[發明專利]基于單元切割和重構的裂紋尖端塑性區形貌金相檢測方法

有效

• 申請號: 201811526321.X
• 申請日: 2018-12-13
• 公開（公告）號: CN109781480B
• 公開（公告）日: 2022-02-01
• 發明（設計）人: 杜偉;婁琦;李群;王鵬;池強;仝珂;李鶴林
• 申請（專利權）人: 中國石油天然氣集團有限公司;中國石油天然氣集團公司管材研究所
• 主分類號: G01N1/28
• 分類號: G01N1/28
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 高博

本發明公開了一種基于單元切割和重構的裂紋尖端塑性區形貌金相檢測方法，對金屬材料裂尖選區進行三維切割，分別將每個切割單元制備成金相觀察樣品，利用顯微鏡分析每個切割單元的組織形態，確定單個金相樣品的塑性區邊界，獲得不同切割面的二維塑性區邊界和形貌，最終進行三維重構獲得裂尖塑性區完整形貌。本發明通過三維切割將復雜的三維空間簡化為多個細分切割單元，利用常規的金相檢測技術觀察每個切割單元變形組織與未變形組織的界線，進而依次確定單個樣品和切割面的塑性區邊界，并通過三維重構獲得裂尖塑性區的完整形貌。彌補了現有技術只適用于材料表面塑性區檢測的局限性，可填補材料裂尖塑性區三維形貌試驗檢測技術的空白。

技術領域

本發明屬于金屬材料塑性區形貌檢測技術領域，具體涉及一種基于單元切割和重構的裂紋尖端塑性區形貌金相檢測方法。

背景技術

裂尖塑性區形貌與材料斷裂和工程結構安全息息相關。隨著斷裂力學的不斷發展，裂尖塑性區日益成為國內外學者研究和關注的焦點。因此，如何準確獲取材料裂尖塑性區形貌顯得至關重要。

鄧蓉英在1984年《金屬學報》的“疲勞裂紋擴展機制和塑性區的研究”一文中利用金屬塑性變形在光滑表面上產生浮凸的現象，用相襯顯微鏡測定了裂紋尖端單調塑性區尺寸。1997年，馮忠信在《西安交通大學學報》“加載頻率對材料缺口塑性區及殘余應力影響的研究”中利用光彈儀測定了缺口周圍塑性區的尺寸。2014年，Bucko在《Archive ofMechanical Engineering》“An Experimental-Numerical Analysis of Plastic ZonesInitiation Around Holes in Shields Made of Steel C45 Under Tension”研究中利用光干涉原理測定了C45鋼表面塑性區?？梢?，現有的塑性區形貌檢測手段主要適用于材料表面，而對整個裂尖的三維塑性區形貌的表征尚無可靠檢測技術。當前，國內外學者研究裂尖塑性區形貌主要通過有限元或數值計算方法獲得，而理論計算結果的準確性和可靠性必須通過試驗檢測加以驗證。本發明擬提出一種針對金屬材料裂尖塑性區形貌的試驗檢測表征技術。

圖1為通過數值計算獲得的理想化的金屬裂尖塑性區形貌示意圖，可見其在空間是呈三維分布的。為準確獲得裂尖塑性區的完整形貌，必須確定塑性區在各個維度方向上的形狀邊界。這是現有的塑性區形貌試驗檢測手段所無法實現的。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一種基于單元切割和重構的裂紋尖端塑性區形貌金相檢測方法，填補金屬材料塑性區形貌試驗檢測技術的空白。

本發明采用以下技術方案：

基于單元切割和重構的裂紋尖端塑性區形貌金相檢測方法，對金屬材料裂尖選區進行三維切割，分別將每個切割單元制備成金相觀察樣品，利用顯微鏡分析每個切割單元的組織形態，確定單個金相樣品的塑性區邊界，獲得不同切割面的二維塑性區邊界和形貌，最終進行三維重構獲得裂尖塑性區完整形貌。

更進一步的，本發明的特點還在于：對金屬材料裂尖選區進行三維切割具體為：

對于待測裂紋體，利用經驗公式或有限元方法估算裂尖塑性區大致尺寸，在裂尖三維空間內選定覆蓋區域，使選定區域覆蓋全部裂尖塑性區范圍，然后進行三維切割。

其中，經驗公式包括最大理論長度a′和最大理論寬度b′，最大理論長度a′計算如下：

最大理論寬度b′計算如下：

其中，σ_s為材料的屈服強度；K_I為應力強度因子。

其中，應力強度因子K_I計算如下：