使用数字图像相关法对微结构小疲劳裂纹扩展进行全场应变测量

采用数字图像相关方法对微结构尺度下的微小疲劳裂纹扩展进行全场应变测量。为提高船舶等交通工具的能源效率，需要开发新型轻量化解决方案；通过使用先进钢材，可实现大型钢结构的减重。高效利用这些材料需要高质量的制造工艺和稳健的设计方法。稳健的设计方法意味着需在真实载荷条件下进行结构分析，例如针对邮轮所承受的波浪诱导载荷。结构强度分析包括响应计算，以确定结构的变形与应力。许用应力水平基于关键结构细节的强度确定；对于大型结构，通常指均质微观结构中的焊接接头。其中一个关键设计挑战是疲劳问题，因其具有累积性和局部性特征，例如在焊缝缺口处。对于高制造质量而言，最重要的问题是微小疲劳裂纹的萌生与扩展，因为类裂纹的制造缺陷通常被忽略。

本研究聚焦于微小疲劳裂纹，并引入一种新的实验方法，该方法的创新之处在于结合了独特的图案技术进行原位全场应变测量，同时进行裂纹扩展速率的测定。此外，微观结构分析揭示了剪应力集中和晶界对微小疲劳裂纹扩展迟滞的影响。我们阐述了测量过程的主要步骤，并对主要研究结果进行了总结性讨论。第一步：试样制备与退火处理，将钢板在氮气气氛中于1200摄氏度下退火一小时，随后水淬。该退火工艺使所研究的铁素体钢平均晶粒尺寸增大至349微米，且未出现明显的碳化铬颗粒析出。采用电火花加工技术，从退火后的钢板上切割出厚度为1毫米的带缺口试样。试样示意图如下所示。

试样表面经过抛光处理，最后使用0.02微米胶体二氧化硅进行振动抛光，以满足电子背散射衍射分析的要求。步骤二：疲劳预裂纹。将试样施加10赫兹疲劳频率的单轴循环载荷，在缺口尖端产生长度为1微米至20微米的初始裂纹。在循环加载10,000次后，通过光学手段监测初始裂纹的形成；若未形成初始裂纹，则重复循环加载测试。

第三步，微观结构表征，采用维氏显微压痕标记目标区域，利用电子背散射衍射分析，在缺口附近的试样侧表面研究钢的微观结构。此处展示了施密德因子和晶界取向差分析结果。第四步，制备散斑图案，用乙醇清洁试样表面，在玻璃表面涂覆一层薄墨水，将带有图案的硅胶印章压在玻璃上，使墨水层转移至印章表面。我们使用自制的气动工具，以实现对印章操作的快速性和精确性。将沾有墨水的硅胶印章压在试样表面，通过光学显微镜检查散斑图案质量，此处展示了一个典型的散斑图案示例。

第五步，采用数字图像相关法进行疲劳测试，运行疲劳测试并与图像记录系统同步，当裂纹长度接近临界值或塑性变形开始占主导时，疲劳测试持续进行。第六步，结果分析，使用商业软件对获得的图像进行分析，以计算裂纹扩展速率并执行数字图像相关分析；对研究区域进行剪切应变变形分析，对所得结果进行累积分析；利用维氏显微压痕标记，将剪切应变变形场与电子背散射衍射图谱数据、晶界及晶粒取向图进行准确对齐。代表性结果：在短疲劳裂纹扩展过程中，亚晶尺度下的剪切应变场累积；剪切应变场累积与所研究钢材料微观结构的综合视图；裂纹扩展速率与剪切应变累积分析的结合揭示了小疲劳裂纹扩展的可能机制：小疲劳裂纹从预制裂纹工艺产生的初始裂纹处开始扩展，剪切应变区在裂纹尖端前方局部化，且随着裂纹向局部化区域扩展，剪切应变区的尺寸逐渐增大；当裂纹接近应变局部化区域时，由于裂纹扩展模式的改变，裂纹扩展速率显著降低；裂纹穿过应变局部化区域中心后，裂纹扩展速率持续增加；当下一个应变局部化区域在裂纹尖端前方形成时，裂纹扩展速率随即再次开始下降。

结论，新研究提供了对微小疲劳裂纹扩展行为的更深入理解，通过结合裂纹扩展速率测量与晶粒尺度以下的应变场分析，有助于揭示导致微小疲劳裂纹异常扩展的机制，这种对微小疲劳裂纹扩展行为的更深入理解，使得未来开发新的理论方法成为可能，从而实现更轻量化且更节能结构的设计。