学界很早就认识到金属材料的塑性变形在各个尺度下都是高度局域化（不均匀）的，具体表现为大多数应变集中于滑移带、晶界、剪切带、变形孪晶内。这种应变局域化是影响材料强度及塑性的关键因素，因此受到广泛关注。但是，受限于实验和分析方法，对应变局域化的定量研究还极为欠缺。近些年来，得益于高分辨数字图像相关（high-resolution digital image correlation，HRDIC）技术的提出和发展，获得纳米级分辨率和大视场的全场应变成为可能。但是，HRDIC具有数据量大（通常包含数千万数据点）、信息丰富（包含的位移场、应变场、旋转场等）的特征，这使得手动分析耗时耗力甚至不可能，从而无法有效地利用HRDIC的海量信息。另一方面，多晶材料的塑性变形应包含互相协调竞争的晶内和晶间变形，但目前大多数的HRDIC研究都只关注前者，而忽略了后者。
近日，我院尹冬弟教授、曾迎副教授，博士生倪然等针对上述难题，基于多模态数据融合和计算机视觉，提出了一种应变分配与变形机制的自动分析框架，并成功应用于Mg-Y合金的变形研究，从而验证了此分析框架的有效性。此算法特别考虑了晶内和晶间的变形协调与竞争关系，可以在纳米分辨率与大视场下，自动地、统计地、定量地分析晶内滑移活性、晶间滑移转移、晶界滑移、以及相关的应变分配。此框架可以帮助深入理解包括镁合金在内的金属材料的变形行为与协调机制。相关工作以“Automated analysis framework of strain partitioning and deformation mechanisms via multimodal fusion and computer vision”为题发表在金属材料和固体力学领域高水平期刊International Journal of Plasticity。论文主要合作者还包括密歇根州立大学Carl J. Boehlert教授、辽宁材料实验室周浩研究员，重庆大学郑江副教授，上海交通大学王渠东教授。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0749641924002468 
图1 自动分析框架核心算法
该框架核心算法主要包含如图1所示的4个部分：（a）EBSD的空间畸变矫正以及HRDIC-EBSD 数据融合;（b）利用数据聚类将每个晶粒分割为晶界附近（GM），晶内（GC），基体（Matrix）以及滑移带（SB，包含SB1，SB2）；（c）利用滑移迹线分析及RDR分析进行完整的滑移系鉴定；（d）将鉴定出来的滑移系分配给上述SB1，SB2。
图2 各个簇的εeff统计分布小提琴图
将上述聚类分析应用于研究区域内的所有晶粒，并对整个区域中每个簇的εeff进行统计分析，获得的结果以小提琴图的形式展示在图2中。注意，小提琴图的面积反映了各个簇的相对面积；同时，为了避免一些异常值的干扰，这里用99.9%分位数代表最大值。结果表明，对于整个区域来说，εeff分布高度不均匀，最大值为平均值的~25倍。不同簇的εeff分布差异很大，SB和GM中的εeff值最高，平均εeff值分别为Matrix的~6.2和~2.3倍，最大值为Matrix的~12.3和~8.5倍。但是，从面积分数来看，Matrix远大于SB和GM。
图3 晶界滑移转移分析示例
图3展示了此分析框架下滑移转移（一种重要的晶间协调机制）的分析方法。图3（a）为发生滑移转移晶粒对的有效剪切应变图，沿着滑移转移路径提取应变值，可获得滑移转移路径的应变分布曲线（图3（b）），起始点和终止点分别用五角星和圆点在图中标出。因此，根据滑移转移路径的应变分布曲线，以及滑移带形核于应变最高处的假设，可以判断出参与滑移转移的滑移系激活的先后顺序。基于EBSD取向信息（图3（c））获得的滑移转移的关键几何参数在图3（d）中示出，包括滑移面（n）、滑移方向（b）、施密特因子（m）、归一化施密特因子（mnor）、几何相容性参数（Luster-Morris参数，m’）、归一化几何相容性参数（mnor’）、残余柏氏矢量大小（br）及归一化残余柏氏矢量大小（brnor）。
图4 晶界滑动分析示例
图4为利用HRDIC的位移场信息进行晶界滑动（grain boundary sliding，GBS）定量分析的示例。首先利用峰分析找到目标晶界，随后将其分成若干段，并沿每一小段晶界的中垂线的方向在晶界两侧取点（图4（c）-（e）中的白色圆点）。然后利用图中公式计算每个点的中心化的切向位移，它与点到晶界距离的关系如图4（f）所示。在图中观察到曲线的突变，表明在该处发生了晶界滑动，突变值的大小为晶界滑动值。为了自动获取突变值，对图4（f）中的曲线求一阶微分得到图4（g），随后进行峰分析，将峰宽信息赋予图4（f），便可以自动获得突变值（GBS值）。利用该方法，可获得整条晶界上的GBS值分布，如图4（h）所示。以上分析和计算均可通过MATLAB脚本实现自动化。
感谢国家自然科学基金（Nos. 52171125，51401172）、四川省科技项目（Nos. 2024NSFSC0193，2019YJ0238，2015HH0012）对本研究的资助。
作者简介：
倪然，西南交通大学材料科学与工程学院，博士研究生，主要从事镁合金协调变形机制及拉压不对称性的研究，在Int. J. Plast.、Metall. Mater. Trans. A、Mat. Sci. Eng. A等金属材料领域高水平SCI期刊上发表论文8篇，其中第一作者4篇。
曾迎，西南交通大学材料科学与工程学院，副教授，四川省海外高层次留学人才，先进结构材料铁路行业重点实验室骨干成员，《J. Magn. Alloys》、《金属学报》及《Adv. Powd. Mater.》等杂志青年编委。主要从事高速载运装备用轻合金极端温度强韧化技术的研究，以第一作者/通讯作者在Int. J. Plast、Scripta Mater.、Mat. Sci. Eng. A等期刊发表科研论文25篇，已授权第1位发明专利3项，出版镁合金相关专著两本。现主持国家自然科学基金2项、四川省国际合作项目2项、主持其他省市及企业合作项目6项。
尹冬弟，西南交通大学材料科学与工程学院，教授/博导。主要从事镁合金塑性变形及成型、高性能轻合金开发等工作；获得西南交大2015-2017年创先争优“优秀共产党员”称号，J. Magnes. Alloy.创刊十周年优秀青年编委，有色金属学报优秀青年编委；主持国家自然科学基金2项，四川省科技项目3项，作为骨干成员参与了“中国标准动车组镁合金技术应用”等项目；担任Mater. Res. Lett.（1区）、J. Magnes. Alloy.（1区）、Trans. Nonferrous Met. Soc. China（1区）、金属学报期刊青年编委；长期担任Int. J. Plast.、Mater. Res. Lett.、Metall. Mater. Trans. A等期刊审稿人；以第一/通讯作者在Int. J. Plast（2）、Metall. Mater. Trans. A（7）、Mat. Sci. Eng. A（9）等金属材料领域高水平SCI期刊累计发表论文37篇（中科院2区及以上27篇；ESI高被引论文2篇），h-index 31，引用2500余次；授权发明专利6项；
https://faculty.swjtu.edu.cn/yindongdi