数字图像相关技术研究T型应力与过载对双轴加载十字形试样中塑性诱导裂纹闭合的影响

《Theoretical and Applied Fracture Mechanics》：Influence of T-stress and overloads on plasticity-induced crack closure in biaxially loaded cruciform specimens using digital image correlation

　　摘要在线性弹性断裂力学中，T应力作为衡量多轴性或约束程度的指标已被广泛认知。它会影响裂纹尖端前方塑性区的大小和形状，因此预计会直接影响由塑性引起的裂纹闭合现象。同时，单个过载循环不仅会影响当前过载循环期间的塑性区大小，还会影响后续正常加载周期中的大小。本研究旨在通过实验探讨多轴远场载荷对两种常用于燃气轮机引擎的材料中的裂纹开口位移以及裂纹闭合与张开的影响。为此，对钛合金Ti6246和回火钢26NiCrMoV14-5进行了室温下的裂纹扩展试验。实验采用十字形试样在双轴试验装置中进行，该实验设置能够系统地改变和比较不同的T值以及过载与正常载荷的组合，从而有针对性地研究其对裂纹尖端区域塑性区的影响。实验通过新开发的数字图像相关技术进行监测和分析，该技术可用来评估裂纹扩展、裂纹侧面的张开情况，以及不同裂纹侧面位置的裂纹闭合力。最终，这种方法有助于系统地研究裂纹闭合现象。研究表明，虽然单个过载循环的影响并不显著，但T应力对双轴加载下的十字形试样的裂纹闭合力有着明显且可测量的影响。

引言在结构部件中存在损伤和裂纹的情况下，只要拥有可靠且经过验证的结构完整性评估方法来预测安全运行状况，就能实现更高效的机械设计及资源利用。这类方法可根据部件的实际状况调整维护间隔，从而提高运行可靠性并延长使用寿命[1]。这种方法可直接降低维护成本。此外，精确的计算方法还能提升部件设计的效率，进而节省材料和制造费用。在技术应用中，部件通常会承受多轴应力状态，这些应力状态可能源于复杂的结构几何形状，或是外部载荷作用所致。而用于确定材料参数以评估裂纹行为的断裂力学试验仍大多局限于单轴加载条件[2]。例如，裂纹扩展规律几乎都是通过全局单轴加载的试样，如紧凑拉伸试样或角裂纹试样来确定的。因此，需要一种方法论上的转化，以便能够在实际工程结构的多轴加载条件下直接评估结构完整性。试样的尺寸和厚度、裂纹几何形状，以及加载顺序和速率等几何和测试条件与标准实验室试验有很大差异。文献中通常将这些差异的影响和可传递性称为约束效应[2]。此外，众所周知，各种裂纹闭合效应会影响有效的裂纹尖端载荷，进而影响裂纹扩展行为[3]。正如2.1节中将详细阐述的，这些效应越大，有效的裂纹尖端驱动力就越小，从而导致裂纹扩展减缓。目前有一些研究致力于探讨裂纹闭合机制与多轴加载带来的约束条件之间的相互作用[4][5][6]，不过对这些闭合效应的分析并非易事。作为一种重要且应用广泛的测量方法，数字图像相关技术在疲劳试验领域的重要性日益凸显[7][8][9]。实验过程中，会持续获取试样表面的高分辨率图像，然后通过对这些图像进行相关处理，重建量测段内的全场应变分布。与传统逐点测量相比，该方法能更全面地描述变形场，有助于详细分析局部变形现象，从而深入研究裂纹闭合机制。数字图像相关系统不断提升的精度、灵活性和分辨率，使其成为现代断裂力学研究中的不可或缺工具。最近的研究还表明，将其与监督机器学习方法结合使用，可进一步提升数据评估和模式识别的能力[10][11]，不过这类方法超出了本研究的范畴，本研究侧重于裂纹闭合行为的实验表征。基于这些优势，本研究采用基于数字图像相关的测量方法，详细研究不同T应力状态下的裂纹闭合行为。所提出的方法构建了一个新的框架，可系统分析单个加载周期内的裂纹闭合现象。此外，该方法还能直接定量比较不同材料中的裂纹闭合行为，从而为理解控制疲劳裂纹扩展的潜在机制提供新见解。