采用數(shù)字圖像相關(guān)方法（DIC）研究了TC4ELI合金在相同載荷幅、高低載荷比（0.7，0.1）下疲勞裂紋擴(kuò)展時(shí)裂尖塑性變形的演變。結(jié)果表明：0.7高載荷比下合金的棘輪應(yīng)變和裂尖單調(diào)塑性變形程度更大，應(yīng)變累積更快；0.1低載荷比下的等效應(yīng)變幅更大，循環(huán)塑性變形更明顯。高載荷比下的棘輪應(yīng)變與等效應(yīng)變幅梯度均比低載荷比下大，裂尖應(yīng)變更集中。裂尖塑性區(qū)尺寸與應(yīng)力強(qiáng)度因子呈冪函數(shù)關(guān)系。高載荷比下單調(diào)塑性區(qū)尺寸與最大應(yīng)力強(qiáng)度因子間的指數(shù)較大，單調(diào)塑性變形對(duì)裂紋擴(kuò)展起主導(dǎo)作用，該主導(dǎo)作用隨裂紋長(zhǎng)度或裂紋擴(kuò)展速率的增加而增強(qiáng)；低載荷比下循環(huán)塑性區(qū)尺寸與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅間的指數(shù)較大，循環(huán)塑性變形對(duì)裂紋擴(kuò)展起主導(dǎo)作用，該主導(dǎo)作用隨裂紋長(zhǎng)度或裂紋擴(kuò)展速率的增加而減弱。
01研究背景
裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的裂紋尖端（簡(jiǎn)稱裂尖）塑性變形一直是斷裂力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。對(duì)于工程中的大多數(shù)彈塑性材料，裂尖應(yīng)力集中產(chǎn)生的塑性變形為疲勞裂紋擴(kuò)展提供驅(qū)動(dòng)力。材料的力學(xué)性能和所處的應(yīng)力狀態(tài)決定了裂尖塑性區(qū)的尺寸，而塑性區(qū)的尺寸會(huì)影響疲勞裂紋的擴(kuò)展速率。目前，關(guān)于裂尖塑性區(qū)尺寸的理論模型主要包括Irwin、Dugdale等模型，這些模型對(duì)于塑性區(qū)尺寸的評(píng)估受限于小屈服條件或無(wú)限寬板的裂紋。
數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)作為一種操作簡(jiǎn)單、非接觸式的光學(xué)位移、應(yīng)變場(chǎng)測(cè)試方法，已被應(yīng)用于疲勞裂紋尖端變形場(chǎng)的檢測(cè)中。研究人員利用DIC技術(shù)對(duì)裂尖的應(yīng)變場(chǎng)、塑性區(qū)尺寸、J積分、應(yīng)力強(qiáng)度因子、裂紋尖端張開(kāi)位移等影響裂紋擴(kuò)展行為的參量進(jìn)行了大量研究。研究表明，載荷比對(duì)裂紋擴(kuò)展行為具有較大影響。但是，目前有關(guān)高低載荷比（載荷比不低于0.7為高載荷比，載荷比低于0.5為低載荷比）下疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中裂尖塑性變形行為的研究較少，特別是應(yīng)用DIC技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裂尖塑性變形演變的研究更少?；诖?，作者以TC4ELI合金為研究對(duì)象，利用DIC技術(shù)分析高低載荷比下裂尖的單調(diào)和循環(huán)塑性變形以及單調(diào)塑性區(qū)與循環(huán)塑性區(qū)對(duì)裂紋擴(kuò)展的作用。
研究結(jié)果有助于高低載荷比條件下考慮塑性變形的疲勞裂紋擴(kuò)展速率的預(yù)測(cè)，對(duì)于延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命具有參考意義。
02研究亮點(diǎn)
1 試樣制備與試驗(yàn)方法
本章節(jié)重點(diǎn)包括：
1. 材料與試樣：
試驗(yàn)材料為T(mén)C4ELI合金（α+β雙相組織），給出其化學(xué)成分、力學(xué)性能參數(shù)（如彈性模量、屈服強(qiáng)度等），并制備標(biāo)準(zhǔn)CT試樣（厚度5 mm，寬度25 mm）。
2. 試驗(yàn)方法：
使用疲勞試驗(yàn)機(jī)與DIC（數(shù)字圖像相關(guān)）系統(tǒng)進(jìn)行裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，通過(guò)噴涂散斑追蹤裂尖變形場(chǎng)。 載荷條件：正弦波，載荷幅0.63 kN，高低載荷比（0.7和0.1），記錄裂紋長(zhǎng)度時(shí)頻率降至0.01 Hz。
