本发明涉及实验固体力学技术领域，具体地，涉及一种微观尺度下金属薄板剪切大应变测试方法及系统。
背景技术：
与单向拉伸测试相比，金属薄板剪切测试因其无颈缩、可实现大应变等优点受到关注，结合数字图像相关(digitalimagecorrelation,dic)这种先进的应变测试手段，剪切可以被用来进行金属薄板硬化、屈服和断裂等行为的表征，大大加深人们对薄板材料变形行为的认识。但是，近期一些研究发现，剪切测试中dic应变计算结果与虚拟应变片尺寸(virtualstraingaugesize,lvgs)参数设置相关，特别是在大应变阶段，变形集中在微区，微区应变计算结果对lvgs更加敏感。一般来说，dic应变计算结果会随着lvgs的减小而收敛，该收敛值即被认为是测试所得值，但由于dic测试系统性能、试样散斑尺寸和环境噪声等因素的限制，lvgs无法设置的很小，致使剪切大变形阶段应变计算结果可能未完全收敛。通过调研资料发现，目前大部分研究者进行的剪切dic测试中,使用的lvgs值最小只能达到0.1mm左右，计算结果的收敛性难以评价。
近年来，学者们在微观尺度对金属薄板的剪切大变形应变进行了一系列的研究和测量。ghahremaninezhad和scales等人分别于2013年和2016年(a.ghahremaninezhad,etal.，int.j.fracture,2013；m.scalesetal.，int.j.solidsstruct.,2016.)对铝合金试样剪切变形集中区域晶粒取向进行了方向测量，计算得出微区应变，发现微区应变比dic测试所得应变大，即dic低估了材料的应变，但其方法存在的问题是需要对剪切变形的模式做出一定的假设，假设模式是否与实际模式一致有待考量。2017年～2020年，rahmaan和pathak等人通过材料微观结构取向测量和变形前后硬度测试等方法进行了一系列间接测量和计算工作(rahmaan,t.,etal.，int.j.impacteng.，2017；pathak,n.,etal.,exp.mech.,2019；pathak,n.,etal.,j.mech.phys.solids,2020)，发现在剪切大应变阶段，传统dic手段计算得到的应变比真实应变小，即dic测试结果可能已经失真，但是，rahmaan和pathak等人工作的问题在于对剪切变形模式和材料力学行为进行了理论假设，在理论假设基础上才能计算得到应变，理论假设对计算结果的影响难以评估，同时，其提出的材料微观结构取向测量方法无法消除试样刚性转动对测试结果的影响，这进一步限制了其应用。
综上，目前剪切测试的dic应变计算中存在lvgs难以进一步减小、应变间接计算结果可靠性难以评估等问题，需要一种可靠的微观尺度下的金属薄板剪切大应变测试方法。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种微观尺度下金属薄板剪切大应变测试方法及系统，以解决上述问题。
根据本发明提供的一种微观尺度下金属薄板剪切大应变测试方法及系统，所述方案如下：
第一方面，提供了一种微观尺度下金属薄板剪切大应变测试方法，所述方法包括：
试样预处理步骤：对待剪切的试样表面需要进行应变测试的区域依次进行清洁、磨光、抛光和再清洁处理；
标记点制备步骤：根据测试需求确定标记点的分布和间距，在试样测试区域制备标记点；
试样变形过程采集记录步骤：采集记录试样变形过程中标记点的相对位置；
应变计算步骤：根据标记点相对位置的变化计算测试区域的应变。
优选的，所述试样预处理步骤中的清洁和再清洁处理通过酒精、丙酮进行。
优选的，所述试样预处理步骤中的磨光处理依次通过400目、800目和1200目砂纸进行，每道次磨光时间1～3min。
优选的，所述试样预处理步骤中的抛光处理依次通过9μm金刚石悬浮液、3μm金刚石悬浮液和0.03μm二氧化硅悬浮液进行，每道次抛光时间3～10min。
优选的，所述标记点制备步骤中的标记点制备方法为显微硬度点标记法或纳米压痕标记法。
优选的，所述试样变形过程采集记录步骤中的采集记录试样变形过程通过原位法或准原位法进行。
优选的，所述试样变形过程采集记录步骤中，根据标记点的大小和分布特点，采集记录试样变形过程的记录装置为光学显微镜、激光共聚焦显微镜或扫描电子显微镜。
