材料的增强与增韧为结构优化设计提供基础。然而,材料或构件的变形失效往往起始于内部,材料的结构演化和变形分析需要强有力的三维表征手段。本文结合SR-CT与DVC,以短纤维增强和胶原纤维增韧的材料三维结构演化与内部应变分析为对象进行了研究。首先,对材料内部微结构表征和三维应变演化的必要性进行了探讨,阐明了两者对材料力学性能分析的重要性,彰显了 SR-CT与DVC结合对研究材料变形失效过程中微结构调控机制的重要前景。其次,通过对SR-CT力学加载设备的改进,大幅提高了有效投影角度,实现了三维应变与结构演化的关联分析。然后,结合SR-CT与DVC方法分别对增强材料(纤维增强树脂基复合材料)和增韧材料(胶原纤维增韧鹿角材料)进行了实验研究;开展了短纤维增强复合材料内部变形失效机制行为的实验研究,表征了结构分布与应变演化的耦合作用,分析了结构和应变与材料力学性能的关联机制;开展了生物多孔结构材料鹿角的内部力学行为实验分析,发现了内部微裂纹附近的应变集中与微结构演化新现象,提出了损伤失效与增韧机制。本文的主要研究内容如下:一、改进了 SR-CT力学加载设备的支撑部件,大幅提高了有效投影角度,为材料撤结构的精确重建提供基础;通过对应变的提取与分析,使应变与微结构的关联分析成为可能,为研究材料失效过程的应变与微结构耦合作用提供了途径。对增加投影角度后的CT数据进行了比较分析,通过对比分析和实验验证对改进设备的有效性进行了讨论。对材料内部三维特征结构(如纤维、孔洞和微管道)进行了提取,为材料变形以及失效过程分析做准备。针对多相复合材料变形不均匀的问题,进一步发展了材料三维内部变形演化分析方法;通过应变集中区的提取,将微结构与应变演化进行关联研究。二、开展了短纤维增强复合材料变形失效机制的微结构调控研究。通过微结构演化和三维内部应变分析,建立了复合材料失效过程应变演化与纤维排布的关联。对短碳纤维增强材料变形不均匀现象进行了深入的研究,把特定区域的应变集中现象与材料微结构关联起来进行了分析。讨论了微结构和应变演化与材料失效过程的关联机制。并对不同构型的纤维排布进行了有限元模拟分析,讨论了纤维相对于加载方向的倾角和纤维相对位置这两个关键参数对应变分布的影响。三、研究了韧性材料一鹿角多孔结构材料孔洞与微管道的增韧机制。分析了胶原纤维排布、变形演化与损伤失效的过程,提出了微结构排布(形状、位置)对损伤失效形貌的影响。对鹿角试样进行了高分辨率(0.33μm/pixel和0.165μm/pixel)的在线加载实验,密实材质试样有微裂纹扩展,但过程很短难以捕捉。试样断口呈非平面型,分析可知,这是试样特殊的微结构分布所导致的S型裂纹面。变形场演化结果表明,材料在加载过程中的应变分布是不均匀的,且存在着应变集中。在裂纹面位置处的应变集中区明显多于其他区域,这是由于变形局部化导致损伤萌生与发展,进而微裂纹扩展形成裂纹面。