疲劳破坏是机械零部件失效的最常见形式,大量的断裂都与疲劳裂纹的产生和扩展密切相关,由于目前尚不能完全通过有效的理论方法来研究其萌生、扩展和断裂机理,采用特定材料进行疲劳裂纹扩展试验,测量疲劳裂纹尖端的位移、应变场,并进一步研究其在疲劳裂纹扩展过程中的变化规律,是研究材料断裂特性的关键,对提高机械产品的可靠性和使用寿命有着十分重要的意义。金属材料疲劳裂纹扩展试验采用具有预制裂纹的试件来研究材料断裂性能,目前存在着测量内容单一、不能从材料微观和宏观变形的全局角度来揭示疲劳裂纹扩展、断裂演化过程和机理的问题。据此,本文将测量受力物体微观变形场的非接触式精密光测力学方法—数字图像相关(DIC)法,结合数字化高速摄影技术应用到疲劳裂纹扩展试验中,对疲劳裂纹尖端的位移、应变场进行测量,并研究了电磁谐振式疲劳裂纹扩展试验中紧凑拉伸(CT)试件在高频正弦交变载荷作用下、裂纹稳态扩展阶段裂纹尖端区域位移和应变场的变化规律。本文的主要工作包括以下五个方面:1.建立了高速DIC谐振式疲劳裂纹扩展试验系统。主要包括试验载荷加载控制系统和高速DIC疲劳裂纹图像采集系统。2.为了获得CT试件在循环载荷下裂纹尖端位移、应变场的分布特征和变化规律,详细探讨了DIC的基本原理和数值计算方法,并针对裂纹尖端区域相邻点位移相差较小和可能产生不连续区域的特点,采用正向累加配准Gauss-Newton亚像素计算方法和可靠性导向路径计算方法,实现了亚像素位移和全场应变的计算,并用matlab编写了DIC计算程序。3.采用数字化高速摄影设备采集了疲劳试验过程中正弦交变载荷作用下CT试件系列数字散斑图像,建立了系统三自由度振动力学模型和动力学方程,通过对正弦高频激振载荷作用下试件的运动分析,得到在弹性范围内试件的变形是和激振载荷同频率的交变量,在此基础上,应用DIC方法计算每幅图像裂纹尖端区域位移和应变场,对裂纹尖端区域特征点的位移、应变值,采用最小二乘正弦拟合方法进行拟合,求出振幅、相位、平均载荷等特征量,将拟合出的应变或位移正弦曲线和所对应的系列散斑图像进行匹配,找到一个应力循环特征位置的图像。4.基于DIC计算的位移场求出了裂纹尖端点的位置和应力强度因子,然后利用有限元方法建模计算了裂纹尖端区域位移、应变以及应力强度因子,将二者计算结果进行了比较,验证了所提出高速DIC测量方法的准确性和建立系统的可行性。5.进行了谐振式疲劳裂纹扩展试验,研究了疲劳裂纹未扩展时裂纹尖端区域应变值和疲劳循环次数的关系以及疲劳裂纹扩展到不同长度时裂纹尖端区域位移和应变场的变化规律。本文所提出方法解决了以前疲劳裂纹扩展试验只能从宏观裂纹长度的测量和张角的测量来研究裂纹演化的机理问题和通过裂纹扩展的数值模拟方法和理论方法研究裂纹扩展的局限性问题,可以在试验中从微观角度测量裂纹萌生到演化过程中的变形信息,不仅有助于深化对材料疲劳变形过程本质的认识,而且对基于高速DIC的疲劳裂纹扩展试验技术的应用,裂纹扩展门槛值、断裂参数、疲劳使用寿命的测量和研究建立了理论基础,具有理论意义和应用价值。