光學體式顯微鏡分辨率可達到250nm，數字圖像相關DIC技術可達到小于0.1像素位移解析度。兩相結合可獲得高分辨率的全場位移數據。通過這種方式，可以在不需要 AFM或 SEM 的情況下進行納米長度尺度研究。

高碳鋼材料廣泛應用于航空航天、精密機床和汽車工業。球化鐵素體-滲碳體鋼(SFC)在冷成形過程中，由于鐵素體與滲碳體變形不匹配，容易產生微缺陷，嚴重影響疲勞壽命。研究SFC鋼在冷變形過程中的損傷機制，有助于對組織和成形過程的控制。

實驗內容

采用新拓三維DIC顯微光學應變測量系統，原位拉伸機加載，結合多尺度模擬方法，研究SFC鋼單軸拉伸損傷機理及其與組織特征的依賴關系。原位拉伸試驗揭示SFC鋼在單軸拉伸作用下的損傷機制。在多尺度模擬中，分別進行宏觀尺度拉伸和納米壓痕模擬，獲得中尺度模擬的應變和力學性能。

新拓三維DIC顯微光學應變測量系統

材料與微結構表征方面，采用掃描電鏡(SEM)和高分辨率透射電鏡(HRTEM)對初始微觀結構進行表征。由于滲碳體顆粒為納米級，采用SEM觀察顆粒參數。用EBSD法測定了晶粒尺寸和取向。通過TEM分析了鐵素體和滲碳體的取向關系和界面結構。

單軸拉伸試樣的幾何尺寸

DIC顯微光學應變測量分析

單軸拉伸試驗重復3次，應變速率為10-3 S-1。為捕捉局部應變分布并驗證以下宏觀尺度拉伸模擬，采用新拓三維顯微DIC光學應變測量系統進行測試。在試樣表面噴涂黑白散點，并利用體式顯微鏡采集試樣散斑圖像。隨后，利用DIC軟件對散斑圖像進行處理，得到不同宏觀應變下的局部應變。

實驗結果

原位拉伸試驗

采用原位拉伸實驗，研究SFC鋼的微觀變形過程和損傷機制。采用厚度為0.8 mm的試件的形狀和尺寸。試件中心區域的ROI表示觀察下感興趣的區域。試驗重復進行兩次;拉伸速度為0.033 mm/min。圖中(c)為原位拉伸試驗的力-位移曲線。該曲線可分為三個不同的階段:(I)彈性階段，(II)由滑移帶形成、孔洞萌生、生長和擴展組成的塑性階段，(III)最終破壞階段。在SEM測量中，在0%、2%、5%、10%、15%和20%的整體應變水平下進行現場拉伸試驗，并定期中斷，在曲線中用字母(即i、ii、iii、iv、v和vi)標記。試樣斷裂后，從斷裂試樣中心沿拉伸方向觀察到不同頸縮位置(不同應變)的斷裂后顯微組織。

(a)原位拉伸設備示意圖。(b )原位拉伸試樣幾何尺寸。ROI表示觀察感興趣的區域。(c )力-位移曲線。曲線上用字母i、ii、iii、iv、v、vi標記的落差。(d)斷裂試件沿中心線的截面示意圖。放大圖為沿斷裂面觀察到的5個區域

宏觀力學性能

下圖(a)~(b)為不同全局應變下的應力-應變曲線和應變分布。頸縮階段的最優力-位移曲線和應變分布如圖(c)~(d)所示。如圖10(d)所示，縮頸階段的應變分布與實驗結果吻合較好(圖(b))。

(a)單軸拉伸試驗應力-應變曲線。(b )拉伸加載過程中DI C試驗捕獲的應變分布。(c)實驗載荷-位移曲線與模擬曲線對比。(d )宏觀尺度十彈模擬中頸部應變分布

