由于其高强重比、较低的材料消耗以及随之而来的成本优势，高强度钢（HSS）越来越多地应用于现代公共和商业基础设施中，特别是在长跨度和高层结构中[1]、[2]、[3]、[4]。与在大型公共建筑中使用的460 MPa高强度钢相比，550 MPa甚至更高强度钢的应用仍然有限。与低碳钢（如Q355）相比，HSS的优异性能主要归因于两个关键因素：首先，战略性地添加了铌（Nb）、钒（V）和钼（Mo）等合金元素[5]、[6]；其次，实施了先进的热机械加工技术，包括热机械控制工艺（TMCP）和淬火回火（QT）处理[7]、[8]。评估HSS的韧性断裂行为对于深入优化工程应用和经济结构系统的建造具有重要意义[9]、[10]、[11]。
HSS的韧性断裂是由于内部微空洞的形成、生长和聚合而导致的材料逐渐劣化[12]、[13]。空洞的形成通常与第二相的断裂[14]、[15]或微缺陷（如晶界和滑移带）周围的积累[16]、[17]、[18]有关。随着应变的增加，空洞稳定生长，并伴随着相邻空洞之间的连接断裂，空洞的聚合导致宏观裂纹的产生，最终裂纹贯穿整个材料[19]、[20]。对韧性断裂的理解和建模可以追溯到20世纪60年代的开创性工作，当时McClintock[21]建立了多轴应力条件下圆柱形空洞生长的理论关系，而Rice和Tracey[22]为受拉伸变形场影响的球形空洞开发了类似的公式，随后几项研究[23]、[24]、[25]进一步发展了材料的韧性断裂理论，表明金属材料在不同尺度上存在多种损伤机制的耦合效应。
历史上，韧性断裂过程中损伤演变的微观结构表征主要依赖于使用显微镜技术的死后分析，从光学显微镜到电子显微镜平台，包括扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）。近几十年来，X射线计算机断层扫描（X-ray CT）的出现通过实现非破坏性的三维（3D）可视化变形过程中的内部损伤演变，彻底改变了这一领域[26]。该技术有助于定量分析金属材料韧性断裂过程中的空洞形成、生长和聚合机制。X-ray CT已成功应用于各种结构金属，如铝合金[27]、[28]、[29]、钢[16]、[30]、[31]等[32]、[33]。专用原位设备的集成实现了对损伤演变的实时监测，直至最终断裂[34]，提供了塑性变形阶段的直接实验证据[35]、[36]、[37]。其非破坏性的3D分辨率允许对损伤演变进行时空跟踪，这是传统2D显微镜技术无法实现的。此外，图形识别算法的进步使得能够在不同扫描阶段定量跟踪体积空洞的生长，进一步支持了空洞生长分析[19]、[38]。X-ray CT获得的数据集为改进韧性断裂模型提供了定量结果，例如Gurson-Tvergaard-Needleman（GTN）模型和空洞生长模型（VGM），这些模型的参数已从传统的经验校准转变为数据驱动的优化，提高了断裂行为的预测准确性[39]、[40]。
数字体积相关性（DVC）技术将传统的2D数字图像相关性（DIC）扩展到三维，利用基于光流的算法来量化顺序重建的断层体积中的全场位移和应变演变[41]、[42]、[43]。这种方法利用固有的微观结构特征作为变形跟踪的自然斑点图案。在实验室吸收对比断层扫描（ACT）中，基体和第二相之间的X射线衰减差异提供了注册和分析所需的对比度[26]。含有内部金属间颗粒的铝合金在DVC分析中提供了最佳的内在斑点对比度，适用于高精度应变映射[41]、[44]、[45]、[46]、[47]。相反，将DVC应用于铁基合金面临固有的限制。钢中第二相颗粒的亚微米尺寸，加上有限的相密度差异（马氏体与铁素体之间通常< 10%），严重限制了自然特征的对比度生成。尽管增量DVC策略已经在高强度高韧性钢中实现了初步的应变表征[17]，但将DVC技术应用于测量钢中的内部应变场仍面临重大挑战。
本文聚焦于在单调拉伸条件下对Q550钢进行原位X射线微CT实验，考虑了高强度结构钢在土木工程中的工程潜力和应用前景。结合原位X射线CT和电子显微镜表征，研究了Q550的断裂机制。DVC方法用于表征Q550样品在单轴拉伸过程中的应变场分布，以进一步理解韧性断裂机制。结果表明了空洞在三维空间中的生长和聚合，并探讨了空洞的位置、大小和形状等特征。此外，还利用增量DVC方法通过使用微空洞作为光学3D标记来揭示应变场演变。最终，阐明了高强度钢的微观韧性断裂机制。
