数字图像相关（DIC）技术原理及在材料研究中的应用

【引言】

数字图像相关(Digital Image Correlation, DIC)技术是一种非接触式现代光学测量实验技术，由于具有光路简单、环境适应性好、测量范围广以及自动化程度高等诸多优点已经被广泛应用于土木工程、机械、材料科学、电子封装、生物医学、制造、焊接等许多科学及工程领域[1]。【DIC的技术原理】

DIC方法最初是在上世纪八十年代由日本和美国的研究学者分别独立创建，它的基本原理就是通过跟踪(或匹配)物体表面变形前后两幅散斑图像中同一像素点的位置来获得该像素点的位移向量，从而得到试件表面的全场位移[2]。图1给出了一种典型的DIC测量系统的示意图，该系统一般由CCD摄像机、照明光源、图像采集卡及计算机组成。首先，需要使试件的成像表面具有可以反映变形信息的随机散斑图，然后在实验过程中对试件表面在加载前后的图像进行采集并存入计算机，最后利用软件程序采取相关的数学算法得到试件表面的位移信息。

图1 一种典型的DIC测量系统示意图[2]

其实，根据小编的理解，如果简单点来说，DIC技术其实就是在实验过程中对包含像素特征点的样品表面进行拍照，在选定基准图像后就可以根据数学算法得出样品在实验过程中的位移信息。有了位移的数据，自然而然地就可以得到应变的数据，而这些信息就可以被用来分析研究材料受力过程中的变形行为。

【DIC在材料研究中的典型应用】

前面已经提到，其实DIC得到的最原始数据是样品的位移，而其他的信息都是根据位移的数据计算出来的，比如材料的应变以及与裂纹相关的断裂力学参数等。而在实验过程中，DIC设备一般作为试验系统中的一部分，另一部分一般是用来对样品施加载荷的力学实验机。下面就通过几个实例来看一下DIC在材料研究中的典型应用。

目前，DIC在材料研究方面应用最广泛也最成熟的就是通过DIC技术代替引伸计来测量样品在拉伸中的实时应变分步。对于传统的拉伸试验，要想获得实验过程中的应变数据，就需要在样品上装卡一个引伸计来得到应变的数据，它测量的是样品的平均应变，而DIC技术可以给出样品中点对点的应变信息，从而可以画出实验过程中的应变分布云图的变化过程，为分析研究材料的变形行为及失效断裂机理提供了良好的途径。图2就是一种双相钢板状样品在拉伸过程中不同时间的主应变的云图分布情况，图中颜色的深浅就代表着对应位置应变量的高低[3]。

图2 双相钢在拉伸不同阶段的主应变分布[3]

如前所述，在进行DIC实验之前需要对样品的表面进行标记，通常采用的方法是人工在样品表面随机喷涂黑白漆从而得到一系列的散斑点，而金属材料的微观组织形貌本身也可以作为DIC测量的标记，因为只要样品表面具有足够的特征点，DIC技术就可以用来捕捉这些特征位置进行计算，这种方法一般用于研究和分析材料在受力过程中一个很小的区域内的应变演化。图3就给出了一种回火处理的双相钢在拉伸过程中不同阶段的微区局域应变分布情况，加载方向沿着水平方向，可以看出材料的局域应变并不均匀，结合材料的微观组织就可以分析组织状态对于材料受力变形以及断裂失效的影响[4]。

图3 回火双相钢在拉伸过程中不同阶段的微区局域应变分布[4]

除了在材料静态力学测试中的广泛应用，DIC在动态力学测试的疲劳研究领域也可以大有作为，其中一个应用就是通过DIC来表征疲劳裂纹尖端附近的塑性区形状及尺寸。图4就是利用DIC技术对纯钛的疲劳裂纹尖端附近塑性区的形状及尺寸进行定量化表征[5]，它的基本过程是：首先得到裂纹尖端附近的水平位移场和垂直位移场，然后对位移数据进行微分处理得到应变场，再根据胡克定律获得应力场，接着利用米塞斯或者屈雷斯加准则计算等效应力，最后，将等效应力数值与材料本身屈服应力数值相等的点连接起来，就得到了裂纹尖端塑性区的形状及尺寸。

图4 纯钛疲劳裂纹扩展实验裂纹尖端塑性区形状及尺寸的表征[5]

DIC在关于疲劳裂纹方面的另一个用途就是测量裂纹闭合效应。裂纹闭合指的是在循环载荷作用下，疲劳裂纹在由最大力卸载过程中还未达到最小力就提前发生裂纹面接触的一种现象，研究裂纹闭合现象有助于更好地理解材料的疲劳裂纹扩展行为及其微观机制。图5和图6表示的是利用DIC对一种铝合金的疲劳裂纹在扩展过程中的裂纹闭合效应进行测量[6]，首先在样品表面的裂纹两侧设置五组相对应的标记点(图5)，在加载卸载过程中记录标记点位置之间的相对位移变化，从而得出相对位移随着外加载荷的一个变化情况(图6)，可以看出，在载荷较小时，相对位移接近于零且保持不变，说明裂纹此时处于闭合状态，随着载荷的逐渐增大，相对位移开始增加，裂纹处于张开状态，接着就可以计算出裂纹闭合张开力的水平，从而为分析疲劳裂纹扩展的性能及微观机制奠定基础。

图5 测量裂纹闭合效应设置标记点的示意图及实际照片[6]

图6 得到的不同标记点相对位移随归一化载荷的变化情况[6]

除了以上列出的几种典型应用，根据材料变形中的位移信息，结合实验中的其他数据信息及相关理论知识，还可以得到材料的许多性能指标及参数，比如材料的弹性模量、泊松比，以及与裂纹相关的断裂力学参数K因子、J积分等等。

【DIC设备哪家强】

首先声明这不是在做广告，这里只是根据小编的粗浅认识简单介绍一下国内外DIC设备的厂家情况。国外的DIC系统做的比较出色的有德国GOM公司的ARAMIS系统、美国CSI公司的VIC3D系统等，国内的话做的比较好的是西安交通大学梁晋老师所带领的团队，他们在DIC技术方面设计制造了许多实验系统，还因此获得了国家技术发明二等奖，此外还有一些规模小一点的公司也在做。其实从原理上来讲，做成一套DIC设备并不是十分困难，不同公司之间设备的差异其实就是对于细节的处理，比如数据采集的准确度、相关数学算法的优化以及系统的稳定性等等。

【结语】

DIC技术发展至今已经有三十多年的历史，多方面的优点使其在科学研究及工程等方面获得了越来越广泛的应用。而关于在材料研究方面的应用，我们其实没有必要特别深入地理解和钻研这种技术本身的内在问题，如果能够了解它的基本原理并知道如何利用它来为我们的材料研究提供帮助就已经足够了。

【参考文献】

[1] Image Correlation for Shape, Motion and Deformation Measurements, Springer, 2009.

[2] 数字图像相关方法及其在材料力学性能测试中的应用, 吉林大学博士学位论文, 2012.

[3] Whole field sheet-metal tensile test using digital image correlation, Experimental Techniques, 2010.

[4] Digital image correlation studies for microscopic strain distribution and damage in dual phase steels, Scripta Materialia, 2007.

[5] Assessment of crack tip plastic zone size and shape and its influence on crack tip shielding, Fatigue Fract Engng Mater Struct, 2016.

[6] Application of digital image correlation to the investigation of crack closure following overloads, Procedia Engineering 2 (2010) 1035–1043

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