在工业和工程领域,金属材料因具有良好的综合性能而应用广泛。然而金属材料在服役过程中往往伴随着疲劳损伤的出现,严重情况下导致材料发生断裂和失效,因此金属材料的疲劳问题一直受到人们重点关注。金属材料在循环载荷的不断作用下,表面逐渐产生裂纹,最终材料发生断裂,这一过程中金属表面形貌持续发生不可逆变化。目前对于疲劳载荷作用下的材料表面形貌研究,主要是通过光学显微镜分析材料表面裂纹萌生、扩展和断裂过程中微观形貌的演化机理,以及通过对材料断口进行分析,反推微裂纹的萌生和扩展机理。这些方法难以实现在线疲劳损伤检测分析。偏振是光的一种固有属性,近年来光学偏振成像技术发展迅速,具有传统光学成像技术所不具备的优势,不仅能够反映物体表面反射辐射强度,而且可以反映表面的物理特性。偏振图像与传统光学图像相比,包含目标的多维光学信息,对目标的边缘、纹理和细节更加敏感,已经广泛应用在军事伪装物探测、材质分类、生物医学等领域。本文从疲劳过程中金属材料的表面形貌变化出发,通过搭建疲劳试验平台和偏振图像采集平台,获取循环载荷下金属材料表面的微观形貌和光学偏振特性,利用图像纹理分析方法提取偏振图像的纹理信息,分析金属表面微观形貌在疲劳损伤过程中的演化规律,研究金属表面偏振特性、图像纹理特征与疲劳损伤状态之间的关联特性,为在役金属构件的疲劳损伤监测和状态评估提供新的理论和方法。本文的主要内容和结论如下:(1)课题研究现状分析与基本理论研究介绍了课题研究的背景和意义、疲劳损伤问题的研究现状,探讨金属材料在疲劳过程中内部结构和表面形貌改变的演化机理和发展规律。介绍图像纹理分析技术的研究现状、图像纹理特征提取的主要理论和方法。介绍光学偏振成像的基本原理、光波的偏振特性及其描述方法。(2)金属表面偏振特性研究深入研究和分析金属表面的光学偏振特性以及建模方法。基于偏振光学原理和微面元理论对偏振双向反射分布函数(PBRDF)进行推导,提出一种改进的六参量PBRDF模型,并通过仿真和实验测量手段研究了金属表面反射光偏振特性的影响因素和表征方法。结果表明金属表面反射光的偏振特性与入射角、观测角度、材料的材质、表面粗糙度等因素密切相关,偏振度随着入射角或反射角的增加而增大,斯托克斯参量S0,S1随粗糙度的增大而减小。(3)疲劳损伤过程金属表面偏振特性及图像纹理实验研究选取Q235缺口试样开展疲劳试验,通过分析不同循环周次下试样表面三维形貌图像,验证了外部载荷作用会导致试样表面粗糙度改变。搭建疲劳载荷下金属材料表面光学偏振图像采集试验平台,通过实验研究表面偏振特性与疲劳损伤程度之间的关系。实验结果表明,金属表面反射光斯托克斯参量S0、S1随着循环周次的增加逐渐减小,且疲劳中期变化较慢,初期和后期变化较快。利用图像纹理特征分析方法,提取斯托克斯参量图像的均值和熵等纹理特征参数,研究纹理特征参数与疲劳损伤程度之间的关系,结果表明,斯托克斯参量图像的均值和熵都随着循环加载次数的增加而减小。验证了金属表面反射光斯托克斯参量以及图像纹理特征参数都与疲劳损伤程度之间存在密切关系。图[32]表[6]参[52]