3. 數(shù)據(jù)分析：
選取裂尖附近5個(gè)點(diǎn)研究循環(huán)應(yīng)變演變，沿路徑L分析應(yīng)變梯度。 通過(guò)DIC計(jì)算單調(diào)塑性區(qū)（基于屈服應(yīng)變）和循環(huán)塑性區(qū)（基于循環(huán)屈服應(yīng)變），使用給定公式（涉及強(qiáng)度系數(shù)、硬化指數(shù)等）量化塑性區(qū)尺寸。
2 結(jié)果與討論
本章節(jié)重點(diǎn)研究了TC4ELI合金在高低載荷比下裂紋擴(kuò)展過(guò)程中裂尖塑性變形行為的差異。主要內(nèi)容包括：
1.應(yīng)變分布差異：高載荷比（0.7）下裂尖附近的等效應(yīng)變顯著高于低載荷比（0.1），而遠(yuǎn)離裂尖區(qū)域應(yīng)變受載荷比影響較小。高載荷比下棘輪應(yīng)變更大，表明單調(diào)塑性變形更顯著；低載荷比下等效應(yīng)變幅更大，循環(huán)塑性變形更明顯。
2. 塑性變形機(jī)制：高載荷比以單調(diào)塑性變形（靜態(tài)損傷）主導(dǎo)裂紋擴(kuò)展，低載荷比以循環(huán)塑性變形（循環(huán)損傷）為主。應(yīng)變環(huán)分析顯示，低載荷比下循環(huán)塑性區(qū)面積更大，塑性變形更活躍。
3. 塑性區(qū)特征：高載荷比下塑性區(qū)面積更大、應(yīng)變更集中，呈蝴蝶形；低載荷比下循環(huán)塑性區(qū)尺寸增長(zhǎng)更快，與高載荷比差距隨裂紋擴(kuò)展增大。
4. 模型對(duì)比：DIC實(shí)測(cè)塑性區(qū)尺寸顯著高于Irwin理論模型，且Irwin模型未考慮載荷比影響。DIC結(jié)果顯示，高載荷比下單調(diào)塑性區(qū)尺寸更大，低載荷比下循環(huán)塑性區(qū)主導(dǎo)作用更顯著。
5. 參數(shù)關(guān)系：塑性區(qū)尺寸與應(yīng)力強(qiáng)度因子呈冪函數(shù)關(guān)系，但指數(shù)受載荷比影響。高載荷比下單調(diào)變形主導(dǎo)作用隨裂紋擴(kuò)展加速增強(qiáng)，低載荷比下循環(huán)變形貢獻(xiàn)更大。
結(jié)論：載荷比通過(guò)改變裂尖塑性變形機(jī)制影響裂紋擴(kuò)展行為，高低載荷比分別強(qiáng)化單調(diào)與循環(huán)塑性變形的主導(dǎo)作用。
03結(jié)束語(yǔ)
（1）0.7高載荷比下試樣的棘輪應(yīng)變和裂尖單調(diào)塑性變形程度更大，應(yīng)變累積更快；0.1低載荷比下的等效應(yīng)變幅更大，循環(huán)塑性變形更明顯。高載荷比下的棘輪應(yīng)變與等效應(yīng)變幅梯度均比低載荷比下大，裂尖的應(yīng)變更集中。
（2）裂尖單調(diào)塑性區(qū)尺寸與最大應(yīng)力強(qiáng)度因子以及循環(huán)塑性區(qū)尺寸與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅之間均呈冪函數(shù)關(guān)系。高載荷比下單調(diào)塑性區(qū)尺寸與最大應(yīng)力強(qiáng)度因子間的冪指數(shù)較大，此時(shí)單調(diào)塑性變形對(duì)裂紋擴(kuò)展影響更大，而低載荷比下循環(huán)塑性區(qū)尺寸與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅間的冪指數(shù)較大，此時(shí)循環(huán)塑性變形對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響更大。
（3）循環(huán)塑性區(qū)和單調(diào)塑性區(qū)尺寸比隨裂紋長(zhǎng)度或裂紋擴(kuò)展速率的增加而減??；高載荷比下的循環(huán)塑性區(qū)和單調(diào)塑性區(qū)尺寸比更小，隨裂紋長(zhǎng)度或裂紋擴(kuò)展速率增加而降低的梯度更大。隨裂紋長(zhǎng)度增加，循環(huán)塑性變形對(duì)裂紋擴(kuò)展的作用減弱，單調(diào)塑性變形對(duì)裂紋擴(kuò)展的作用增加，且載荷比越高，單調(diào)塑性變形的主導(dǎo)作用增加越快。
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