利用同步辐射X射线断层扫描与数字体积相关技术，对过载对3D短疲劳裂纹影响进行实验研究

《International Journal of Fatigue》：Experimental development for measuring the influence of overloads on 3D short fatigue cracks with synchrotron X-ray tomography and digital volume correlation

　　摘要：本研究详细介绍了一种实验方法，用于研究铸造AlSi7Mg合金中机械短裂纹的3D生长行为，以及其在恒幅加载过程中遭遇单次拉伸过载时的响应。通过晶粒细化技术将晶粒尺寸降至约125微米，同时对合金进行热处理，使其共晶硅结构变为近乎随机分布的斑点状结构。选用从该合金加工而成的截面尺寸为1.2–1.6毫米的小型疲劳试样，利用定制的原位疲劳试验装置，在周期性拉伸加载过程中施加偶尔出现的拉伸过载。该试验装置被置于同步辐射X射线计算机断层扫描光束线中，借助相位对比成像技术重建含有可见硅颗粒的样品三维结构。通过对重建图像中裂纹前沿的检测，可计算出局部裂纹生长速率。研究结果表明，面对过载时裂纹通常会先出现生长停滞期，随后再进入差异化的恢复过程；裂纹生长首先在材料内部重新开始，随后在试样自由表面附近继续延伸。利用材料天然的斑点图案，可通过数字体积相关技术对比样品两种不同力学状态下的结构变化。通过数字体积相关技术得到的裂纹开口位移图，可用于分析过载带来的即时影响，尤其是裂纹尖端附近的残余开口现象及裂纹钝化过程。

引言：从关键航空结构到汽车安全部件，循环载荷作用下的疲劳裂纹扩展一直是结构完整性评估中的核心难题。虽然设计标准传统上依赖恒幅加载条件来预测部件使用寿命，但实际使用环境往往会使材料承受不可预测的变幅加载，这类偶尔出现的过载现象可能会引发裂纹生长动力学的突然变化。这些瞬态过载事件会通过引入复杂的相互关联机制，打破原本可预测的裂纹扩展规律。当金属部件遭受拉伸过载时，裂纹生长通常会经历一个短暂的加速阶段，随后是漫长的减速期，这一过程可能显著延长疲劳寿命。自20世纪60年代以来，这一现象已被广泛记录，其成因一般归结为以下几方面：裂纹尖端前方产生的残余压应力、裂纹尾流区域中的塑性诱导裂纹闭合机制，以及暂时改变局部应力强度的裂纹尖端钝化过程。科学界早已认识到，理解这些现象对于建立基于物理原理的疲劳裂纹生长模型至关重要。然而，直到现在，这些现象的三维空间异质性在实验上仍难以把握，尤其是沿裂纹前沿及材料厚度方向的变化规律。尽管这三种主要机制都源于裂纹尖端过载产生的塑性区，但它们各自的贡献程度及空间分布仍存在很大争议，相关研究如[1][2][3]已对此进行了探讨。实验表明，每种机制的主导作用不仅取决于材料属性和加载条件，还与影响应力状态的几何因素有关。例如，在裂纹扩展过程中裂纹尖端前方会出现严重损伤积累的材料中——如铸铁——过载事件后通常会出现裂纹加速扩展而非减速。此外，从自由表面处的平面应力状态到材料内部的平面应变状态的转变，也会使裂纹扩展行为变得更加复杂，正如[4]的研究所示，在相同加载条件下，薄样品的裂纹扩展减速效应持续时间约为厚样品的十倍。历史上，对过载效应的实验研究主要依赖于对长裂纹的二维测量，但这些方法都存在明显局限。数字图像相关技术可用于测量表面裂纹开口位移，能够提供高空间和时间分辨率的数据，[5]的研究中每周期可获取25张图像，[6]的研究中则可达200张/周期。不过，该技术仅能用于平面应力状态下的表面观测，无法捕捉对理解过载效应全三维特性至关重要的垂直于裂纹面的变化情况。扫描电子显微镜对断裂表面的观察虽能为裂纹闭合机制提供定性信息[4][1]，但无法为模型建立和验证提供必要的定量数据。电势降法和应变计测量则能提供加载-卸载循环过程中的裂纹生长体积平均数据，但仍无法揭示沿裂纹前沿发生的局部变化，而这些变化对于理解不同机制之间的相互作用至关重要。近年来，一些更先进的三维研究方法逐渐出现。同步辐射X射线衍射技术已可用于绘制裂纹尖端的弹性应变分布，相关研究如[7][2]已有展示。不过，这类技术的空间分辨率仍然较低，沿裂纹前沿的分辨率大约仅为数百微米，不足以清晰呈现塑性区的细微结构，尤其对于裂纹前沿呈弯曲形状的小裂纹而言更为如此。同步辐射X射线计算机断层扫描技术则可实现裂纹闭合机制的三维可视化，如[8]所示，但它主要提供的是定性数据而非定量结果，因此关于各机制的作用强度及其相互作用的诸多关键问题仍未得到解答。将数字体积相关技术应用于断层扫描图像，为量化裂纹内部的位移场及闭合程度带来了巨大潜力[9]，但由于存在与材料相关的限制，该技术的广泛应用仍受到阻碍。在铸铁中，直径约为50微米的较大石墨球体会限制分辨率的提升，这一现象已有[10]的相关报道。在铝硅合金中，虽然硅颗粒可作为天然的微观散斑，但约500微米级的粗大晶粒会导致裂纹路径变得曲折复杂[11]，这不仅增加了分析难度，也使得用于计算应力强度因子的有限元建模工作更为复杂。这些长期存在的实验限制依然阻碍着预测模型的发展。拉伸过载会对以平面应力状态为主的表面区域与以平面应变状态为主的内部区域产生不同的影响吗？裂纹前沿处减速效应的空间和时间演化规律由什么决定？如何将这些复杂的相互作用机制定量整合到能够准确反映实际加载条件的预测模型中？之所以难以解决这些问题，主要是因为目前尚缺乏能够在包含过载条件的加载场景下，对裂纹尖端行为进行空间分辨的三维测量技术。为应对这些挑战，我们开发了一种集成的原位三维成像框架，将多项创新技术有机结合在一起，形成了一套完整的实验方法。在材料方面，我们设计并制备了一种定制的铝硅合金，该合金具有细小的晶粒尺寸，且共晶硅颗粒已呈球形，可作为数字体积相关分析所需的天然三维散斑。这种合金的微观结构使得在高分辨率下进行位移映射成为可能，同时不会影响其与疲劳性能相关的机械特性。在成像技术方面，我们采用了相位对比同步辐射断层扫描技术，该技术能够在包含过载的循环加载条件下，实现亚微米级精度的裂纹扩展成像，有效克服了传统吸收型断层扫描技术的局限性，尤其便于检测用作数字体积相关散斑的硅颗粒。通过对数字体积相关分析结果的解读，可以实现对整个裂纹前沿的裂纹开口位移的定量映射，从而获得裂纹尖端过载效应的独特空间分辨数据。本文将详细阐述为开展此类实验所需的方法改进措施，同时介绍这些实验步骤是如何在两次同步辐射实验时间使用过程中逐步完善起来的。我们将通过实验数据展示其在进一步理解过载效应对3D短裂纹的影响方面的潜力，同时也会指出该方法存在的局限性。在全文中，实验结果将与过载效应相关的疲劳裂纹生长研究领域的现有成果进行对比，以此体现本研究结果在该研究体系中的位置。与本文配套的另一篇论文正在准备中，该论文将重点介绍对实验数据进行高级后处理的方法，以便提取定量指标，如裂纹尖端开口位移、应力强度因子等。随后还将研究这些指标在构建可靠现象描述模型以及疲劳裂纹生长模型中的应用潜力。

