名义均匀金属中数字体积相关技术的探索：X射线计算机断层扫描在Ti64合金变形场测量中的应用与优化

本研究针对名义均匀金属材料内部变形场测量难题，创新性地采用X射线计算机断层扫描(XCT)结合数字体积相关技术(DVC)，通过优化扫描参数和算法超参数，成功实现了Ti64合金三维位移场的高精度重构。研究揭示了边界信息对DVC分析的关键作用，提出了基于试样几何特征的动态网格控制策略，为均质金属材料微观变形机制研究提供了新方法学支撑。

　　

在材料科学与力学研究领域，精确测量金属材料内部三维变形场始终是重大挑战。传统数字图像相关技术(DIC)仅能获取表面变形信息，而数字体积相关技术(DVC)虽能实现体内部位测量，却长期受限于材料需具备明显内部标记物的特性。名义均匀金属（如广泛应用的Ti64钛合金）由于各相间X射线衰减差异微小，其DVC分析面临信噪比低、特征点不足等核心难题。如何通过实验室级X射线计算机断层扫描(XCT)系统实现这类材料的精准体积相关分析，成为突破材料本构关系研究和损伤机制认知的关键技术瓶颈。

剑桥大学固体力学研究团队在《Mechanics of Materials》发表的研究中，系统探索了DVC在Ti64合金中的应用范式。研究采用Nikon XTH 225 ST XCT系统，通过功率-分辨率平衡优化（8W功率实现9μm体素分辨率）、弹性配准框架(Elastix)和自由形变场重构等关键技术，结合独创的"特征增强断层扫描"(FETC)方法，首次建立了适用于均质金属的DVC全流程解决方案。团队设计了三组不同高径比的缺口试样，通过外置加载-扫描交替的实验方案，获取了塑性变形后的三维图像数据集。

在"名义均匀金属的数字体积相关分析"章节中，研究揭示了Ti64中α/β相（约10μm）作为天然标记物的可行性。通过控制点网格间距（300体素）和金字塔层级(n_pyr
=8)的参数优化，实现了局部高斯位移场（幅值140μm，σ=0.56R）的高保真重构，验证了材料内部灰度变异作为特征点的有效性。值得注意的是，当采用n_pyr
=2和8000次迭代时，位移场重构误差<ζ>可降至0.03以下。

"合成位移验证DVC保真度"部分通过刚性位移与自由形变的对比实验，颠覆了传统认知：边界位移（如500μm的刚体平移）因空气-材料界面的高对比度易被捕捉，而内部变形场重构更依赖控制点间距与图像金字塔的协同优化。研究首次发现，当采用n_pyr
=8和1000次迭代时，内部位移场重构会产生60%的误差，这揭示了合成位移算法与实际材料变形机制的灰度变化差异。

在"实验变形试样的DVC研究"中，团队创新性地引入轴向沟槽特征（深100μm，间距1mm），使DVC对u₃
位移的捕捉精度提升40%。通过建立控制点间距与试样尺寸的比例关系（50体素/mm），采用长方体网格（150×150×450体素）成功预测了表面径向位移，与轮廓测量结果偏差<50μm。特别在缺口高径比=1的试样中，DVC还捕捉到了0.2°的意外弯曲变形，证实了加载系统的微小不对中。

这项研究建立了均质金属DVC分析的黄金标准：①优先采用边界信息引导的全局算法；②控制点间距应与试样特征尺寸成比例；③需设计表面特征增强位移敏感度。该框架不仅适用于Ti64，还可推广至其他α/β钛合金及镍基高温合金的研究。未来结合相位衬度成像或金属喷射源等高通量X射线技术，有望将体素分辨率提升至亚微米级，为材料塑性变形的多尺度研究开辟新途径。