优选的，所述应变计算步骤中的应变计算的方法为九点法或七点法。
第二方面，提供了一种微观尺度下金属薄板剪切大应变测试系统，所述系统包括：
试样预处理模块：对待剪切的试样表面需要进行应变测试的区域依次进行清洁、磨光、抛光和再清洁处理；
标记点制备模块：根据测试需求确定标记点的分布和间距，在试样测试区域制备标记点；
试样变形过程采集记录模块：采集记录试样变形过程中标记点的相对位置；
应变计算模块：根据标记点相对位置的变化计算测试区域的应变。
优选的，所述应变计算模块中应变计算的方法为九点法或七点法。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、与传统dic方法相比，本发明能实现更小的lvgs，即小于0.05mm，获得微观尺度下材料的应变，所得的应变结果更加接近真实情况；
2、本发明标记点制备方法简单、稳定、可靠，且成本低廉；
3、本发明的应变计算方法简单直接，无需对剪切变形模型进行理论假设，避免了间接计算方法存在的问题。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的流程图；
图2为本发明实施例制备的标记点示意图；
图3为本发明实施例制备的标记点及其变形实物图；
图4为本发明实施例九点法应变计算原理示意图；
图5为本发明实施例九点法应变计算结果；
图6为本发明实施例标记点示意图；
图7为本发明实施例七点法应变计算原理示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种微观尺度下金属薄板剪切大应变测试方法，叙述了1.6mm厚dp980板微观尺度下剪切大应变准原位测试方法。
实施例1：
参照图1所示，具体包括：试样预处理步骤：对待dp980剪切试样表面需要进行应变测试的区域依次进行清洁、磨光、抛光和再清洁处理，其中清洁和再清洁使用酒精进行，磨光处理依次通过400目、800目和1200目砂纸进行，每道次磨光时间2min；抛光处理依次通过9μm金刚石悬浮液、3μm金刚石悬浮液和0.03μm二氧化硅悬浮液进行，其中使用9μm金刚石悬浮液抛光3min，之后使用3μm金刚石悬浮液抛光3min，最后使用0.03μm二氧化硅悬浮液抛光5min，抛光完成后试样表面不应存在肉眼可见划痕。
参照图2和图3所示，标记点制备步骤：根据测试需求确定标记点的分布和间距，在试样测试区域制备标记点，在试样变形过程中标记点应清晰可见。标记点制备方法可以采用显微硬度点标记法或纳米压痕标记法。本实施例使用显微硬度点标记法，采用维氏硬度计在试样表面制备标记点，加载力98.07mn，保载时间10s，制备所得的标记点大小约为0.01mm，lvsg值约为0.04mm。
试样变形过程采集记录步骤：本实例采用准原位法采集记录试样变形过程中标记点的相对位置变化，即将试样在加载装置上加载到特定位移，根据标记点的大小和分布特点，采集记录试样变形过程的记录装置为光学显微镜、激光共聚焦显微镜或扫描电子显微镜。在本实施例中卸载之后取出试样并放在光学显微镜下观测，调整合适的放大倍数，记录该加载步下标记点形貌图片，反复执行上述过程，记录得到一系列加载步下的标记点形貌图片。
应变计算步骤：根据标记点相对位置的变化计算测试区域的应变，其中，应变计算的方法可以选用九点法。
参照图4所示，采用九点法计算应变，图4中为标记点p(i，j)在初始状态和第k步加载后与其邻近标记点的相对位置关系，在图片上量取各点坐标，可以得到以下两个矩阵：
其中，
其中(a) 表示矩阵a的moore-penrose逆，根据变形梯度可进一步计算得到该标记点相应的应变张量，重复上述过程可以得到其他标记点对应的变形梯度和应变张量。
参照图5所示，为本实施例计算得到的某加载步下试样测试区域的mises应变分布。
实施例2：
试样预处理步骤：对dp980剪切试样表面需要进行应变测试的区域依次进行清洁、磨光、抛光和再清洁处理，其中清洁和再清洁使用酒精进行，磨光处理依次通过400目、800目和1200目砂纸进行，每道次磨光时间2min；抛光处理依次通过9μm金刚石悬浮液、3μm金刚石悬浮液和0.03μm二氧化硅悬浮液进行，其中使用9μm金刚石悬浮液抛光3min，之后使用3μm金刚石悬浮液抛光3min，最后使用0.03μm二氧化硅悬浮液抛光5min。
