基于立体数字图像相关的低温大变形全场应变测量技术研究

《The Journal of Strain Analysis for Engineering Design》：Enabling non-contact deformation measurements at cryogenic temperatures for large deformations

　　

随着核聚变和航空等领域对低温技术的日益广泛应用，亟需能够表征材料在低温下力学行为的测试方法。本研究提出了一种集成立体数字图像相关（stereo digital image correlation, DIC）与强制对流冷却的低温力学测试方法，可在常规环境箱内实现从室温至123?K的全场应变测量。研究中缓解了对流冷却低温环境下的关键实验挑战，包括结霜和对流引起的光学畸变，从而实现了在大变形条件下于低温进行DIC测量。研究人员开发了一种基于喷笔沉积丙烯酸涂料的稳健散斑图案制备技术，用于低温DIC测量。所制备的图案在123?K下可稳定保持至80%伸长率，无开裂或相关性丢失。通过对316L不锈钢试样在室温和123?K下进行拉伸试验，验证了该实验装置的性能，包括DIC测量不确定度评估以及低温条件下的全场变形行为。该系统实现了空间异质性变形的全场观测，其变形特征与文献中报道的滑移主导塑性行为一致。在123?K下，DIC测量捕捉到了第二级应变硬化之前塑性流动阶段中瞬态颈缩状应变局部化现象，展示了该方法在低温条件下解析演化变形行为的能力。

一、研究背景与现存问题

近年来，核聚变和氢动力航空领域对低温力学测试新方法的兴趣激增，主要驱动力来自确保暴露于20?K液氢环境的材料、组件和系统的全寿命安全性需求。核聚变领域还需在4–20?K范围内测试材料，以确保下一代聚变反应堆中超导磁体的持续运行与结构完整性。现有低温测试标准（如ASTM E1450、ISO 6892-4等）主要依赖将试样浸入制冷剂，缺乏从标准试样向复杂几何形状和真实载荷工况组件测试扩展的适应性。此外，现有标准推荐的接触式方法（如夹持式引伸计和电阻应变片）存在部署限制、数据稀疏、低温下应变片传感器可能产生局部加热以及无法捕获不连续塑性流动等局部材料行为等问题。因此，亟需发展两个方向：一是能够在从环境温度到极端低温工作温度（20?K）全温区进行标准试样和组件级测试的低温测试基础设施；二是非接触式、全场的变形测量技术，以提供丰富的数据支持有限元模型的定量验证。

二、研究内容与结论

研究人员开发了一套集成立体数字图像相关（stereo DIC）与强制对流冷却的低温力学测试系统，在常规环境箱内实现了从室温至123?K的全场应变测量。通过对316L不锈钢试样进行室温和123?K拉伸试验，验证了系统的性能。主要结论包括：（1）开发了一种基于喷笔沉积丙烯酸涂料的散斑图案制备方法，该图案在123?K下可稳定保持至80%伸长率；（2）引入DC轴向风扇破坏对流回路，使DIC噪声基底降低约一半，接近室温水平的两倍；（3）123?K下的工程应力-应变曲线呈现奥氏体不锈钢低温下特有的两阶段应变硬化行为；（4）DIC全场应变图揭示了与滑移主导塑性行为一致的空间异质性变形模式；（5）DIC测量捕捉到了123?K下塑性流动阶段中瞬态颈缩状应变局部化现象，随后在第二级硬化开始时转变为更分散的异质性应变场。该工作的意义在于：提供了一种成本效益高、高通量的低温测试方案；首次系统量化了对流冷却环境箱中DIC测量的不确定度；揭示的瞬态局部化行为可能为理解奥氏体不锈钢低温变形机制提供新见解。

三、关键技术方法

研究人员采用了以下关键技术方法：（1）基于喷笔沉积丙烯酸涂料的离散散斑图案制备技术，通过黑白两层离散漆雾形成高对比度图案；（2）立体DIC测量系统（LaVision GmbH），配备双12位CMOS相机（2056×2464像素）、Tokina 100?mm微距镜头，采用交叉偏振法消除窗镜反射；（3）3D打印PETG试样屏蔽罩，内置磁悬浮轴承DC轴流风扇以改善气流均匀性并稳定折射率；（4）基于iDICs指南的噪声基底量化方法，包括空间和时间噪声分解、系统偏差场与随机噪声场分离；（5）虚拟引伸计与不确定度传播分析方法，用于获取带置信区间的应力-应变曲线。

四、研究结果

散斑图案在大变形下的表现：通过Otsu阈值分割和分水岭算法表征散斑尺寸分布，多数散斑等效直径在2–10像素范围。采用平均强度梯度（mean intensity gradient, MIG）和香农熵（Shannon entropy, SE）两种指标评估散斑质量，结果显示在高达80%伸长率下，MIG和SE均未出现显著下降，视觉检查也未发现开裂或剥落。这表明该散斑图案在123?K下可承受远超此前文献报道的变形水平。

DIC测量不确定度：在123?K下，噪声水平名义上是室温的四倍，主要由冷氮气流入引起的对流效应导致。Test 4（启用风扇）相比Test 3（未启用风扇）的最大主应变噪声基底降低了约一半，表明风扇有效抑制了对流诱导的伪影。空间分布分析显示，系统偏差场主要源于散斑图案的各向异性或空间不均匀性，而非光学窗口影响。交叉头位移与DIC引伸计伸长量的对比证实了加载链中存在显著柔度。

拉伸加载过程中应变场的演化：室温下，应变图呈现出清晰的渐进式带状应变模式。在123?K下，8%–12%伸长率区间出现了明显的瞬态颈缩状应变局部化，发生在第二级硬化之前的塑性流动阶段。该局部化位置与最终断裂位置一致。超过~12%伸长率后，局部化演变为更分散的异质性应变场。通过归一化互相关分析和参数化研究（涵盖不同子区大小、步长、应变窗口和形状函数），证实这些应变模式并非DIC处理伪影，而是反映真实的材料变形行为。

五、讨论与结论

讨论：强制对流冷却方案为低成本、高通量低温测试提供了可行途径，特别适用于机械响应在氮沸点以上演变的材料（如奥氏体钢）。然而，结霜和对流引起的光学扰动是集成DIC的主要挑战。本研究表明这些挑战可通过合理的气流管理和屏蔽设计得到缓解。未来工作将聚焦于优化气流通道以进一步降低噪声基底至室温水平，从而实现弹性区的精确应变测量，并将观察到的应变局部化行为与电子背散射衍射（EBSD）技术关联以揭示微观组织演化。

研究结论：本文开发了一种新型低温力学测试装置，集成立体DIC与强制对流冷却，实现了从室温至123?K的高通量测试和全场应变测量。关键发现包括：空气刷涂丙烯酸漆产生的散斑图案在123?K下可承受高达80%伸长率；引入DC轴流风扇可使DIC噪声基底降低约一半；123?K下的应力-应变响应呈现典型的两阶段应变硬化行为；DIC全场应变图揭示了与滑移主导塑性一致的异质性变形模式；DIC测量捕捉到了123?K下塑性流动阶段中瞬态颈缩状应变局部化现象，展示了该方法在低温条件下解析演化变形行为的能力。