非接触式DIC测试系统用于揭示疲劳演化与失效秘密

2023年6月16-18日，由中国材料研究学会疲劳分会主办、中国科学院力学研究所和北京科技大学共同承办的“第五届全国青年疲劳学术研讨会”在北京成功举办。

本次会议主要研讨的主题包括先进材料的疲劳、疲劳与断裂力学、服役环境下的疲劳行为、装备的疲劳失效与寿命预测、多尺度疲劳问题、疲劳与断裂微观机制等，旨在更好地推动我国疲劳领域看科研和学术交流，促进科技创新和工程应用。

在疲劳学术研讨会主题报告中，多名学者均提到数字图像相关法（DIC）技术在疲劳与断裂力学研究中的应用。新拓三维携XTDIC三维全场应变测量系统参展，XTDIC系统拥有“三维”、“非接触”、“全视场”等特点，近年来在实验力学、疲劳失效力学分析中的研究应用中分外活跃。XTIDC系统可实现对材料力学特性研究和结构疲劳分析，受到高校学者和科研人员的青睐和认可。

循环疲劳是工程系统中许多灾难性故障的根本原因，著名的例子包括飞机、汽车构件、生物医学材料、电子封装、铁路、桥梁等。由循环加载引起的金属材料的弱化最终导致应力作用下的断裂，通常大大低于在单向加载下引起断裂的应力。这样的故障通常发生在长期循环加载之后，使预测故障何时发生复杂化。

设计安全关键元件，使其能够超过临界循环次数，需要了解材料在所需循环次数下的疲劳强度。疲劳寿命的变化可能归因于材料加工或组件制造过程中引入的罕见缺陷的存在，或材料本身的固有特征（包括屈服强度、极限抗拉强度和硬度等），疲劳强度随着屈服强度或极限抗拉强度的增加而增加。随着外加应力的增加，金属材料会发生不可逆的变形，表现为局部滑移事件，反复循环导致疲劳失效。

新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，基于数字图像相关法（DIC）原理，通过对材料和结构从加载到断裂全过程进行图像采集，并利用DIC分析软件计算得到材料或结构加载过程中的位移场、应变场及应变速率的变化，分析并得出裂纹出现及演化规律。测试数据还可用于验证疲劳研究的理论计算和建模仿真分析，探索疲劳裂纹开裂及失效发展的规律，并能更好地揭示其内在失效机理。

由于疲劳实验的特性，循环加载时间长，这就使得DIC的数据采集具有较大的数据量，为存储带来压力。针对不同疲劳测试需求，新拓三维提供高速相机和相移方法两种不同的数据采集方式。对于疲劳实验，加载方式通常为正弦波和三角波等波形加载，实验频率通常在几到几十赫兹不等。

高速摄像机DIC测试方案

高速相机搭配DIC测量软件的测试方案，对整个加载周期进行连续图像采集，以确保整个加载卸载过程都能被完整记录下来，可直接对数据进行位移、变形、振动频率和振型分析，采用高频率的高速相机数据量往往较大。

高速摄像机数据采集示意图

低速相机+DIC全场疲劳测试方案

在疲劳试验中，试样失效时间长，采集数据量庞大。在高频实验中，高速相机超大的数据量无法实时传输到计算机中。以上两种方式都不能保证采集到真正的波峰波谷。

通过XTDIC分析软件，可根据疲劳加载实验触发锁相环功能，精确捕捉疲劳加载过程完整周期实验数据，还原疲劳加载周期变形和位移数据；精确记录疲劳实验运行周期和峰值下变形特性，多个相位还原一个疲劳周期；低速相机分辨率高，可对局部重点区域进行更为准确计算，测试成本低。

相移方法图像采集示意图

钛合金霍普金森杆高速冲击实验