标记点制备步骤：根据测试需求确定标记点的分布和间距，在试样测试区域制备标记点，本实施例采用纳米压痕仪在试样表面制备标记点，加载力小于9.807mn,加载速度小于20nm/s，所得标记点如图6所示，使用纳米压痕仪的目的是为了制备更小尺寸和间距的标记点，可以进一步减小lvsg值。
试样变形过程采集记录：本实例采用原位法采集记录试样变形过程中标记点的相对位置变化，即将试样在扫描电子显微镜原位加载装置上进行加载，调整扫描电子显微镜至合适的放大倍数，在加载的同时记录标记点形貌图片，使用原位法的主要目的是能更加全面的了解试样的变形历程。
应变计算：本实施例采用七点法计算应变，参照图7所示，为标记点p(i，j)在初始状态和第k步加载后与其邻近标记点的相对位置关系，在图片上量取各点坐标，可以得到以下两个矩阵：
其中
其中(a) 表示矩阵a的moore-penrose逆，根据变形梯度可进一步计算得到该标记点相应的应变张量，重复上述过程可以得到其他标记点对应的变形梯度和应变张量。使用七点法的目的是其对试样复杂形状边界的适应性更好。
本发明提供的一种微观尺度下金属薄板剪切大应变测试方法，将本发明与传统dic方法相比，本发明能实现更小的lvgs，即小于0.05mm，获得微观尺度下材料的应变，所得的应变结果更加接近真实情况；且本发明标记点制备方法简单、稳定、可靠，且成本低廉；应变计算方法简单直接，无需对剪切变形模型进行理论假设，避免了间接计算方法存在的问题。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
1.一种微观尺度下金属薄板剪切大应变测试方法，其特征在于，包括：
试样预处理步骤：对待剪切的试样表面需要进行应变测试的区域依次进行清洁、磨光、抛光和再清洁处理；
标记点制备步骤：根据测试需求确定标记点的分布和间距，在预处理后的试样测试区域制备标记点；
试样变形过程采集记录步骤：采集记录试样变形过程中标记点的相对位置；
应变计算步骤：根据标记点相对位置的变化计算测试区域的应变。
2.根据权利要求1所述的微观尺度下金属薄板剪切大应变测试方法，其特征在于，所述试样预处理步骤中的清洁和再清洁处理通过酒精、丙酮进行。
3.根据权利要求1所述的微观尺度下金属薄板剪切大应变测试方法，其特征在于，所述试样预处理步骤中的磨光处理依次通过400目、800目和1200目砂纸进行，每道次磨光时间1～3min。
4.根据权利要求1所述的微观尺度下金属薄板剪切大应变测试方法，其特征在于，所述试样预处理步骤中的抛光处理依次通过9μm金刚石悬浮液、3μm金刚石悬浮液和0.03μm二氧化硅悬浮液进行，每道次抛光时间3～10min。
5.根据权利要求1所述的微观尺度下金属薄板剪切大应变测试方法，其特征在于，所述标记点制备步骤中的标记点制备方法为显微硬度点标记法或纳米压痕标记法。
6.根据权利要求1所述的微观尺度下金属薄板剪切大应变测试方法，其特征在于，所述试样变形过程采集记录步骤中的采集记录试样变形过程通过原位法或准原位法进行。
7.根据权利要求1所述的微观尺度下金属薄板剪切大应变测试方法，其特征在于，所述试样变形过程采集记录步骤中，根据标记点的大小和分布特点，采集记录试样变形过程的记录装置为光学显微镜、激光共聚焦显微镜或扫描电子显微镜。
8.根据权利要求1所述的微观尺度下金属薄板剪切大应变测试方法，其特征在于，所述应变计算步骤中的应变计算的方法为九点法或七点法。
9.一种微观尺度下金属薄板剪切大应变测试系统，其特征在于，包括：
试样预处理模块：对待剪切的试样表面需要进行应变测试的区域依次进行清洁、磨光、抛光和再清洁处理；
标记点制备模块：根据测试需求确定标记点的分布和间距，在预处理后的试样测试区域制备标记点；
试样变形过程采集记录模块：采集记录试样变形过程中标记点的相对位置；
应变计算模块：根据标记点相对位置的变化计算测试区域的应变。
10.根据权利要求6所述的微观尺度下金属薄板剪切大应变测试系统，其特征在于，所述应变计算模块中应变计算的方法为九点法或七点法。
技术总结