一种金属材料细观力学损伤模型的构建方法

技术领域

本发明涉及材料失效分析与安全评估领域，具体提供一种金属材料细观力学损伤模型的构建方法。

背景技术

金属构件在服役过程中不可避免会产生累积损伤，裂纹源通常出现在缺陷处，并沿组织内孔洞进行裂纹扩展，这与微孔材料的细观力学损伤失效模式是一致的：材料内部第二相自身发生断裂或与组织脱离形成微孔洞；微孔洞在加载过程中随塑性变形不断长大；微孔洞长大使孔洞之间的连接带产生二级孔洞；孔洞之间连接带撕裂发生聚合，并最终导致宏观裂纹的产生。

基于细观力学理论研究，在微孔材料的体胞模型中引入双线性函数进行修正，建立了描述材料失效时孔洞聚合效应的Gurson损伤模型。由于考虑了材料内部的微观结构，Gurson损伤模型中的损伤变量具有明确的物理意义。多数研究者认为，如果基于孔洞体积分数建立的损伤变量函数准确的话，Gurson损伤模型能真实地反映材料的力学行为。

由于金属试样属于体积不可压缩材料，原有孔洞的体积变化率与塑性应变静水分量有关，新孔洞形成的体积变化率用应变控制的形核准则表示，Gurson损伤模型中的损伤变量是等效孔洞体积分数(f*)的函数。从现象上表现为孔洞聚合导致材料承受能力逐渐下降，根据原有孔洞、成核孔洞和极限孔洞的体积分数建立孔洞生长的损伤变量函数关系式。

受迫于损伤变量的检测手段，Gurson损伤模型中的等效孔洞体积分数通常采用唯象学模型对力学曲线进行拟合，所得参数并不能真实反应材料内部的孔洞演化情况，采用拟值方法建立的损伤模型预测结果的准确性和可靠性一般都较差。近期一些学者利用原位扫描电镜对金属试样进行原位拉伸测试，通过二维平面表征材料在拉伸中孔洞形成-生长-聚合的过程，得到了材料损伤过程的孔洞体积分数，并以此建立了孔洞生长的损伤变量函数关系式。但是此种方法仅适用于裂纹从表面第二相缺陷开始萌生的情况，不能获取金属试样内部孔洞演化的过程，因此，采用二维赋值方法并不能解决内部缺陷导致的开裂失效问题。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种金属材料细观力学损伤模型的构建方法，旨在解决的问题是：细观力学损伤模型的构建过程中，采用拟值方法得到的损伤模型预测结果的准确性和可靠性一般都较差；采用二维赋值方法不能解决内部缺陷导致的开裂失效问题。

本发明的主要目的是提供一种金属材料细观力学损伤模型的构建方法，该细观力学损伤模型通过以下步骤构建：

步骤1：采用X射线CT对待测的金属试样进行扫描，获得投影图像；然后采用分层重构软件对投影图像进行三维图像重构，根据三维图像中孔洞和第二相缺陷与基体X射线线性衰减系数的不同，通过调整衬度得到材料内部的孔洞和第二相缺陷，进而定量分析初始状态下孔洞和第二相缺陷的体积分数；

步骤2：将金属试样固定在力学试验机上进行力学试验，根据试验机反馈的应力-应变曲线，当材料达到屈服阶段时暂停实验，对此时的金属试样进行步骤1中的处理，得到孔洞成核状态金属试样中孔洞体积分数；

步骤3：继续步骤2中力学试验机上的试验，当试验机反馈达到最大应力时，观察金属试样平行段的塑性变形情况，当出现明显颈缩现象时停止实验，对金属试样颈缩区域进行步骤1中的处理，得到极限状态下金属试样中孔洞体积分数。

步骤4：将上述步骤中初始状态、成核状态和极限状态的孔洞体积分数建立孔洞生长的损伤变量函数关系式，通过有限元软件分析金属试样中孔洞的演化过程，得到准确描述金属材料力学行为的细观力学损伤模型。

优选的，所述X射线CT仪具备力学原位测试功能，并能对不同受力状态下的内部孔洞情况进行三维成像，从尺寸信息和形貌信息等方面对内部孔洞进行统计分析。

优选的，所述X射线CT仪为具有原位测试功能的的电子计算机X线断层扫描仪，待测的金属试样经拉伸试验后，在相应损伤状态下进行三维成像，分节点测量获取不同阶段的内部孔洞情况，进而获取成核状态和极限状态的孔洞体积分数。

优选的，对于没有明显屈服平台的金属试样，根据试验机反馈的应力-应变曲线，采用塑性变形量为0.2％为节点测量成核状态的孔洞体积分数，并采用不同应变率下多次测量取平均值的方法获取成核状态的孔洞体积分数。

优选的，对于颈缩现象不明显的金属试样，根据试验机反馈的应力-应变曲线，取试验机最大应力下金属试样CT成像测试结果作为极限状态测量孔洞体积分数。

优选的，对于已断裂的金属试样，可对断裂端面分别进行CT成像测试，极限孔洞体积分数的定量分析结果应不包含主裂纹部分。

本发明提供的金属材料细观力学损伤模型的构建方法，仅适用金属材料的弹塑性力学行为的分析。上述金属材料细观力学损伤模型的构建方法，通过三维成像的方式，获取金属材料内部三维图像，再通过三维图像定量分析不同状态下内部孔洞的体积分数；与直接拟合或二维赋值相比，能够直接计算并获取内部孔洞的体积分数，并根据孔洞体积变化率建立损伤变量函数关系式更具备代表性，进而提高细观力学损伤模型预测结果的准确性和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些具体实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中金属试样拉伸应变-应力曲线及发生明显颈缩时金属试样的照片。

