鎳基材料因其優(yōu)異的強(qiáng)度、耐腐蝕性及抗疲勞性能，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)葉片、燃?xì)廨啓C(jī)等關(guān)鍵部件。然而，在其服役過程中，力學(xué)性能的精準(zhǔn)評估（尤其是局部變形和斷裂行為）仍存在挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)應(yīng)變片僅能測量單點(diǎn)應(yīng)變，有限元仿真依賴材料模型假設(shè)，難以捕捉實(shí)際拉伸過程中材料的動態(tài)應(yīng)變分布與斷裂演化。
本案例借助數(shù)字圖像相關(guān)dic技術(shù)，對某鎳基材料標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣進(jìn)行全場應(yīng)變監(jiān)測，揭示其拉伸變形至斷裂的全流程力學(xué)響應(yīng)，為材料設(shè)計(jì)優(yōu)化與失效預(yù)防提供數(shù)據(jù)驅(qū)動依據(jù)。
DIC原理、技術(shù)對比和重要性
DIC原理
新拓三維XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)，基于圖像匹配算法，通過追蹤材料表面隨機(jī)散斑圖案的位移變化，計(jì)算全場位移及應(yīng)變分布。其核心步驟包括：
圖像采集：在試樣表面制備高對比度散斑，通過高速相機(jī)連續(xù)拍攝加載過程中的變形圖像。
相關(guān)性計(jì)算：基于灰度值匹配算法（如零均值歸一化互相關(guān)，ZNCC），計(jì)算變形前后圖像子區(qū)的位移矢量。
應(yīng)變場重構(gòu)：通過位移梯度張量推導(dǎo)全場應(yīng)變（如Green-Lagrange應(yīng)變、工程應(yīng)變）。
DIC支持二維（2D-DIC）與三維（3D-DIC）測量，本案例采用3D-DIC以消除離面位移誤差。
技術(shù)對比：DIC與傳統(tǒng)方法
指標(biāo) | DIC技術(shù) | 傳統(tǒng)應(yīng)變片 | 有限元仿真（FEA） |
測量維度 | 全場2D/3D應(yīng)變 | 單點(diǎn)應(yīng)變 | 全場模擬，依賴模型假設(shè) |
數(shù)據(jù)真實(shí)性 | 基于實(shí)際變形，無接觸干擾 | 接觸式，易受貼片質(zhì)量影響 | 數(shù)值近似，需實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 |
動態(tài)捕捉能力 | 支持高頻采樣（本案例1Hz） | 響應(yīng)速度受限（<10Hz） | 靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)分析為主 |
斷裂捕捉精度 | 可定位裂紋萌生與擴(kuò)展路徑 | 僅能反饋整體斷裂點(diǎn) | 需預(yù)設(shè)失效準(zhǔn)則，誤差顯著 |
DIC技術(shù)應(yīng)用的重要性
局部應(yīng)變集中監(jiān)測：捕捉鎳基材料的應(yīng)變局部化行為，避免平均值掩蓋失效
失效機(jī)理研究：揭示鎳基材料應(yīng)變局部化與裂紋擴(kuò)展路徑的關(guān)聯(lián)性。
工藝優(yōu)化：驗(yàn)證材料各向異性對拉伸性能的影響，指導(dǎo)材料選擇與處理工藝改進(jìn)。
質(zhì)量控制：為仿真模型（如ABAQUS）提供高精度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提升預(yù)測可靠性。
方案組成和關(guān)鍵指標(biāo)
DIC測量軟硬件方案組成
成像系統(tǒng)：雙目DIC工業(yè)相機(jī)，同步觸發(fā)控制器。
照明系統(tǒng)：LED藍(lán)光冷光源（避免環(huán)境光干擾），均勻照射試樣表面。
散斑制備：啞光黑底漆+白色啞光漆噴涂。
圖像處理：DIC軟件，支持亞像素插值算法。
數(shù)據(jù)分析：全場應(yīng)變云圖、主應(yīng)變方向、裂紋張開位移（COD）定量分析。
解決的問題
鎳基材料局部頸縮區(qū)域的應(yīng)變梯度量化。
裂紋萌生位置與擴(kuò)展速率的動態(tài)追蹤。
材料各向異性導(dǎo)致的應(yīng)變分布非均勻性表征。
實(shí)際案例：鎳基材料拉伸試驗(yàn)過程
1、實(shí)驗(yàn)前靜態(tài)狀態(tài)試算
實(shí)驗(yàn)前，采用XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)對試件靜態(tài)狀態(tài)進(jìn)行采集試算，確認(rèn)可完整計(jì)算云圖數(shù)據(jù)后，即可進(jìn)行正式拉伸應(yīng)變測量實(shí)驗(yàn)。
2、開始正式實(shí)驗(yàn)
XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)開始采集圖像，試驗(yàn)機(jī)按預(yù)設(shè)的工況開啟拉伸，DIC雙目相機(jī)完整記錄實(shí)驗(yàn)拉伸過程。
實(shí)際案例：數(shù)據(jù)和分析
試件拉伸過程中，DIC軟件輸出不同階段的位移、應(yīng)變云圖。
拉伸初始狀態(tài)：
DIC軟件分析位移云圖&應(yīng)變云圖
拉伸中：
DIC軟件分析位移云圖&應(yīng)變云圖
斷裂前：
DIC軟件分析位移云圖&應(yīng)變云圖
斷裂后：
選取點(diǎn)點(diǎn)距離，DIC軟件中導(dǎo)出位移伸長量沿時(shí)間變化曲線。
數(shù)據(jù)分析
1、全場變形分析，輸出位移云圖（識別變形均勻性，局部變形集中區(qū)域，如頸縮起始點(diǎn)）、應(yīng)變云圖（分析應(yīng)變局部化、各項(xiàng)異性特性，驗(yàn)證材料本構(gòu)模型準(zhǔn)確性）。
2、斷裂機(jī)理與失效預(yù)測，分析斷裂瞬間的應(yīng)變集中區(qū)域，揭示裂紋萌生位置及擴(kuò)展路徑，量化頸縮區(qū)域的真實(shí)應(yīng)變，修正傳統(tǒng)工程應(yīng)變-應(yīng)力曲線的局限性。
3、位移伸長量-時(shí)間曲線：結(jié)合加載條件（如應(yīng)變率），分析材料彈性階段、屈服平臺、塑性流動、頸縮階段的動態(tài)響應(yīng)特性，揭示鎳基材料的應(yīng)變率敏感性
4、驗(yàn)證仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)：DIC提供的全場應(yīng)變數(shù)據(jù)可用于驗(yàn)證數(shù)值模擬（如ABAQUS）的準(zhǔn)確性，優(yōu)化材料參數(shù)（如硬化模型、損傷參數(shù)）。