应力应变分布的检测是机械部件设计及结构安全评定的基础。焊接结构广泛应用于航空航天、高铁、汽车和化工设备中，其微观结构复杂，容易产生缺陷，是设备上的薄弱环节。因此，在工程设备中，金属构件容易在焊接结构处产生局部应力集中，导致构件变形开裂而失效。目前的传统应力应变检测方法受制于传感器尺寸，很难大范围地监测应力应变分布。因此，开发可用于大型金属工程结构的全场、实时和可视化的复杂局部应力应变的监测技术，对保障人员和设备的安全运行具有重要意义，具有极高的工程应用价值。
四硝基-四苯基乙烯（TPE-4N）是一种对力学刺激具有极高灵敏度的纯有机AIE材料，展现出快速的力致发光响应性、高对比度、出色的可逆性和优异的成膜性等优点，此前已在均相金属材料中实现应力应变和疲劳裂纹检测（Nat. Commun.,2018, 9, 3044; Adv. Mater., 2018, 30, 1803924）。近日，天津大学化工学院陈旭教授团队及香港科技大学唐本忠院士团队进一步研究了TPE-4N在金属焊接结构中复杂的局部应变响应的动态可视化监测。
本研究选用西气东输工程油气管道上使用的X80钢的焊接结构作为研究对象，取样位置和荧光采集系统如图1所示。当塑性变形超过1%时，X80钢表面的TPE-4N涂层产生明显的荧光，并且随着应变的增加，绿色的荧光逐渐增强，将原本难以观察的应变响应转化为肉眼可见的荧光信号。研究人员利用工程上常用的数字图像相关法（Digital image correlation, DIC）对X80钢的母材变形产生的荧光信号进行了强度标定，建立了金属材料的应变和机械变形诱导荧光强度之间的定量关系。
图1.（A）焊缝取样位置；（B）荧光采集系统。
本方法可通过荧光强度的不同，区分X80钢焊接结构的母材区（base material, BM）、热影响区（heat-affected zone, HAZ）和熔合区（fusion zone, FZ）的不同变形。如图2所示，在X80钢焊接结构拉伸过程中，随着试样变形的增加，荧光强度逐渐上升。但荧光强度的分布并不均匀，熔合区的荧光强度明显高于母材和热影响区的荧光强度。这是由于不同区域的机械强度不同，导致焊接结构的局部变形不一致，进而影响荧光强度的非均匀分布。结合金属应变和荧光强度的标定关系，研究人员可以定量获得焊接结构的不同区域在变形过程中的局部应变值。将本方法测得的局部应变值和DIC方法测得应变值进行比较可知，当塑性应变小于15%时，本方法测的应变值和DIC方法测的值基本一致。值得注意的是，在实际工程应用中，大部分金属构件的应变小于15%，因此本方法能广泛适用于实际金属工程结构的局部应力应变监测。
图2. X80焊接结构在单轴拉伸过程中荧光响应：（A）荧光部分照片；（B）荧光灰度值；（C）DIC测量应变分布；（D）各个区域灰度值变化；（E）各个区域的局部应变变化；（F）焊接结构应力应变响应；（G）本方法和DIC的测量结果的对比。
图3. X80焊接结构在循环变形过程中荧光响应：（A）荧光部分照片；（B）荧光灰度值；（C）各个区域灰度值变化；（D）各个区域的局部应变变化。
相关论文近期发表在ACS Applied Materials & Interfaces 杂志上，通讯作者为天津大学的张喆副教授，香港科技大学的唐本忠院士、丘子杰博士（现马普高分子所）。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、香港研究资助局和香港创新技术委员会的资助。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c02744?ref=xmol）：
Dynamic Visible Monitoring of Heterogeneous Local Strain Response through an Organic Mechanoresponsive AIE Luminogen
Zhe Zhang*, Mingkui Cao, Le Zhang, Zijie Qiu*, Weijun Zhao, Gang Chen, Xu Chen, Ben Zhong Tang*
ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, DOI: 10.1021/acsami.0c02744
Publication Date: April 16, 2020
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来源：X-MOL
