學術干貨丨數字圖像相關（DIC）技術原理及在材料研究中的應用
【引言】
數字圖像相關（Digital Image Correlation, DIC）技術是一種非接觸式現代光學測量實驗技術，由于具有光路簡單、環境適應性好、測量范圍廣以及自動化程度高等諸多優點已經被廣泛應用于土木工程、機械、材料科學、電子封裝、生物醫學、制造、焊接等許多科學及工程領域[1]。對于關注材料領域的材料人來說，DIC目前在材料研究的許多方面尤其是力學性能表征方面得到了越來越廣泛的應用。材料人網通過整理相關知識及內容，為大家簡單介紹DIC的技術原理以及在材料研究中的典型應用。
【DIC的技術原理】
DIC方法最初是在上世紀八十年代由日本和美國的研究學者分別獨立創建，它的基本原理就是通過跟蹤（或匹配）物體表面變形前后兩幅散斑圖像中同一像素點的位置來獲得該像素點的位移向量，從而得到試件表面的全場位移[2]。圖1給出了一種典型的DIC測量系統的示意圖，該系統一般由CCD攝像機、照明光源、圖像采集卡及計算機組成。首先，需要使試件的成像表面具有可以反映變形信息的隨機散斑圖，然后在實驗過程中對試件表面在加載前后的圖像進行采集并存入計算機，最后利用軟件程序采取相關的數學算法得到試件表面的位移信息。
圖1 一種典型的DIC測量系統示意圖[2]
其實，根據小編的理解，如果簡單點來說，DIC技術其實就是在實驗過程中對包含像素特征點的樣品表面進行拍照，在選定基準圖像后就可以根據數學算法得出樣品在實驗過程中的位移信息。有了位移的數據，自然而然地就可以得到應變的數據，而這些信息就可以被用來分析研究材料受力過程中的變形行為。
【DIC在材料研究中的典型應用】
前面已經提到，其實DIC得到的最原始數據是樣品的位移，而其他的信息都是根據位移的數據計算出來的，比如材料的應變以及與裂紋相關的斷裂力學參數等。而在實驗過程中，DIC設備一般作為試驗系統中的一部分，另一部分一般是用來對樣品施加載荷的力學實驗機。下面就通過幾個實例來看一下DIC在材料研究中的典型應用。
目前，DIC在材料研究方面應用最廣泛也最成熟的就是通過DIC技術代替引伸計來測量樣品在拉伸中的實時應變分步。對于傳統的拉伸試驗，要想獲得實驗過程中的應變數據，就需要在樣品上裝卡一個引伸計來得到應變的數據，它測量的是樣品的平均應變，而DIC技術可以給出樣品中點對點的應變信息，從而可以畫出實驗過程中的應變分布云圖的變化過程，為分析研究材料的變形行為及失效斷裂機理提供了良好的途徑。圖2就是一種雙相鋼板狀樣品在拉伸過程中不同時間的主應變的云圖分布情況，圖中顏色的深淺就代表著對應位置應變量的高低[3]。
圖2 雙相鋼在拉伸不同階段的主應變分布[3]
如前所述，在進行DIC實驗之前需要對樣品的表面進行標記，通常采用的方法是人工在樣品表面隨機噴涂黑白漆從而得到一系列的散斑點，而金屬材料的微觀組織形貌本身也可以作為DIC測量的標記，因為只要樣品表面具有足夠的特征點，DIC技術就可以用來捕捉這些特征位置進行計算，這種方法一般用于研究和分析材料在受力過程中一個很小的區域內的應變演化。圖3就給出了一種回火處理的雙相鋼在拉伸過程中不同階段的微區局域應變分布情況，加載方向沿著水平方向，可以看出材料的局域應變并不均勻，結合材料的微觀組織就可以分析組織狀態對于材料受力變形以及斷裂失效的影響[4]。
圖3 回火雙相鋼在拉伸過程中不同階段的微區局域應變分布[4]