图2为本发明实施例2中金属试样发生明显颈缩时的照片及对应的CT三维成像中内部第二缺陷和孔洞的分布情况照片。

图3为本发明实施例3中金属试样在不同状态下CT三维成像照片及对应的定量分析结果对比图。

图4为本发明实施例3中根据建立的细观力学损伤模型的预测结果与真实试验结果对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例1

本实施例选用市场中的45钢作为金属试样，在本实施例中拉伸实验采用原位拉伸试验台，将金属试样加工为薄板金属试样，并测量金属试样的截面积，输入原位试验台的控制系统，当试验机载荷达到最大时，观察金属试样表面变化，当表面产生明显颈缩时，停止拉伸实验进行CT成像。

在本实施例中，采用Nikon XTH320显微CT对金属试样进行三维成像测试，特征识别分辨率为2μm。加速电压采用140kV，电流100μA，曝光时间1s。图像重构在XTH320重构软件上进行，根据金属试样上粘贴的氧化锆颗粒进行投影图像的对齐对准。利用显微CT实现了金属试样拉伸极限状态下的三维成像。

实施例2

本实施例选用市场中的ZTM630镁合金作为金属试样，在本实施例中拉伸实验采用微机控制万能试验机，金属试样加工为棒材金属试样，测量金属试样的横截面积并输入微机控制万能试验机的控制系统中，根据试验机反馈的应力-应变曲线，当金属试样平行段发生明显颈缩时，停止实验并在颈缩区域取样进行三维成像分析。

采用北京光源4W1A-X射线成像实验站同步辐射纳米CT对金属试样进行测试，入射光子能量为5～12keV，获得的图像用显微物镜放大，并由16位1024×1024CCD相机捕获，空间成像分辨率为30nm。图像对准和三维重构是在国家同步辐射实验室平台上进行的，整个过程分为四个步骤：第一步选择一个金颗粒作为参考点；第二步使用手动校正模块来定位每个投影图像中的参考点，然后根据金颗粒的位置进行对准；第三步利用投影数据进行重构；第四步通过Radon逆变换获得样本的三维结构图像。

利用图像处理Avizo软件将序列二维截面图像重构成三维图像，并根据图像的清晰度进行平滑处理。参考金属试样基体与第二相的线性衰减系数差异，通过调整不同灰度值像素的透明度来显示第二相，记录每个析出相的空间坐标值，导出不同对比度下的三维图像数据。利用相同的方法对极限状态下内部孔洞进行三维成像。

实施例3

本实施例选用市场中的ZK60镁合金作为金属试样，在本实施例中采用BurkeSkyscan 2211高分辨率显微CT对金属试样初始状态进行测试，加速电压为100kV，电流为100μA。为了获得稳定清晰的图像，对金属试样进行360°全扫描，增量为0.3°，每步扫描4次，曝光时间为2356毫秒/帧。利用SkyScan2211的NRecon分层重构软件对投影图像进行重构。在截面图像重构前需要将序列投影图像进行对齐，消除环伪影和射线硬化造成的影响，然后调整对齐补偿参数进行精细对齐。利用图像处理Avizo软件将序列二维截面图像重构成三维图像，并根据图像的清晰度进行平滑处理。参考金属试样基体与第二相的线性衰减系数差异，通过调整不同灰度值像素的透明度来显示第二相，记录每个析出相的空间坐标值，导出不同对比度下的三维图像数据。利用相同的方法对极限状态下内部孔洞进行三维成像。利用Avizo软件中Lable anglysis功能对金属试样中的第二相和孔洞进行定量分析，得到初始状态下孔洞体积分数(f

在本实施例中拉伸实验采用原位试验台，将金属试样加工为薄板试样，并测量金属试样的截面积，输入原位试验台的控制系统，利用视频引伸计对金属试样变形情况进行实时监测。结合试验机反馈的应力-应变曲线，当拉伸实验塑性变形量为0.2％时暂停拉伸实验，对孔洞成核状态下金属试样的内部孔洞进行分析，采用Burke Skyscan 2211高分辨率显微CT重复上述三维成像实验，并利用Avizo软件对孔洞体积进行定量分析，得到成核状态下孔洞体积分数(f

在原位试验台上继续拉伸实验，当试验机载荷达到最大时，观察金属试样表面变化，当表面产生明显颈缩时停止拉伸实验。采用Burke Skyscan 2211高分辨率显微CT重复上述三维成像实验，并利用Avizo软件对孔洞体积进行定量分析，得到极限状态下孔洞体积分数(f

将初始状态、成核状态和极限状态的孔洞体积分数建立孔洞生长的损伤变量函数关系式，导入有限元软件MSC.Marc的Gurson损伤模型中，模拟金属试样内部孔洞的演化过程，导出金属试样的应力-应变曲线，对比真实实验结果验证此方法的准确性和可靠性。最终得到准确描述金属材料力学行为的细观力学损伤模型。

当然，以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内，理应受到本发明的保护。