类型a：这篇文档报告了一项原创研究，以下是针对该研究的学术报告。

主要作者和机构及发表信息
本研究由耿超（C. Geng）、钟强（Q. Zhong）、罗恒（H. Luo）、施伟（W. Shi）、谢宏明（H. Xie）和何卫（W. He）等人完成，其中谢宏明和何卫为通讯作者。研究团队来自清华大学航天航空学院先进力学实验室（AML, School of Aerospace Engineering, Tsinghua University）以及湖南大学机械与运载工程学院（College of Mechanical and Vehicle Engineering, Hunan University）。该论文发表于《实验力学》（Experimental Mechanics）期刊，2024年8月30日被接受，并于2024年10月3日在线发布，计划刊载于2025年第65卷第5-23页。

研究背景
本研究属于材料科学与实验力学领域，专注于镍基高温合金（nickel-based superalloys）的疲劳裂纹扩展行为研究。镍基高温合金因其高强度、优异的抗氧化性和抗腐蚀性，是航空发动机热端部件（如涡轮叶片）的核心材料。然而，在复杂的运行环境中，这些材料容易发生疲劳裂纹萌生与扩展，对其结构完整性和服役性能造成重大影响。因此，准确表征镍基高温合金的疲劳裂纹扩展行为对于确保航空发动机的服役可靠性至关重要。

传统的疲劳裂纹扩展行为研究方法包括光学变形技术（如数字图像相关法，Digital Image Correlation），但这些方法通常需要显微镜放大裂纹尖端区域并通过目视确定裂纹位置，操作耗时且效率较低。近年来，热成像技术（thermography）因其非接触、检测面积大和快速响应的特点，成为研究裂纹几何特征和扩展行为的重要工具。然而，对于镍基高温合金而言，裂纹尖端在疲劳过程中的温度变化非常小且不明显，这使得传统被动热成像技术难以有效表征其裂纹扩展行为。

基于此背景，本研究旨在开发一种基于激光热成像（laser thermography）的新方法，用于原位表征镍基高温合金的疲劳裂纹扩展行为。研究目标包括实现裂纹尖端定位、裂纹扩展速率测量以及裂纹闭合效应（crack closure effect）的定量表征。

研究流程
本研究分为以下几个主要步骤：

1. 实验设计与样品制备
   研究采用GH4169镍基高温合金作为实验材料，其化学成分通过表格列出。根据ASTM E647标准设计了紧凑拉伸（CT）试样，尺寸为32.50 mm × 31.20 mm × 5.00 mm。为了提高热激励下的表面发射率并更清晰地观察疲劳裂纹，在试样表面喷涂白漆作为背景。

2. 实验系统搭建
   实验系统结合了激光热成像系统与疲劳加载系统，形成了原位疲劳测量系统（In-situ Fatigue Measurement System, IFMS）。激光热成像系统包括红外相机（Infratec）和CO2激光器（波长1064 nm），红外相机分辨率为1024 × 768像素，测温范围为−40°C至1200°C，温度分辨率高达0.02 K。疲劳加载系统使用Instron 8874伺服液压测试机进行循环加载，最大载荷为±25 kN，轴向位移范围为±50 mm。

3. 实验流程
   在疲劳实验中，每完成一定数量的加载循环后暂停实验并保持最大载荷，然后进行激光热成像检测。初始10,000次循环内每500次暂停一次，随后每200次暂停一次直至试样断裂。激光以“之”字形路径扫描试样表面，获取热图像序列，总扫描时间为13秒。每次扫描采集500帧热图像，帧率为30 Hz。

4. 数据处理与分析方法

   • 裂纹检测算法：通过Prewitt边缘检测算法对热图像进行处理，计算温度梯度场以确定裂纹边界和裂纹尖端位置。
     
   • 裂纹闭合效应表征：提出了一种新的参数——裂纹开口温度梯度（Crack Opening Temperature Gradient, COTG），用于评估裂纹闭合效应。通过对不同加载阶段的COTG值进行归一化处理，确定裂纹初始开口载荷率（CIOLR）和裂纹开口载荷比（COLR）。
     

5. 实验验证
   使用柔度偏移法（compliance offset method）对COTG方法进行验证。实验结果表明，COTG方法在加载和卸载阶段获得的COLR值与柔度偏移法的结果相对误差均小于15%，证明了该方法的可靠性。

主要结果
1. 裂纹检测与定位
通过激光热成像技术成功实现了裂纹尖端的精确定位。实验结果显示，激光热成像方法的平均测量误差仅为0.96%，显著优于传统显微镜方法。

1. 裂纹扩展速率测量
   在疲劳实验中，裂纹扩展速率（da/dn）在6500次循环后进入稳定阶段，范围为0.32 × 10^(-3) 至0.6 × 10^(-3) mm/cycle。随着疲劳循环次数增加，裂纹扩展速率逐渐加快，直至试样断裂。

2. 裂纹闭合效应表征
   基于COTG方法，研究发现当裂纹完全闭合时，归一化的COTG值趋于恒定；当裂纹开始部分打开时，COTG值与归一化载荷（p/pmax）呈近似线性关系。通过分析COTG曲线的变化特征，成功确定了不同疲劳循环下的CIOLR和COLR值。结果表明，随着疲劳循环次数增加，CIOLR和COLR均呈现下降趋势。

3. 裂纹宽度对温度梯度的影响
   模拟结果显示，当裂纹宽度小于40 μm时，最大温度梯度（Tg,max）变化较小；当裂纹宽度超过40 μm时，Tg,max迅速增加；而当裂纹宽度超过160 μm时，Tg,max的增长率逐渐减缓。

结论与意义
本研究开发了一种基于激光热成像技术的新方法，用于原位表征镍基高温合金的疲劳裂纹扩展行为。主要结论包括：
1. 成功实现了裂纹尖端的精确定位和裂纹扩展速率的测量，为疲劳裂纹扩展行为研究提供了直观且定量的方法。
2. 提出了COTG参数，能够直观且准确地表征裂纹闭合效应。
3. 验证了激光热成像技术在实验室条件下进行原位疲劳裂纹检测和裂纹闭合效应表征的可行性，为其在工程实际中的应用奠定了基础。

本研究的科学价值在于提供了一种高效、非接触的疲劳裂纹扩展行为表征方法，其应用价值体现在为航空发动机热端部件的安全性和可靠性评估提供了技术支持。

研究亮点
1. 提出了一种基于Prewitt边缘检测算法的裂纹尖端定位方法，显著提高了定位精度。
2. 创新性地提出了COTG参数，用于量化裂纹闭合效应，填补了该领域的研究空白。
3. 结合实验与模拟，揭示了裂纹宽度对温度梯度的影响规律，为理解裂纹扩展机制提供了新视角。

其他有价值内容
本研究得到了中国国家自然科学基金（Grant Nos. 12032013, 11972209, 12272131）和湖南省自然科学基金（2022JJ40029）的资助。此外，研究团队表示未来将致力于将激光热成像技术应用于工程现场的实际构件裂纹行为表征，进一步推动该技术的工程应用。