基于数字图像相关的微结构小疲劳裂纹扩展的全场应变测量

使用数字图像相关性方法进行微结构小疲劳裂纹传播的全场应变测量。需要新的轻质解决方案来提高船舶等车辆的能源效率，减少大型钢结构的重量，使用先进的钢材料是可能的。高效利用需要高制造质量和稳健的设计方法，稳健的设计方法意味着在现实装载条件下进行结构分析，例如在游轮的波浪感应载荷下，结构强度分析包括定义变形和应力的响应计算，允许的应力水平是根据关键结构细节的强度来定义的，在大型结构中，它通常是在均匀的微结构中焊接接头，其主要设计挑战之一是疲劳，因为它的累积性和局部性，例如在焊接槽口，对于高制造质量来说，最重要的问题是小疲劳裂纹的启动和传播，因为裂纹一样制造缺陷被忽视。

本研究研究小疲劳裂纹，并介绍了一种新的实验方法，该方法的新颖性包括采用独特的模式技术进行原位全场应变测量，同时结合曲柄生长速率测量，同时微结构分析揭示了剪切应力浓度和颗粒边界对小疲劳裂纹迟钝的影响。我们解释了测量过程的主要步骤，并简要讨论了主要发现。第一步， 试样制备和退火，钢板在1200摄氏度的氮气中退火1小时，在水中淬火，退火过程导致所研究的钢的平均粒数增加至349微米，无碳化铬颗粒的延伸形成，用排放电加工从所研究的铁板中切出厚度为1毫米的滴答剂样品，此处显示了样本的方案。

试样表面抛光，以无点二微米胶体硅振动抛光进行抛光，这是电子背散射衍射分析所需的。第二步，疲劳预裂，试样受单轴环载荷和疲劳频率10赫兹，初始裂纹长度从1微米到20微米在槽口尖端产生。光学监测初始裂纹形成后，10，000个周期的循环加载，重复循环加载测试，如果未产生初始裂纹。

第三步，采用微结构表征、微缩痕标记，利用电子反散射衍射分析，从试样样品的侧表面对钢的微结构进行了研究。此处显示了施密德因子和颗粒边界方向错误分析。第四步，用图案装饰，用乙醇清洁试样表面，在玻璃表面沉积薄薄的油墨层，用玻璃上的图案压下硅胶邮票，将一层油墨移动到邮票表面，我们使用定制的气动工具快速、精确地操作邮票，向下压下样品表面覆盖着油墨的硅胶邮票，使用光学显微镜检查斑点图案质量，此处显示了斑点图案的示例。

第五步，疲劳测试与数字图像相关，运行疲劳测试，与图像记录系统同步，疲劳测试继续，而裂纹长度接近临界值或塑性变形开始占主导地位。第6步，结果分析，利用商业软件对获得的图像进行分析，进行裂纹生长速率计算和数字图像相关分析，分析剪切应变变形对研究区域，对所得到结果进行累积分析，利用维氏微缩进标记对剪切应变变形场与电子反散射图图数据进行正确对齐，颗粒边界，颗粒方向图。代表性结果，在短疲劳裂纹传播过程中，在亚粒大小下剪切应变场积累，结合所研究的钢的剪切应变场积累和微观结构，结合裂纹生长速率和剪切应变积累分析，给出小疲劳裂纹生长的可能机制，小疲劳裂纹从预开裂过程产生的初始裂纹开始传播，剪切应变区在裂纹尖端之前局部化，剪切应变区的大小在切变应变区向定位方向传播时，当裂纹接近应变定位区时，裂纹生长速率由于裂纹传播模式的变化而显著降低，裂纹在穿过应变定位区中心后，裂纹生长速率持续增加，裂纹增长率开始再次下降，只要下一个应变定位区已经形成之前裂纹尖端。

结论，新颖的研究对小疲劳裂纹生长行为有了更深入的了解，将裂缝生长速率测量与亚粒级应变场分析相结合，有助于揭示小疲劳裂纹异常生长的机理，对小疲劳裂纹生长行为的更深入理解，使小疲劳裂纹生长行为有可能开发新的理论方法，从而在未来设计出更轻、更节能的结构。