在存在分层剥落的断裂力学试样中，直流电势差（DCEPD）方法用于测量裂纹扩展的性能

《Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures》：Performance of the Direct Current Electric Potential Difference (DCEPD) Method for Crack Extension Measurement in Fracture Mechanics Specimens Exhibiting Split Delaminations

　　**摘要**

本研究调查了在韧性测试过程中，使用直流电位差（DCEPD）方法测量裂纹扩展量（Δa）的性能，这些韧性测试针对的是具有垂直于主裂纹平面断裂层的韧性钢材。具体研究了DH36和X70钢材，使用了SE(B)试样，在-60°C（DH36）和室温（X70）下进行测试。为了进行比较，同时应用了卸载顺应性（UC）方法。为了阐明DCEPD结果中观察到的趋势，通过计算机断层扫描和断裂表面检验分析了断裂层的形态和几何特征。结果表明，完全垂直于主裂纹的断裂层不会促进裂纹扩展，也不会干扰DCEPD的测量结果。相反，涉及层面变化或分支的断裂层会导致Δa的突然不稳定，这表现为DCEPD信号的瞬时增加。总体而言，DCEPD和UC在量化具有断裂层的试样中的裂纹扩展量方面表现出良好的 Agreement 和可靠性。

**1 引言**

尽管有几种标准[1-4]为评估韧性钢材的韧性提供了成熟的程序和指南，但某些现象为这一评估过程增加了复杂性。一个显著的例子是在韧性测试过程中出现的垂直于主裂纹平面的断裂层，通常称为“断裂”或“分离”[5-7]。图1展示了具有此类断裂层的SE(B)试样的断裂表面以及力（P）与裂纹开口位移（CMOD）的关系记录。这些断裂层对应于脆性事件，通常表现为力的突然下降，伴随着位移的增加（载荷线位移，称为LLD）[5-7]，这种现象通常被称为“突变”（如图1所示）。然而，突变并不完全与断裂层相关[5, 8]；类似的突变也可能由局部脆性区域（LBZ）引起，这种现象在焊接接头中很常见[7, 9]。与垂直于主裂纹的断裂层不同，LBZ突变对应于沿主裂纹平面的局部脆性扩展，随后会被抑制[7, 8]。LBZ突变通常与焊接过程中经历的复杂热循环引入的微观结构不均匀性有关[8, 9]。鉴于在焊接构件的韧性评估过程中观察到LBZ突变的结构相关性和潜在影响，这一现象已被广泛研究，当前的标准提供了明确的方法和标准来评估其重要性[1-3, 10]。作为一种通过突变表现出来的脆性事件，韧性测试中出现的断裂层可能引起严重的担忧，特别是关于承重构件的结构完整性。人们倾向于认为这种现象可能是危险的，并将其与评估LBZ突变时观察到的影响相提并论。然而，在评估具有断裂层的材料的韧性时，主要挑战在于缺乏标准化的程序来处理这一现象[10]。与LBZ相关的突变不同，现有的断裂力学标准没有提供具体的指导、标准或建议来评估断裂层的重要性及其对韧性测量的影响[1, 2, 10]。已经有很多关于不同结构合金（尤其是在不同等级的管道钢材）在多种机械测试中的断裂层的报道，除了韧性测试之外，还包括拉伸测试[20-24]、夏比V型冲击测试[25-41]和落锤撕裂测试（DWTT）[17, 25, 42-49]。断裂层的出现与热机械加工和轧制过程中引入的冶金特征密切相关[5, 6, 12]。这些制造技术通常会在材料内部产生弱界面，如晶格纹理、细长的非金属夹杂物、细长的晶粒形态和沿轧制方向排列的带状微观结构，这些界面成为脆性断裂的起始点[5, 11]。断裂层还与高水平的三轴应力或约束条件相关，这些条件会产生垂直于弱界面的拉应力分量，从而成为裂纹起始和扩展的驱动力[5, 7]。由于缺乏标准化的程序来评估具有断裂层的材料的韧性，即使材料满足所有其他机械性能要求，也有可能出现不合理的拒绝。这种评估协议的空白突显了需要建立可靠的方法来准确描述断裂层对韧性以及承重构件结构完整性的影响。这种形势源于对断裂层如何影响韧性以及其在实验室测试中对承重构件结构完整性可能产生的更广泛影响的理解不足。解决这一知识空白需要对目前用于评估韧性的实验方法进行批判性评估，以确定这些技术在存在这种断裂层的情况下是否仍然有效，并能够提供可靠的结果。建立这一基础是开发适当工具来研究断裂层对断裂行为影响的必要步骤，至少在实验室规模的控制条件下是这样。从断裂力学的角度来看，关于断裂层的研究主要集中在分析它们对约束条件的影响。一些作者[39, 50-52]得出结论，这种断裂层会导致约束力的减小，从而显著影响裂纹尖端的应力状态。先前的研究[6, 53]揭示了断裂层可能表现出分支和层面变化，导致脆性断裂扩展沿主裂纹平面或在其上进行传播。图2展示了断裂层中层面变化的现象[54]。由于垂直于主裂纹平面的断裂层不会导致试样顺应性的增加[54]，因此有人认为不应该将用于评估LBZ相关突变的方法和标准应用于这些情况[10, 54]。Wallin [55]进一步建议，这些断裂层在韧性评估中应被视为无关紧要的事件，因为它们不会导致沿主裂纹平面的裂纹扩展。然而，他强调它们的存在表明材料具有明显的各向异性。

