提高計(jì)算精度的目的。

　　試件為啞鈴狀金屬材質(zhì)的金屬材料，被測(cè)試樣標(biāo)距段寬度僅2.5mm，擬采用新拓三維顯微DIC測(cè)量系統(tǒng)對(duì)被測(cè)部位進(jìn)行一定程度的放大，采用非接觸的方式獲取到試樣在拉伸過(guò)程中位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)，并得到應(yīng)力應(yīng)變曲線。試樣如圖所示。

　　實(shí)驗(yàn)方案

　　新拓三維顯微應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)采集裝置主要用于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的圖像采集；同步控制用于控制相機(jī)的同步觸發(fā)采集；力值通訊線用于將實(shí)驗(yàn)機(jī)的力值傳導(dǎo)到DIC系統(tǒng)；圖像分析軟件用于對(duì)所獲取的數(shù)字圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理。

　　將金屬材料試件裝夾于原位拉伸機(jī)，保證兩端加緊，不會(huì)出現(xiàn)滑移。根據(jù)被測(cè)試樣大小，顯微鏡選擇2倍放大倍率，如圖所示。

　　顯微圖像采集

　　原位拉伸機(jī)準(zhǔn)備就緒后，將原位拉伸機(jī)（帶金屬材料試件）挪動(dòng)至顯微鏡頭下。放大后的金屬材料試件圖案如圖所示。

　　拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)按照0.01mm/s的速度進(jìn)行設(shè)置，顯微DIC設(shè)置工業(yè)相機(jī)1秒2幀的采樣速率進(jìn)行采集，拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)與工業(yè)相機(jī)同步開(kāi)啟，直至金屬材料試件斷裂破壞，完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的圖像采集。

　　數(shù)據(jù)結(jié)果

　　在新拓三維XT DIC系統(tǒng)軟件中框選金屬材料試件散斑域，添加種子點(diǎn)，可快速分析出被測(cè)試樣表面位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)。

　　1、最初拉伸時(shí)金屬材料合位移場(chǎng)：

　　2、拉伸力最大時(shí)金屬材料合位移場(chǎng)：

　　3、斷裂前金屬材料合位移場(chǎng)：

　　4、最初拉伸時(shí)金屬材料最大主應(yīng)變場(chǎng)：

　　5、拉伸力最大時(shí)金屬材料最大主應(yīng)變場(chǎng)：

　　6、斷裂前金屬材料最大主應(yīng)變場(chǎng)：

　　7、選取任意一點(diǎn)可繪制出該點(diǎn)隨時(shí)間的位移曲線、應(yīng)變曲線。

　　8、根據(jù)實(shí)驗(yàn)機(jī)傳導(dǎo)的力值以及金屬材料試件尺寸，以應(yīng)力值作為縱坐標(biāo)，應(yīng)變值作為橫坐標(biāo)可繪制出應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖所示。

　　從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，當(dāng)拉伸試驗(yàn)機(jī)拉力在600力值之前，金屬材料彈性變形區(qū)和塑性變形區(qū)，在彈性變形區(qū)，材料發(fā)生可完全恢復(fù)的彈性變形，應(yīng)力和應(yīng)變呈正比例關(guān)系。當(dāng)拉力達(dá)到700力值時(shí)，曲線中直線部分的斜率即是拉伸彈性模量值，它代表材料的剛性。在塑性變形區(qū)，應(yīng)力和應(yīng)變?cè)黾硬辉诔收汝P(guān)系，最后出現(xiàn)斷裂。

　　隨著DIC技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)成熟應(yīng)用于微尺度變形場(chǎng)的測(cè)量上，由于新拓三維XTDIC全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)分析的視場(chǎng)可大可小，且其精度不受視場(chǎng)大小的影響，因此在微尺度力學(xué)實(shí)驗(yàn)上具有獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)。新拓三維顯微DIC系統(tǒng)可用于微米甚至納米級(jí)材料的力學(xué)性能測(cè)試，在高光學(xué)放大倍數(shù)下進(jìn)行全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量的，在微細(xì)觀力學(xué)實(shí)驗(yàn)中具有廣闊的應(yīng)用前景。