除了在材料靜態力學測試中的廣泛應用，DIC在動態力學測試的疲勞研究領域也可以大有作為，其中一個應用就是通過DIC來表征疲勞裂紋尖端附近的塑性區形狀及尺寸。圖4就是利用DIC技術對純鈦的疲勞裂紋尖端附近塑性區的形狀及尺寸進行定量化表征[5]，它的基本過程是：首先得到裂紋尖端附近的水平位移場和垂直位移場，然后對位移數據進行微分處理得到應變場，再根據胡克定律獲得應力場，接著利用米塞斯或者屈雷斯加準則計算等效應力，最后，將等效應力數值與材料本身屈服應力數值相等的點連接起來，就得到了裂紋尖端塑性區的形狀及尺寸。
圖4 純鈦疲勞裂紋擴展實驗裂紋尖端塑性區形狀及尺寸的表征[5]
DIC在關于疲勞裂紋方面的另一個用途就是測量裂紋閉合效應。裂紋閉合指的是在循環載荷作用下，疲勞裂紋在由最大力卸載過程中還未達到最小力就提前發生裂紋面接觸的一種現象，研究裂紋閉合現象有助于更好地理解材料的疲勞裂紋擴展行為及其微觀機制。圖5和圖6表示的是利用DIC對一種鋁合金的疲勞裂紋在擴展過程中的裂紋閉合效應進行測量[6]，首先在樣品表面的裂紋兩側設置五組相對應的標記點（圖5），在加載卸載過程中記錄標記點位置之間的相對位移變化，從而得出相對位移隨著外加載荷的一個變化情況（圖6），可以看出，在載荷較小時，相對位移接近于零且保持不變，說明裂紋此時處于閉合狀態，隨著載荷的逐漸增大，相對位移開始增加，裂紋處于張開狀態，接著就可以計算出裂紋閉合張開力的水平，從而為分析疲勞裂紋擴展的性能及微觀機制奠定基礎。
圖5 測量裂紋閉合效應設置標記點的示意圖及實際照片[6]
圖6 得到的不同標記點相對位移隨歸一化載荷的變化情況[6]
除了以上列出的幾種典型應用，根據材料變形中的位移信息，結合實驗中的其他數據信息及相關理論知識，還可以得到材料的許多性能指標及參數，比如材料的彈性模量、泊松比，以及與裂紋相關的斷裂力學參數K因子、J積分等等。
【DIC設備哪家強】
首先聲明這不是在做廣告，這里只是根據小編的粗淺認識簡單介紹一下國內外DIC設備的廠家情況。國外的DIC系統做的比較出色的有德國GOM公司的ARAMIS系統、美國CSI公司的VIC3D系統等，國內的話做的比較好的是西安交通大學梁晉老師所帶領的團隊，他們在DIC技術方面設計制造了許多實驗系統，還因此獲得了國家技術發明二等獎，此外還有一些規模小一點的公司也在做。其實從原理上來講，做成一套DIC設備并不是十分困難，不同公司之間設備的差異其實就是對于細節的處理，比如數據采集的準確度、相關數學算法的優化以及系統的穩定性等等。
【結語】
DIC技術發展至今已經有三十多年的歷史，多方面的優點使其在科學研究及工程等方面獲得了越來越廣泛的應用。而關于在材料研究方面的應用，我們其實沒有必要特別深入地理解和鉆研這種技術本身的內在問題，如果能夠了解它的基本原理并知道如何利用它來為我們的材料研究提供幫助就已經足夠了。
最后奉上真誠的福利！這是一本由美國南卡羅萊納州的研究團隊（DIC技術的創始團隊之一）所撰寫的DIC方面的專業書籍，里面有許多關于DIC技術基本原理及實際應用的介紹，感興趣的小伙伴可以點擊鏈接下載。（鏈接: https://pan.baidu.com/s/1hr6Mp5E 密碼: md5k）
【參考文獻】
[1] Image Correlation for Shape, Motion and Deformation Measurements, Springer, 2009.
[2] 數字圖像相關方法及其在材料力學性能測試中的應用, 吉林大學博士學位論文, 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
本文由材料人編輯部學術干貨組張金睿供稿，材料牛編輯整理。
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