**1.1 监测裂纹扩展的技术**

对于确定J-R曲线，最广泛使用的标准是ASTM E18201。根据这一标准，可以通过单试样测试方法获得J-R曲线，该方法需要确定韧性测试过程中的裂纹扩展量。测试后，检查试样表面以测量物理裂纹扩展量（Δap）。然后，将Δap与所使用的裂纹监测技术获得的Δa值进行比较，以验证该结果的准确性[1-3]。ASTM E1820-25标准推荐并提供了几种监测裂纹增长的技术，包括卸载顺应性（UC）、归一化数据还原（NDR）和直流电位差（DCEPD）方法。本节简要描述并介绍了这些方法在本研究中的应用。

**1.1.1 卸载顺应性**

UC技术最初由Clarke等人[56]提出。它已成为断裂力学领域中用于监测测试过程中裂纹扩展的最重要技术之一。该技术涉及测量由于裂纹增长而引起的试样弹性顺应性的增加，以估算裂纹尺寸。测量基于在整个测试过程中进行的小规模卸载和重新加载循环中获得的P与CMOD（或LLD）记录。试样的弹性顺应性是根据卸载期间CMOD（或LLD）与P曲线的斜率计算得出的，或者根据卸载和重新加载段落的平均斜率计算得出[1, 57]。对于具有标准化几何形状的试样，可以从测量的顺应性计算裂纹尺寸的数学表达式[57, 58]。在[54]中详细评估了在具有断裂层的试样中使用卸载顺应性技术的效果。特别关注了这些断裂层及其特征对试样顺应性的影响。他们的研究发现，严格垂直于主裂纹平面的断裂层不会显著影响试样的顺应性。然而，当发生分支或层面变化时，它们可能导致顺应性的增加，这通常表现为计算出的裂纹扩展量Δa值的突然上升。

**1.1.2 直流电位差**

DCEPD技术基于在恒定直流电源下裂纹扩展时，试样上裂纹安装处测得的电位差的增加[59-61]，如图3所示。作为使用直流电的替代方案，也可以使用交流电。随着裂纹的扩展，它会扰动电流在材料中引起的电场。这种扰动是由于剩余材料的减小，导致电流传导的可用横截面积减小而引起的电阻增加[57]。与UC相比，该技术的优势在于可以连续监测裂纹尺寸，而无需中断测试进行部分卸载/重新加载循环[59, 62]。可以使用校准曲线将电位差值与给定试样几何形状和尺寸的裂纹尺寸相关联来进行裂纹尺寸估计。它也可以从半经验数学表达式或数值方法中得出[63, 64]。ASTM E18201中包含的一个选项是Johnson方程，适用于SE(B)和C(T)试样的几何形状，其表达式为：

$$
\frac{a_i}{W} = \frac{2}{\pi \cos^{-1}\left[\frac{\cos \left(\frac{\pi y}{2W}\right)}{\cosh \left\{\frac{V}{V_0}{\cosh}^{-1}\left[\frac{\cosh \left(\frac{\pi y}{2W}\right)}{\cosh \left(\frac{\pi {a}_{0, bl}}{2W}\right)}\right]\right] }
$$

