工業(yè)CT與失效分析

失效分析是一門發(fā)展中的新興學(xué)科，找出失效的原因，挖掘出失效的機理的活動。在提高產(chǎn)品質(zhì)量，技術(shù)開發(fā)、改進，產(chǎn)品修復(fù)及仲裁失效事故等方面具有很強的實際意義。其中材料斷裂失效是材料(零件)失效中最嚴(yán)重的形式之一。金屬材料及其構(gòu)件內(nèi)部或表面上的裂紋是出現(xiàn)斷裂的根源，這種缺陷會造成材料或構(gòu)件的失效，甚至引發(fā)災(zāi)難性的后果。歷史上，一些金屬大橋的斷裂、車禍、飛機失事等，都是因金屬材料斷裂失效而引發(fā)的重大事故。因此，對材料的斷裂失效問題一直是各界研究的重點內(nèi)容。斷裂力學(xué)已在航空、航天、交通運輸、化工、機械、材料、能源等工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

目前，金屬材料斷裂失效的研究方法主要為物理觀察檢驗法和計算機模擬法。

物理觀察檢驗法主要是針對靜態(tài)的斷口進行仔細觀察和分析，包括在裸眼和低倍放大下檢查斷口表面的宏觀形貌，按照斷裂形貌特征和載荷性質(zhì)之間的關(guān)系來推斷斷裂的模式;也可采用掃描電子顯微鏡觀察斷口的微觀斷裂形貌，采用電子顯微鏡進行斷口顯微形貌(斷口組織)和局部化學(xué)成分試驗，確定材料斷裂機理。

計算機模擬法分為廣義有限元法(GFEM)、擴展有限元法(XFEM)和廣義擴展有限元法(GXFEM)。廣義有限元法是常規(guī)有限元方法在思想上的延伸，它是基于單位分解方法，通過在結(jié)點處引入廣義自由度，對結(jié)點自由度進行再次插值，從而提高有限元方法的逼近精度，或滿足對特定問題的特殊逼近要求?；趶V義有限元法對單元形狀函數(shù)構(gòu)造理論的深入研究，具有任意內(nèi)部特征(空洞、夾雜、裂紋等)及外部特征(凹角、角點、棱邊等)的復(fù)雜問題，都將在簡單、且與區(qū)域無關(guān)的有限元網(wǎng)格上加以求解。

現(xiàn)有的材料測試和評估技術(shù)，即通過觀察或切取制樣進行必要納米/微米尺度的掃描圖像和宏觀材料的測試，推測裂紋的產(chǎn)生原因與演變規(guī)律。存在的問題是，納米/微米尺度下的觀察太細、太局限而不能提供一個完整的圖片來描述材料的性能，比如材料在工程條件下的失穩(wěn)等，而宏觀測試卻不能提供材料的缺陷分布、破壞機理等根本性信息，這些信息可以用來識別薄弱環(huán)節(jié)以利于材料的重新設(shè)計或改善。此外，現(xiàn)有的微觀材料測試系統(tǒng)主要依賴于電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡。雖然電子顯微鏡已經(jīng)實現(xiàn)納米級分辨率，可也只能觀察到剖開破壞之后的試樣表面的微觀組織形貌。剖切試樣不僅需要極高的體力勞動和昂貴的花費，同時也破壞了一些微觀/中尺度的空位和裂紋。光學(xué)顯微鏡的缺點與上述相同，而且分辨率相對較低，也限制了領(lǐng)域的深度。采用計算機模擬技術(shù)研究材料的損傷斷裂，多采用經(jīng)驗性唯象模型，通過損傷變量等參數(shù)的引入進而描述材料的狀態(tài)，導(dǎo)入計算機軟件模擬材料在不同加載環(huán)境下的損傷直至斷裂的全過程。但是由于模型引入的多元性、抽象性和不可靠性，使模擬結(jié)果不具備客觀真實性和準(zhǔn)確性。

CT (Computed Tomography) 識別技術(shù)是目前最先進的無損檢測手段。近年來，隨著CT技術(shù)的發(fā)展，CT掃描的能量越來越大，峰值射線能量從幾百keV發(fā)展到幾十MeV;分辨率越來越高，空間分辨率已實現(xiàn)20~50Lp/mm，像素尺寸達微米數(shù)量級，CT圖像密度分辨率可達0.1%，甚至更高;掃描速率越來越快，在高能條件下，閃爍探測器探測效率可達16~20bit的動態(tài)范圍，讀出速率在微秒量級。目前，CT識別技術(shù)已經(jīng)不僅局限于無損探傷，而是廣泛地應(yīng)用于巖土工程、混凝土、瀝青混合料、金屬材料以及反求工程等領(lǐng)域。

目前，工業(yè)CT在材料失效領(lǐng)域的應(yīng)用，多集中于裂紋的萌生擴展，通過圖像處理技術(shù)，分析提取掃描圖像中的有效信息也成為研究的熱點。在短裂紋研究方面，徐夏剛等。]基于CT系統(tǒng)，利用結(jié)構(gòu)實體幾何模型，提出了一種短裂紋有效模擬方法。采用工業(yè)CT(Computed Tomography)技術(shù)對試驗件進行掃描，并對其斷層圖像進行對比度增強、離群濾噪等圖像處理，獲得較為準(zhǔn)確、清晰的裂紋圖像，且與裂紋實際情況吻合良好。統(tǒng)計結(jié)果表明，裂紋區(qū)域和鄰近區(qū)域的密度要低于正常區(qū)域的密度，材料內(nèi)部的疲勞損傷呈現(xiàn)不均勻性。

完善工業(yè)CT技術(shù)：CT技術(shù)的快速發(fā)展是其在材料失效分析領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破性進展的必要條件。更高分辨率、更小的尺寸精度、更精準(zhǔn)的重建算法及更有效的圖像處理技術(shù)，方可實現(xiàn)觀測到材料內(nèi)部更細觀尺度的損傷缺陷。

材料原位加載內(nèi)部動態(tài)分析:基于工業(yè)CT系統(tǒng)平臺，輔助相關(guān)加載設(shè)備，實現(xiàn)材料原位動態(tài)無損的觀察，對于研究材料的損傷斷裂非常有必要。

工業(yè)CT系統(tǒng)與計算機模擬相結(jié)合:相比于傳統(tǒng)基于物理試驗或是模型構(gòu)建材料初始狀態(tài)，模擬各種加載條件下的材料損傷變形斷裂情況，實現(xiàn)基于工業(yè)CT系統(tǒng)的有限元模擬分析，對于材料在工程實踐中的應(yīng)用提供更加準(zhǔn)確的指導(dǎo)有重大的現(xiàn)實意義。