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Alsharif A, Moinuddin S Q, Pinna C. Small punch testing and scanning electron microscopy analysis of damage evolution in dual-phase steel[J]. Scientific Reports, 2026, 16(1): 9477.
Alsharif, Asim, Syed Quadir Moinuddin, and Christophe Pinna. "Small punch testing and scanning electron microscopy analysis of damage evolution in dual-phase steel." Scientific Reports 16.1 (2026): 9477. (): .
Alsharif, A., Moinuddin, S. Q., & Pinna, C. (2026). Small punch testing and scanning electron microscopy analysis of damage evolution in dual-phase steel. Scientific Reports, 16(1), 9477., .
背景简介
双相（DP）钢因其优异的强度与延展性平衡而被广泛应用于汽车工业。提高其成形性和碰撞性能需要对微观组织变形和损伤机制有更深入的理解。现有的成形性测试（如单向拉伸、杯突试验等）主要提供全局失效极限，无法捕捉微观尺度下应变场的空间和时间演化。小冲杆（SP）测试是一种微型化试验方法，结合三维数字图像相关（3D DIC）和扫描电子显微镜（SEM），能够在接近工业成形的多轴应力状态下评估微观组织尺度的变形和损伤演化。本研究针对DP1000钢，开发了一种创新的SP测试策略，通过两次互补试验（一次中断用于SEM观察裂纹萌生，另一次结合3D DIC量化应变局部化并进行截面SEM分析），实现了宏观应变模式与微观组织损伤的直接关联，为先进高强钢的成形性建模提供了物理依据。
成果介绍
（1）设计了SP测试装置与试验策略。图1展示了SP测试装置的详细设计，包括带弧形倒角的顶模（图1a）、底模（图1b）、半球形冲头（半径2 mm，图1c）以及整体装配在Mayes 100 kN试验机上的实物照片（图1d）。该设计确保了稳定的多轴加载、与3D DIC系统的兼容性以及中断后精确的试样复位。
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图1(a) 样本几何结构展示了等式(1)中的变量；(b) 新制造的底模；(c) 冲头几何形状（单位：mm）；(d) 带冲头装置的3D DIC实验装置
（2）获取了载荷-位移曲线并确定了中断观察点。图2展示了SP测试的载荷-位移曲线，其中标记了两个中断点（冲头位移1.12 mm和2.6 mm）。曲线可分为三个阶段：弹性变形阶段（I）、塑性变形阶段（II）以及伴随结构失稳和断裂的塑性流动阶段（III）。在阶段II结束时（约2.6 mm）观察到贯穿厚度的微观裂纹，而在1.12 mm时已检测到早期铁素体损伤和局部微观组织变形。
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图2 SP测试过程中包含中断点的载荷-位移曲线
（3）通过SEM观察揭示了微观组织损伤演化机制。图3展示了三个不同位置在1.12 mm和2.6 mm冲头位移下的SEM图像。在1.12 mm时，铁素体基体中出现了微小裂纹（橙色箭头所示），变形局部化发生在铁素体-马氏体界面附近（蓝色箭头），导致相邻马氏体岛开裂（红色箭头）。到2.6 mm时，裂纹扩展明显：Case 1中裂纹沿水平方向扩展，Case 2和3中裂纹呈约45°方向，这与多轴加载下局部微观组织异质性和滑移带方向有关。结果表明，马氏体开裂主要集中在早期阶段，而后续损伤增长主要由铁素体主导。
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图3 在SEM SP测试过程中于三个位置观察到的微观结构损伤。橙色箭头（案例1）表示微小F裂纹；蓝色箭头（案例2和3）表示F-M界面附近的变形；红色箭头则表示M断裂
（4）利用3D DIC测量了表面应变场并验证了有限元模型。图4显示了DIC测量的面外位移云图，最大表面位移约2.59 mm。图5a的网格收敛性研究表明8 μm单元尺寸可提供网格无关结果；图5b对比了有限元预测（不含损伤模型）与实验的载荷-位移曲线，两者在最大载荷前高度吻合，验证了材料模型参数的准确性。图6对比了有限元预测的应变分布（LE11）与DIC测量的主应变（Exx），两者吻合良好。首次表面可见裂纹出现在局部Exx ≈ 23.8%的区域（图6），低于宏观杯突试验报道的约50%，表明SP测试对早期损伤具有更高敏感性。
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图4(a) 表面裂纹出现后的最大 Z 方向位移；(b) 裂纹出现前的三维 DIC 非平面位移
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图4(a) 表面裂纹出现后的最大 Z 方向位移；(b) 裂纹出现前的三维 DIC 非平面位移
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图5(a) SP模型网格单元尺寸为2、4、6和8 mm时的最大Exx与Eyy应变值；(b) SP试验中实验测得与模型模拟的载荷-位移曲线对比
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图6 在试样表面观察到裂纹前，SP试验的 Abaqus计算LE11应变分布与3D DIC测试的Exx应变分布对比
（5）截面SEM分析阐明了贯穿厚度裂纹扩展路径。图7展示了截面制备流程，图8和图9给出了截面微观组织图像。在主裂纹周围发现了多条二次裂纹（图8区域1），其中一条二次裂纹（区域1a）主要穿过铁素体，绕过高变形马氏体岛扩展。马氏体裂纹在区域2b、3d（图8）和4b-3、5a（图9）中被观察到，而铁素体-马氏体界面脱粘和铁素体中的裂纹扩展出现在区域2a、3b（图8）和4a-1、4b-1（图9）。铁素体孔洞在区域3c、3f（图8）中被识别。这些观察证实，DP1000的最终失效是由界面脱粘和铁素体空洞合并驱动的，局部破碎的马氏体岛影响了裂纹路径的偏转和扩展。主裂纹最宽开口位于冲头接触表面，表明裂纹从此处萌生并向顶部表面扩展。
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图7(a) 裂纹周边截取区域；(b) 第二次沿裂纹方向切割；(c) 置于SEM观察用样品
致谢
第一作者在英国谢菲尔德大学实验室完成了所有实验。作者感谢荷兰塔塔钢铁欧洲公司（Tata Steel Europe, IJmuiden）为本研究提供的关键材料。本科学论文由沙特阿拉伯麦地那塔伊巴大学（Taibah University）提供的研究基金资助，项目编号：447-13-1054。本文第一作者和通讯作者：Asim Alsharif（Taibah University）。
本期小编：郭子键 （整理）
周子尧 （校对）
舒 阳 （审核）
董乃健 （发布）
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