其中V0是参考电压，y是电位测量点之间的距离，a0, bl是经过校正的初始裂纹长度。值得注意的是，在DCEPD技术中，ASTM E18201建立了一种基于在断裂表面光学测量的初始和最终裂纹大小来校正a_i估计的程序。关于在具有断裂层的材料中使用DCEPD进行韧性表征，据作者所知，目前还没有研究详细讨论这一点。这突显了文献中的一个重要空白，并强调了进一步研究断裂层存在时裂纹扩展监测技术可靠性的必要性。

**1.2 研究范围**

本研究是更广泛研究计划的一部分，旨在开发稳健的方法来评估具有断裂层的韧性钢材的韧性。通过J-R曲线表征韧性时，一个核心方面是在测试过程中准确确定裂纹扩展量。尽管报告可靠的裂纹扩展结果至关重要，但现有文献关于常用的监测技术（如UC和DCEPD）在应用于存在裂纹的试样时的性能和可靠性仍有限。基于这一情况，本研究旨在探讨裂纹的形态和几何特性如何影响断裂韧性测试中使用DCEPD进行裂纹扩展监测的可靠性和准确性。为此，在室温和零下温度下对DH36和X70钢材进行了断裂韧性测试。为了比较，还结合使用了UC技术与DCEPD来监测裂纹扩展。裂纹的物理和几何属性通过微X射线计算机断层扫描（micro-CT）进行了表征。此外，还进行了有限元方法（FEM）模拟，以验证实验趋势并更深入地了解DCEPD技术的观测行为。对UC和DCEPD的相对性能进行了严格评估，突出了每种方法在存在裂纹的试样背景下的优点和局限性。

2 材料与方法
研究了之前已经出现裂纹的DH36和X70钢材。这些钢材的化学成分、金相组织和机械性能可以在[54]中找到。断裂力学测试在DH36的?60°C和X70的室温（23°C）下进行。选择这些温度是基于每种材料出现裂纹的高概率。试样尺寸、制备程序和测试协议遵循ASTM E1820标准。所采用的几何形状是20%侧槽SE(B)试样。试样的方向遵循ASTM标准命名法中的T-L标记[65]，用于从板材加工的试样。在这个命名法中，第一个字母（T）表示施加I型裂纹开口的方向，而第二个字母（L）表示预期的裂纹扩展方向，如图4a所示。图4b展示了有裂纹和无裂纹试样之间的差异，强调了裂纹的方向，预计裂纹位于TL平面内，这与图4a中弱界面的方向一致。

表1总结了作为代表性和技术相关案例的样品的测试条件、材料和试样尺寸，这些内容将在后续章节中详细讨论。表1. 分析样品的详细信息：标记、试样宽度（W）、厚度（B）、材料标记和测试温度（T）。

2.1 微计算机断层扫描分析
使用GE Micro CT扫描仪（型号Phoenix/XS）和240 kV微聚焦X射线源，分析了裂纹的几何和形态特征。X射线CT扫描在断裂韧性测试后、试样最终断裂之前进行，操作条件为220 kV和100 μA，使用了0.5毫米厚的Sn滤波器。X射线CT图像的后处理，包括分析和3D重建，使用Dragonfly软件完成。裂纹的分割使用Dragonfly分割助手中的随机森林人工智能算法进行。有关微CT表征裂纹的详细讨论，请参阅[53]。

