基于數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)的金屬試件極端高溫拉伸下應(yīng)變場演化與孔邊應(yīng)力集中研究

　　極端高溫?zé)彷d作用下金屬材料的非線性應(yīng)變演化規(guī)律及應(yīng)力集中機(jī)理使用高溫數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）系統(tǒng)測量。

　　1.實(shí)驗(yàn)背景

　　航空發(fā)動機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)葉片、燃燒室等核心部件的工作溫度通常在900~1000°C區(qū)間，此極端高溫會加劇金屬材料的蠕變、熱疲勞及應(yīng)力腐蝕行為，故需對金屬材料在高溫服役條件下的可靠性進(jìn)行評估，傳統(tǒng)點(diǎn)式應(yīng)變測量難以揭示材料在高溫拉伸過程中因幾何形狀如孔洞引起的應(yīng)變演化與失穩(wěn)機(jī)理。

　　某航空實(shí)驗(yàn)室，引入中科君達(dá)視界提供的千眼狼高溫數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）系統(tǒng)，對具有特殊幾何形狀的方形金屬試件在高溫?zé)彷d下的非均勻變形行為進(jìn)行研究。

　　2.實(shí)驗(yàn)設(shè)計

　　2.1 試件與加載

　　實(shí)驗(yàn)采用帶中心孔洞的方形金屬拉伸試件，中心孔洞作為幾何不連續(xù)源，用于誘發(fā)局部應(yīng)力集中與非均勻變形。實(shí)驗(yàn)在高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)上完成，實(shí)驗(yàn)溫度穩(wěn)定控制在980°C，加載過程采用位移控制，保證試件變形連續(xù)性、重復(fù)性。

　　2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

　　實(shí)驗(yàn)核心設(shè)備為千眼狼高溫數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）系統(tǒng)，4096×3000 @29 fps；配備紅外濾光片抑制爐內(nèi)熱輻射對成像質(zhì)量的干擾；DIC分析軟件通過子區(qū)匹配追蹤拉伸前后圖像中散斑點(diǎn)位移，實(shí)現(xiàn)高溫條件下位移場和拉格朗日應(yīng)變場（Exx,Eyy）的計算。

　　2.3 ROI選擇

　　為精確捕獲試件在中心孔洞區(qū)域的應(yīng)變集中和分布情況，在孔洞周圍對稱選取4個階段矩形區(qū)域，矩形0和矩形1分別選擇在中心孔洞的左右兩側(cè)，這兩個區(qū)域用于捕捉橫向收縮與孔邊應(yīng)變集中；矩形2和矩形3分別選擇中心孔洞的上下兩側(cè)，這兩個區(qū)域反映了拉伸主載荷方向（Y方向）上的變形演化。

　　3.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　3.1 垂直于加載方向（X方向）的拉格朗日應(yīng)變Exx演化特征

　　在0~300 s加載期，階段矩形0~3的X方向拉格朗日應(yīng)變Exx均表現(xiàn)為緩慢線性增長的負(fù)應(yīng)變，表明試件處于彈性-塑性變形階段，負(fù)應(yīng)變主要體現(xiàn)泊松效應(yīng)，即垂直于拉伸方向的收縮。當(dāng)加載試件超過300 s后，Exx的演化出現(xiàn)明顯分區(qū)特征：左右階段矩形0、矩形1負(fù)應(yīng)變呈現(xiàn)明顯的拋物線式向下加速增長趨勢，表明材料在孔洞兩側(cè)開始進(jìn)入塑性流動階段，出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，導(dǎo)致泊松收縮效應(yīng)增強(qiáng)；上下階段矩形2、矩形3負(fù)應(yīng)變?nèi)员３志€性增長，表明孔洞上下區(qū)域遠(yuǎn)離應(yīng)力集中區(qū)，塑性變形相對較緩。

　　3.2 加載方向（Y方向）的拉格朗日應(yīng)變Eyy演化特征

　　前240 s加載階段，左右上下區(qū)域Eyy應(yīng)變均表現(xiàn)為穩(wěn)定線性正應(yīng)變增長態(tài)勢，表明該階段材料整體處于高溫塑性拉伸階段，軸向應(yīng)變主要來自拉伸載荷，孔洞誘發(fā)的局部效應(yīng)尚未主導(dǎo)形變；240 s后，左右區(qū)域Eyy應(yīng)變線性增長轉(zhuǎn)變?yōu)榧铀傧蛏显鲩L的非線性趨勢，而上下區(qū)域應(yīng)變?nèi)员３制骄徳鲩L態(tài)勢，表明孔洞左右兩側(cè)沿拉伸方向是應(yīng)力集中區(qū)，在極端高溫下，材料屈服應(yīng)力降低，左右區(qū)域在應(yīng)力集中與材料軟化的共同作用下應(yīng)變加速累積，而上下區(qū)域在孔洞與載荷對稱性約束下，仍保持相對均勻的軸向應(yīng)變增長。

　　4.實(shí)驗(yàn)結(jié)論

　　I. 數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)能夠在極端高溫拉伸條件下獲取金屬試件的全場拉格朗日應(yīng)變演化數(shù)據(jù)，揭示金屬材料的屈服和塑性變形機(jī)制，孔洞兩側(cè)區(qū)域的應(yīng)變加速增長是高溫下材料塑性軟化和局部頸縮的表現(xiàn)。

　　II. 依據(jù)數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）系統(tǒng)測量的應(yīng)變分布和集中區(qū)域，金屬材料結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計上需要重點(diǎn)強(qiáng)化類似孔洞幾何結(jié)構(gòu)橫向邊緣強(qiáng)度，以應(yīng)對加速增長的局部應(yīng)變所帶來的失效風(fēng)險。

　　轉(zhuǎn)自：濟(jì)南日報

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