基于数字图像相关（DIC）技术的金属试件极端高温拉伸下应变场演化与孔边应力集中研究

极端高温热载作用下金属材料的非线性应变演化规律及应力集中机理使用高温数字图像相关（DIC）系统测量。

1.实验背景

航空发动机燃气轮机叶片、燃烧室等核心部件的工作温度通常在900~1000°C区间，此极端高温会加剧金属材料的蠕变、热疲劳及应力腐蚀行为，故需对金属材料在高温服役条件下的可靠性进行评估，传统点式应变测量难以揭示材料在高温拉伸过程中因几何形状如孔洞引起的应变演化与失稳机理。

某航空实验室，引入中科君达视界提供的千眼狼高温数字图像相关（DIC）系统，对具有特殊几何形状的方形金属试件在高温热载下的非均匀变形行为进行研究。

2.实验设计

2.1 试件与加载

实验采用带中心孔洞的方形金属拉伸试件，中心孔洞作为几何不连续源，用于诱发局部应力集中与非均匀变形。实验在高温拉伸试验机上完成，实验温度稳定控制在980°C，加载过程采用位移控制，保证试件变形连续性、重复性。

2.2 实验设备

实验核心设备为千眼狼高温数字图像相关（DIC）系统，4096×3000 @29 fps；配备红外滤光片抑制炉内热辐射对成像质量的干扰；DIC分析软件通过子区匹配追踪拉伸前后图像中散斑点位移，实现高温条件下位移场和拉格朗日应变场（Exx,Eyy）的计算。

2.3 ROI选择

为精确捕获试件在中心孔洞区域的应变集中和分布情况，在孔洞周围对称选取4个阶段矩形区域，矩形0和矩形1分别选择在中心孔洞的左右两侧，这两个区域用于捕捉横向收缩与孔边应变集中；矩形2和矩形3分别选择中心孔洞的上下两侧，这两个区域反映了拉伸主载荷方向（Y方向）上的变形演化。

3.实验数据

3.1 垂直于加载方向（X方向）的拉格朗日应变Exx演化特征

在0~300 s加载期，阶段矩形0~3的X方向拉格朗日应变Exx均表现为缓慢线性增长的负应变，表明试件处于弹性-塑性变形阶段，负应变主要体现泊松效应，即垂直于拉伸方向的收缩。当加载试件超过300 s后，Exx的演化出现明显分区特征：左右阶段矩形0、矩形1负应变呈现明显的抛物线式向下加速增长趋势，表明材料在孔洞两侧开始进入塑性流动阶段，出现颈缩现象，导致泊松收缩效应增强；上下阶段矩形2、矩形3负应变仍保持线性增长，表明孔洞上下区域远离应力集中区，塑性变形相对较缓。

3.2 加载方向（Y方向）的拉格朗日应变Eyy演化特征

前240 s加载阶段，左右上下区域Eyy应变均表现为稳定线性正应变增长态势，表明该阶段材料整体处于高温塑性拉伸阶段，轴向应变主要来自拉伸载荷，孔洞诱发的局部效应尚未主导形变；240 s后，左右区域Eyy应变线性增长转变为加速向上增长的非线性趋势，而上下区域应变仍保持平缓增长态势，表明孔洞左右两侧沿拉伸方向是应力集中区，在极端高温下，材料屈服应力降低，左右区域在应力集中与材料软化的共同作用下应变加速累积，而上下区域在孔洞与载荷对称性约束下，仍保持相对均匀的轴向应变增长。

4.实验结论

I. 数字图像相关（DIC）技术能够在极端高温拉伸条件下获取金属试件的全场拉格朗日应变演化数据，揭示金属材料的屈服和塑性变形机制，孔洞两侧区域的应变加速增长是高温下材料塑性软化和局部颈缩的表现。

II. 依据数字图像相关（DIC）系统测量的应变分布和集中区域，金属材料结构尺寸设计上需要重点强化类似孔洞几何结构横向边缘强度，以应对加速增长的局部应变所带来的失效风险。