2.2 有限元模型
为了阐明裂纹对DCEPD技术性能的影响，采用了静止（非增长）裂纹模型。平面侧槽SE(B)试样的尺寸与断裂测试中使用的尺寸相同。用于模拟目的的X70钢材的电导率从[66]中提取，值为3.84 × 10^6 S/m [66]。需要注意的是，DCEPD技术通常涉及归一化电位的计算，这使得其适用性与材料的特定电学属性基本无关。FEM模拟使用商业软件COMSOL Multiphysics 6.3实现。采用四面体元素进行网格划分，并在关键区域应用局部网格控制。通过网格敏感性分析确定元素尺寸，以确保电位的适当分辨率。图5展示了具有
a / W = 0.5的SE(B)试样的网格配置，以及直径为6毫米的垂直圆形裂纹。试样尺寸与实验测试中使用的尺寸相同。图5显示了具有垂直分层（裂纹）的SE(B)试样的有限元模型网格。B对应于试样厚度，W对应于试样宽度。如图5所示，裂纹被建模为一个圆形不连续体。这些分层是通过移除相应体积的元素引入有限元模型中的。裂纹表面之间的间隙被定义为复制实验观察到的未变形分层[6, 53]。此外，裂纹的大小和圆形形状的选择反映了在研究材料中观察到的分层的形态特征[6, 54]。分析了a / W = 0.3、0.4、0.5、0.6和0.7的模型，包括有裂纹和没有裂纹的情况。在这些模型中引入了三种不同直径（d）的裂纹，分别为2毫米、4毫米和6毫米。此外，还通过模拟裂纹方向与预期方向的30°和60°角偏差来模拟裂纹平面偏移现象，该方向垂直于主裂纹平面（见图4）。这种数值方法旨在仅分析裂纹作为材料不连续体的影响。因此，模拟没有考虑应变和应力场的变化、塑性变形、试样形状或尺寸畸变，也没有考虑测试过程中裂纹可能在试样中引起的非直线裂纹前沿。

3 结果
3.1 断裂韧性测试记录和断裂表面
图6展示了DH36钢材试样A1、A2、A3和A4的P与CMOD记录以及断裂表面。图6显示了试样(a) A1、(b) A2、(c) A3和(d) A4的力（P）与裂纹开口位移（CMOD）记录及断裂表面。由裂纹引起的中断在P与CMOD记录上用箭头标出，其力下降值以kN表示。在断裂表面上，白色箭头突出显示了垂直于主裂纹的裂纹，而橙色箭头表示偏离TL平面（平面变化）或涉及分支的裂纹。[彩色图可以在wileyonlinelibrary.com上查看]

在图6a中，可以观察到四个中断：一个发生在最大力之前，力下降为0.42 kN；其他两个发生在最大力之后，第二个下降更明显，为1.79 kN；第三个和第四个分别下降为0.12 kN和0.24 kN。在图的右侧，该试样的断裂表面显示至少有三个分层出现在复杂的裂纹前沿轮廓中，并且有平面变化。图6b中试样A2的结果显示了三个中断：第一个发生在最大力之前，力下降为1.03 kN；第二个在最大力之后发生，力下降为0.51 kN；最后一个在裂纹显著扩展后发生，力下降为8.50 kN。断裂表面显示了一个复杂的裂纹扩展区域，观察到了四个明显的具有平面变化的分层。图6c中试样A3的结果显示了P与CMOD记录中的三个明显中断：第一个发生在达到最大力之前，力下降为0.19 kN；第二个在最大力之后不久出现，力下降为0.46 kN；第三个在裂纹进一步扩展后出现，力下降更为明显，为2.33 kN。根据断裂表面上观察到的分层的位置和特征，确定前两个分层完全垂直于主裂纹平面，而最后一个分层显示了平面偏移，将裂纹投影到主裂纹平面中。图6d显示了试样A4的结果，突出了三个中断：第一个发生在最大力之前，力下降为0.29 kN；第二个在最大力之后不久出现，力下降为1.12 kN；第三个在测试后期发生，力下降为0.40 kN。这三个中断都与断裂表面上观察到的裂纹相关，所有裂纹都垂直于主裂纹平面。另一方面，图7展示了X70钢材试样的P与CMOD记录和断裂表面。图7显示了试样B1的结果，该样本在P与CMOD记录中出现了三个中断：第一个发生在达到最大力之前，力下降为0.71 kN；第二个在最大力之后不久出现，力下降为0.51 kN；第三个在裂纹进一步扩展后出现，力下降为0.26 kN。然而，在断裂表面上只观察到一个明显的垂直裂纹。图7b的结果显示试样B2在P与CMOD记录中出现了两个中断：第一个发生在达到最大力之前，力下降为0.37 kN；第二个在最大力之后出现，力下降为0.69 kN。这两个事件都与断裂表面上观察到的单个裂纹相对应。

3.2 微CT结果
为了更详细地描述平面偏差和裂纹之间的相互作用，图8展示了试样A1和A2的3D断层重建。两个试样都显示了平面变化的现象；然而，试样A1的平面变化不如试样A2明显。试样A2中的裂纹表现出明显的平面变化，与预期的TL平面有较大偏差。这些平面变化导致了不同分层之间的交点和相互作用。这些复杂特征是图6中观察到的复杂裂纹前沿形态的原因。