片段内容：
材料：本研究使用的试样由铸造AlSi7Mg合金制成，其成分通过光学电子能谱法测定，具体数值见表1。本研究聚焦于在机械短裂纹范畴内扩展的短裂纹[12]，而非微观结构上的短裂纹。所谓机械短裂纹范畴，是指裂纹长度大于材料中几个晶粒直径的情况。由于采用约1微米体素的成像方式，试样截面尺寸需缩小至约1×1毫米。

裂纹扩展、裂纹前沿提取及裂纹生长速率测量：在测试试样中，施加拉伸过载后，裂纹通常会在试样内部较深处率先恢复生长，而靠近自由表面的区域则恢复较慢，如图8所示。为了集中精力分析最具研究价值的实验数据，我们选择了24–3号试样。该试样的裂纹整体生长速度最慢，因此可以获取大量图像数据，而且其内部与边缘区域的裂纹生长差异最为明显。

结论：我们提出了一种用于3D定量研究短疲劳裂纹生长的新型实验方案，该方案依赖于以下要素：i）经过晶粒细化的铸造AlSi7合金（晶粒尺寸为125微米），确保在1×1毫米的疲劳试样截面上存在约100个晶粒，从而使裂纹生长处于机械短裂纹范畴；ii）合金经热处理后形成的天然三维硅颗粒散斑图案；iii）专用的原位疲劳试验装置；iv）用于X射线测量的同步辐射光束线。

关于 manuscript 准备过程中生成式AI及AI辅助技术的声明：在撰写第一部分内容时，作者们使用了Mistral AI公司的Le Chat工具来协助文本的构思与结构搭建。所有生成的文本都经过了严格审查，并根据需要进行了修改。本文的最终内容由作者们全权负责。

CRediT作者贡献说明：Lucas Sanciet：写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、软件应用、方法设计、实验实施、正式分析、概念构建。Nathalie Limodin：写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、项目监督、项目管理、方法设计、实验实施、资金申请、概念构建。Jean-Yves Buffière：写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、项目监督、资源协调、方法设计、实验实施、概念构建。Jean-Fran?ois Witz：项目监督。

利益冲突声明：作者们声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究完全由法国国家研究署通过ANR-20-CE08-0017号资助项目提供支持。作者们感谢瑞士Villigen的保罗谢勒研究所，该机构根据20210111号申请为我们的研究提供了SLS光源站的同步辐射使用时间。同时，我们也感谢SOLEIL机构提供的同步辐射设施，此外还要感谢Andrew King及PSICHé光束线站的工作人员在20210084号申请支持下给予我们的帮助。

作者列表：Lucas Sanciet|Nathalie Limodin|Jean-Yves Buffière|Jean-Fran?ois Witz|Ghita Bahaj Filali|Michel Coret|Julien Réthoré|Anne Bonnin|Andrew King|Arnaud Weck
所属机构：法国里尔大学、法国国家科学研究中心、里尔中央理工学院、UMR 9013 – LaMcube – 多物理多尺度力学实验室，地址：法国里尔市F-59000。