中尺度力學性能

圖(a)為陣列壓痕的SEM圖像和150 nm深度下的高倍放大圖像。圖(b)所示，由于深度較淺，部分鐵素體相的載荷-深度曲線出現了分散。如圖(c)所示，通過優化后的納米壓痕模擬結果，獲得了鐵氧體混合律的未知材料參數。SFC鋼和鐵素體相以及SFC的真實應力-塑性應變行為如圖11(d)所示。

(a)所有壓痕的SEM圖像和壓痕區域的高倍率圖像。(b )深度為15 0 nm的納米壓痕試驗中鐵氧體相的可用載荷-深度曲線。(c ) 200 nm深度下的實驗和最優模擬載荷-深度曲線。(d) SFC鋼及其組成相的應力應變曲線

下圖為通過MD模擬得到的斷裂后拉伸、原子構型和共鄰分析(CNA)下的應力/界面能-應變曲線。其中，CAN表示塑性變形程度。

(a)拉伸加載時的應力/能量-應變曲線，(b )原子構型，(c)界面開裂開始時的CAN (ε =0.168)

微觀結構演化與損傷機制

下圖為原位試驗下不同宏觀應變下試件中心區域的SEM顯微圖和局部高倍放大(藍色點框標記)。

SEM顯微照片和局部高倍放大圖像，對應于原位拉伸試驗的力-位移曲線(圖3 (c ))中標記的點:(a) i， (b ) ii ， (c ) iii， (d ) iv ， (e) v 和(f ) vi

下圖為三種孔洞原位生長類型的SEM圖像子圖

圖中三種孔洞生長類型在不同整體應變下的子圖:(a1) ~ (a3) PCV;(b1) ~ (b3) IDV;(c1) ~ (c3) MCV

下圖顯示了從斷裂中心沿拉伸方向觀察到的不同頸縮位置的斷裂后微結構

不同頸縮位置的斷裂后SEM顯微圖:(a) 1區;(b) 2區;(c) 3區;(d)區4 ;(e)第5區;(f )斷口形態

損傷機理的驅動力分析

將頸縮前的真實應力-應變曲線與單軸拉伸試驗下的實驗結果進行了對比。下圖為模擬結果的對比應力-應變曲線及實驗結果。

基于ip的RVE模擬SFC鋼的真實應力-應變曲線，研究尺寸敏感性:(a) RVE尺寸敏感性:從10 × 10μm2到60 × 60μm2;(b)網孔尺寸靈敏度:從0. 1μm 到5μm

基于實際微觀組織，采用模擬方法分析了局部微觀組織的應力應變分布。

原位拉伸加載下局部組織的應變和應力分布:(a)鐵素體相的mis es應力，(b )滲碳體相的mis es應力，(c )最大主應變

在鐵素體塑性變形的驅動下，滲碳體相產生彈性應變，導致內應力增大

變形開始階段的中尺度應力和應變分布:(a)滲碳體階段的mises應力，(b )最大法向應力，(c )等效塑性應變。(d)三種孔洞起裂示意圖

實驗結論

1)采用新拓三維XTDIC-MICRO顯微應變系統，搭配原位拉伸試驗機，以及多尺度模擬方法，分析SFC鋼的局部變形、損傷起裂部位及其與微觀組織特征的關系，為規范其微觀組織形態和形成過程提供指導。

2)分析SFC鋼在單軸拉伸作用下的損傷機理，及其與組織特征的依賴關系。原位拉伸試驗揭示了SF C鋼在單軸拉伸作用下的三種損傷機制。

3)在多尺度模擬中，分別進行了宏觀尺度拉伸和納米壓痕模擬，獲得了中尺度模擬的應變歷史和力學性能，并分別捕捉了三種損傷機制的驅動力和微觀結構特征的依賴性。通過納米尺度分子動力學模擬，確定中尺度內聚帶模型(CZ M)的模型參數。

4)與圓形滲碳體顆粒相比，橢圓顆粒更容易引起界面脫粘。同時，鐵素體/鐵素體晶界垂直于加載方向的界面脫粘比平行于加載方向的界面脫粘更早。

案例摘自：