3.3 裂纹对DCEPD的影响及与UC技术的比较
图9展示了同时应用UC和DCEPD技术的DH36钢材试样的DCEPD与时间（t）和力（P）与时间（t）的记录。与裂纹发生相关的中断在两组记录中都用箭头标出。该图揭示了裂纹对测量电位差影响的差异。对于样品A1和A4，DCEPD与时间（t）的记录中没有观察到显著变化。相比之下，样品A2和A3由于突然的电势升高现象而显示出电势测量的突变，尤其是后者的突变，这种现象与在断裂面上识别出的平面变化现象有关，并通过断层扫描得到了确认。图9（在图查看器中打开）。

DCEPD与时间（t）以及力（P）与时间（t）的记录对于DH36钢样品：(a) A1，(b) A2，(c) A3，和(d) A4。箭头指向测试期间观察到的分裂事件。另一方面，图10展示了对于研究的X70钢样品B1和B2的DCEPD与t以及P与t的记录，其中同时应用了UC和DCEPD技术。这些结果没有显示出由于分层而导致的DCEPD与t记录的变化。图10（在图查看器中打开）。

DCEPD与时间（t）以及力（P）与时间（t）的记录对于X70钢样品：(a) B1和(b) B2。箭头指向测试期间观察到的分裂事件。图11展示了在连续卸载过程中测量的顺应性变化，突出了研究中样品由于分裂引起的突变效应。为了建立一个参考标准，基于没有分裂的卸载间隔定义了一个5%的顺应性变化阈值。这个基线主要考虑了由于主裂纹平面上的稳定裂纹扩展而引起的顺应性增加。

图11的结果显示，样品A1的顺应性变化略高于这个阈值，而样品A2在其最后的突变事件后表现出显著的顺应性增加。其他样品没有显示出由于分裂而导致的显著顺应性增加。

3.4 数值模拟的结果

为了帮助阐明实验结果中观察到的趋势，图12展示了基于数值模拟得到的电势差，考虑了分层大小（a/W）和分层平面方向（a/W）的变化。在这些模拟中，电势差与没有分裂的参考情况进行了比较，这种相对差异被定义为ΔPD。图12（在图查看器中打开）。

图12的结果揭示了在理想化的分层条件下的几个趋势：

当比较垂直分层与偏离预期分层平面（TL）的分层模型时，相对于无分层情况的DCEPD（ΔPD）变化对于垂直分层是可忽略不计的。相比之下，平面偏移的分层会导致电势差的显著增加。对于具有相同平面偏移的分层，增加分层大小会导致ΔPD的明显增加，表明存在与大小相关的效应。最后，对于偏离TL平面的分层，增加a/W比率会导致ΔPD的更显著增加，这表明裂纹长度放大了DCEPD技术对于平面变化的分层的敏感性。图13展示了带有和不带有分层的SE(B)样品在裂纹平面处剩余韧带的归一化电势场。展示了三种配置：(a) 无分层；(b) 带有垂直分层（d/W=0.08，即d=2毫米）；(c) 分层大小相同但平面偏离预期的分层平面60°。电势场是相对于无分层情况下的平均电势进行归一化的。

结果表明，在存在垂直分层的情况下，电势场与无分层配置非常相似，表明扰动最小。相比之下，60°平面偏移的分层在电势场中引入了明显的扰动，表明由于几何不连续性导致了局部扰动。图14展示了SE(B)样品中带有分层的归一化电势场，考虑了三种配置：(a) 垂直于主裂纹；(b) 偏离预期分层平面30°；(c) 平面偏移60°。结果揭示了电势场扰动随着平面变化程度的增加而增加，60°的情况显示出最明显的扰动。相比之下，垂直分层相关的电势场与无分层样品观察到的电势场非常相似。

此外，当比较不同大小的分层引起的扰动时，即比较图13和图14中的结果时，可以看出较大的分层会导致电势场中更显著的干扰。为了补充对主裂纹平面电势场扰动的分析，从垂直平面中的模拟中提取了代表电场范数的流线切片。图15展示了四种配置的结果：(a) 无分层；(b) 带有垂直分层（d/W=0.23，即d=2毫米）；(c) 分层大小相同但平面偏离预期平面30°；(d) 分层大小相同但平面偏移60°。图15（在图查看器中打开）展示了多切片电场范数图：(a) 无分层；(b) 带有垂直分层（d/W=0.08，即d=2毫米）；(c) 分层大小相同但平面偏移30°；(d) 分层大小相同但平面偏移60°。

图17比较了使用UC和DCEPD技术得到的样品A1、A2、A3、A4、B1和B2的裂纹扩展预测（Δa），用箭头标出了涉及平面变化的分层事件。这些标记表明由于分层事件导致裂纹增长的突然增加。图17a（样品A1）：没有观察到裂纹扩展的突然变化。DCEPD技术得出的Δa值略大于UC方法。图17b（样品A2）：记录到裂纹扩展的突然增加，UC的Δa值为1.18毫米，DCEPD的Δa值为0.98毫米。在这种情况下，UC提供了更大的测量值。图17c（样品A3）：裂纹扩展几乎不可察觉，两种技术得出的结果相似。图17d–f（样品A4、B1和B2）：没有观察到Δa的突然增加。DCEPD得出的Δa值略大于UC，但结果相当。

表2总结了样品A4、B1和B2的比较，这些样品没有显示出平面变化或偏离预期的TL方向。在这些情况下，使用[74]中提出的基于面积的方法确定了断裂面上的实际裂纹扩展（Δa_P）。结果表明，UC技术倾向于低估裂纹增长，与断裂面上的测量值相比，差异低于15%。表2 使用UC技术（Δ_a_UC）和DCEPD技术（Δ_a_DCEPD）得到的裂纹增长结果与断裂面上实际测量的物理值（Δ_a_p）进行了比较。样本

$$ \Delta {a}_{\mathrm{p}} $$
(毫米)

UC

DCEPD

$$ \Delta {a}_{\mathrm{UC}} $$
(毫米)

差异率 (%)

$$ \Delta {a}_{\mathrm{DCEPD}} $$
(毫米)

A4
4.07
3.66
?10.2
4.07

B1
3.96
3.40
?14.3
3.96

B2
3.85
3.28
?15.0
3.85

需要注意的是，应用DCEPD方法需要根据断裂表面的测量结果进行校正。这种校正只有在满足特定条件时才有效，即$\Delta {a}_{\mathrm{P}}$与DCEPD估计值之间的差异不得超过20%。表2中列出的所有样本都满足了这一标准。因此，$\Delta {a}_{\mathrm{P}}$与DCEPD结果之间观察到的一致性直接归因于这种校正的应用，正如ASTM方法论中对于DCEPD技术所规定的那样。差异(Dif.)对应于在断裂表面测量的裂纹扩展值$\Delta {a}_{\mathrm{p}}$与通过UC方法获得的值$\Delta {a}_{\mathrm{UC}}$之间的差异。

4 讨论

4.1 断裂的特征

在图6和图7中，展示了DH36和X70钢样本的P与CMOD记录以及断裂表面。对于样本A1、B1和B2，观察到记录的突然增力次数与断裂表面上可见的剥落次数之间存在差异。同时，不同样本之间力下降幅度的差异以及同一样本内突然增力事件之间的力下降幅度变化也很重要。这些现象以及断裂特征及其相应的突然增力变化在之前的研究[6, 53, 54]中已经有了深入的阐述，这里不再详细讨论。然后，结合之前研究[6, 53, 54]中获得的信息，并将断裂表面的信息与P与CMOD图表联系起来，可以将断裂的特征与记录的突然增力事件及其对UC和DCEPD技术的影响相关联。样本A1、A2和A3中更显著的力下降与发生平面变化或分支的断裂有关（见图6和图8）。由于这种现象可能会在主裂纹平面附近或平行于主裂纹平面产生脆性断裂扩展，从而增加了样本的顺应性并导致较大的力下降[54]。另一方面，X70钢样本断裂表面观察到的突然增力次数与先前在同一材料中报告和分析的脆性扩展有关[54]。

4.2 断裂对UC和DCEPD技术的影响

将图9-11中的结果与断裂表面（见图6和图7）和微观CT分析（见图8）进行对比，可以识别断裂对样本顺应性和DCEPD响应的不同影响，这取决于剥落的特征。图9和图10中的实验结果表明，垂直于主裂纹的断裂不会导致DCEPD的瞬时变化。相比之下，样本A2和A3在最后一次突然增力事件期间表现出DCEPD信号的突然增加，尤其是在样本A2中这种效应更为明显。这些增加直接与涉及平面变化的断裂有关，这些断裂将脆性扩展区域投影到主裂纹平面或几乎平行于主裂纹的平面[54, 74]，这一点通过断裂表面得到了证实。尽管样本A1也显示出平面变化的证据，但这种现象不那么明显。DCEPD记录没有显示出与A1中的突然增力事件相关的瞬时变化，表明该技术在检测平面变化或分支现象时存在分辨率限制。比较垂直断裂与涉及平面变化的断裂时，前者的力下降不那么显著，而涉及平面变化的样本由于脆性裂纹扩展分量平行于主裂纹的投影而表现出更大的力下降，从而增加了样本的顺应性[54]。从样本A1、A2和A3的比较中可以看出，脆性断裂扩展到主裂纹平面的现象在A2中最为明显，在A1中则不太明显。图11中的顺应性分析与DCEPD观察到的趋势一致，检测到A2的样本顺应性有显著增加。然而，顺应性分析并未在样本A1和A3中发现平面变化，表明DCEPD在识别平面变化或分支现象方面具有更高的分辨率。这种限制是由于顺应性是在连续的卸载循环之间计算的，在这些循环中会发生塑性变形和稳定的裂纹扩展。因此，卸载/重新加载之间的稳定裂纹扩展可能会掩盖那些不够明显的顺应性瞬时增加。由于断裂的发生是一个随机现象，因此无法定量分析断裂特征对DCEPD的影响。因此，采用了理想化的数值模型来阐明实验中观察到的趋势。需要提醒的是，这些模拟没有考虑塑性变形或复杂的裂纹前沿剖面等变量，这些变量可能会受到剥落的影响。因此，这些模拟旨在隔离未变形状态下的断裂效应。图12中的数值结果表明，与没有断裂的模型相比，垂直剥离不会对DCEPD造成显著扰动，这与样本A4、B1和B2的实验结果一致。相比之下，涉及平面变化的断裂揭示了重要趋势：

具有平面变化的断裂会导致DCEPD的增加，对于较大的偏差（较大的平面变化）来说，这种增加更为显著。对于较大的$a/W$比率，具有平面变化的断裂对DCEPD的影响更大。由于$a/W$比率的增加，剩余的连接部分减少，减少了电子流动可用的横截面积，因此扰动对电位测量的影响更大。为了进一步阐明剥离对DCEPD的影响，分析了裂纹平面上的电位场和电场范数（见图13和图14）。这些结果证实，具有平面变化的断裂会扰动电位场，这在测量中得到了体现。与图12一致，具有较大平面变化的断裂中电位场的扰动更为明显。电场范数的分析（图15和图16）显示，垂直断裂不会显著扰动电场。相比之下，具有平面变化的断裂改变了电流通过样本的流动，导致电阻的局部变化和电位场的畸变，这在DCEPD测量中表现为可检测到的增加。

4.3 UC和DCEPD技术的可靠性

几种与断裂相关现象引起了人们对UC和DCEPD在存在剥离的样本中可靠性的担忧。首先，如上所述，即使是垂直断裂也可能产生非直线的裂纹扩展剖面，通常会导致明显的弯曲[54]。众所周知，非直线裂纹前沿会降低用于监测断裂韧性测试期间裂纹扩展的技术的准确性[75-77]。应当注意的是，使用侧槽样本的目的是为了减少在韧性材料中通常观察到的非直线裂纹前沿的弯曲[55]。另一方面，众所周知，断裂会导致约束的显著减少，尤其是在剥离表面附近[7, 50-52, 74]，这种效应可能会延伸到剩余的连接部分。这种约束的减少，加上断裂代表了平面应力条件占主导的内部表面，促进了材料的塑性变形[7, 39, 74]。这些观察结果引起了担忧，因为塑性变形可能会显著影响DCEPD测量的准确性[75, 78-80]。图9和图10中观察到的DCEPD的突然增加反映了这一点，如图17所示，表现为裂纹长度的突然增加。这种突然增加可以解释为裂纹的不稳定性。这种增加与DCEPD上升的幅度成正比，并与脆性剥离扩展到主裂纹平面或几乎平行于主裂纹平面的投影有关[54, 74]。在UC结果中也观察到了类似的趋势，这些发现与之前的研究[54]一致，该研究报告说涉及平面变化的断裂会导致样本顺应性的增加。在图17和表2中，比较了UC和DCEPD技术在监测断裂韧性测试期间裂纹扩展方面的性能。然而，如图6和图7中的断裂表面所示，即使在具有垂直剥离的样本中，断裂的发生通常也会产生复杂的裂纹前沿剖面。在之前的研究[74]中，提出了一种基于稳定裂纹扩展区域面积测量的方法，并针对相对于主裂纹的垂直断裂的情况进行了验证。然而，据作者所知，目前还没有建立方法来测量具有平面变化或分支的样本中的$\Delta {a}_{\mathrm{p}}$值。因此，UC和DCEPD预测与测量值的比较仅在观察到仅垂直于主裂纹的断裂的样本中进行。图17显示了UC和DCEPD技术的性能比较。这些结果与ASTM E1820-251中描述的方法一致，两者之间的差异小于15%。两种技术都表明，与平面变化相关的断裂发生时$\Delta a$值有所增加。当将两种技术预测的$\Delta a$值与具有垂直于主裂纹的样本的测量$\Delta {a}_{\mathrm{p}}$值进行比较时（见表2），DCEPD技术的吻合度更好。然而，这种改进的性能主要是由于ASTM E1820-251中为DCEPD方法规定的基于断裂表面测量的校正所致。由于没有为UC定义相应的校正，因此不考虑这种调整就无法直接比较UC和DCEPD的结果。所有分析的样本都满足了验证标准，这表明在本研究探讨的条件下，断裂的存在并未影响DCEPD技术的适用性或性能。总体而言，两种技术在垂直断裂的情况下都获得了误差小于15%的$\Delta a$值。这表明，即使在存在断裂的情况下，两种技术也表现良好。尽管实验结果支持在具有垂直断裂的样本中使用UC和DCEPD，但后者的性能优于卸载顺应性。因为DCEPD持续监测裂纹扩展，所以可以从DCEPD与t或DCEPD与CMOD/LLD的记录中推断出突然增力的起源。如果突然增力没有伴随着这些记录的突然增加，可以将其归因于垂直剥离。相反，如果观察到增加，则突然增力可能与主裂纹平面中的LBZ或涉及平面变化的断裂有关。尽管合规性分析可以提供类似的信息[54]，但这些计算通常是在测试之后进行的。由于该现象的随机性，在峰值出现之前和之后立即进行卸载/重新加载循环是不可行的。因此，后续卸载/重新加载循环之间的稳定裂纹扩展可能会掩盖由裂缝扩展引起的试样合规性的增加。因此，DCEPD成为一种强大的工具，可以实时识别峰值的起源，为决定是否应中断测试或在测试仍进行时采取行动提供有价值的信息。需要注意的是，到目前为止，要区分峰值是由于裂缝扩展还是局部脆性区引起的，仍然依赖于对断裂表面的事后检查[5, 7]。

5 结论性评论

通过DCEPD技术获得的实验和数值结果表明，与主裂纹垂直的裂缝不会导致DCEPD信号的瞬时变化。另一方面，数值和实验结果都表明，位于TL平面之外的裂缝，或者涉及平面变化、分支或相互作用的裂缝，可能会导致DCEPD的突然增加。这是因为这些现象可以产生与主裂纹平面平行的广泛分层区域，从而影响电流场和电位场。使用UC和DCEPD技术得到的Δa估计值与Δa?相当吻合，误差低于15%，与裂缝完全垂直于主裂纹平面的情况相比。裂缝中的平面变化或分支在DCEPD中表现为信号的突然增加。这些突然的变化也表现为Δa结果的突然增加，可以解释为主裂纹的不稳定性。与UC技术相比，DCEPD可以在断裂韧性测试仍进行时提供关于峰值起源的实时洞察。

致谢

本研究部分由巴西高等教育人员培训协调委员会（Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de Nível Superior—CAPES）资助，资助代码为001。本研究发表的文章处理费用由巴西高等教育人员培训协调委员会（CAPES）提供（ROR标识符：00x0ma614）。本研究还得到了巴西国家石油、天然气和生物燃料局（PRH-ANP）的人力资源培训计划的支持，该计划由圣保罗研究基金会（FAPESP）管理，项目编号为2025/02575-8。此外，本研究还得到了巴西国家石油、天然气和生物燃料局（2025/02575-8）的资助。

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