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一种基于断口形貌分形特征的裂纹扩展评价方法

阅读：924发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种基于断口形貌分形特征的裂纹扩展评价方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于材料断口形貌分形特征的裂纹扩展评价方法，属于断裂失效分析技术领域。具体步骤为：一，进行不同条件下的材料断裂实验，获取材料不同断口形貌样件；二，观察发现样件断口形貌在不同尺度下的分形特征；三，采用盒计数法计算不同断口形貌的分形维数；四，建立分形维数与裂纹扩展机制的关联。本发明对不同尺度下的断口形貌花样进行数据化定量分析，将分形维数与不同条件下获得的断口形貌稳定关联，以此分形维数评价裂纹扩展，用于结构件断裂失效分析，还可应用于结构件加工过程中损伤监测及其服役期间的断裂过程监测。，下面是一种基于断口形貌分形特征的裂纹扩展评价方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于断口形貌分形特征的裂纹扩展评价方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)通过疲劳试验、冲击试验和准静态拉伸试验等固体断裂力学实验，获取不同条件下的试样断口形貌样件；
(2)将步骤(1)中获取的断口形貌样件分类、清洗，在保证不破坏断口形貌花样的前提下，清洗至没有污染物存在，确保采集的图像无外来物干扰；将断口划分为裂纹萌生、裂纹稳定扩展和裂纹失稳扩展三个区域；同时根据试样断裂条件(加载速度、各向异性等)不同进行分类，在显微镜下观察断口形貌花样，确定局部形貌与整体形貌呈自相似性的形貌特征，在断口不同区域拍摄不同尺度下的具有自相似特征的形貌图像；
(3)采用盒计数法计算步骤(2)中图像的分形维数，过程如下：1)对原始的断口形貌灰度图像进行图像增强、二值化等图像处理；2)把图像划分成相同特征长度r的盒子(由k个像素点组成，k＝1,2,4,···,2i)，统计填充在分形集的盒子数n；3)输出盒子数n随盒子长度r的变化关系，输出局部分形维数d＝-dlnn/dlnr随盒子长度r的变化关系，最终图像的实际分形维数取自某一特征长度r范围内，分形维数d稳定阶段的平均值；
(4)基于步骤(3)中不同区域、不同尺度形貌图像对应的分形维数，建立分形维数d大小与不同加载条件、不同材料性能、不同断口区域等影响裂纹扩展因素的关联，采用分形维数对裂纹扩展进行评价。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据裂纹萌生、裂纹稳定扩展和裂纹失稳扩展三个阶段裂纹扩展速度的差异，分别获得三个区域的分形维数，以此分形维数对裂纹扩展速度、裂纹扩展路径进行评价。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据不同加载速度下断口形貌的分形维数，评价裂纹扩展受加载速度的影响。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获得不同晶面断口的分形维数，以此分形维数评价裂纹扩展受晶向的影响。

说明书全文

一种基于断口形貌分形特征的裂纹扩展评价方法

技术领域

[0001] 本发明属于断裂失效分析技术领域，特别涉及一种基于材料断口形貌分形特征的裂纹扩展评价方法。

背景技术

[0002] 材料断口形貌在不同尺度下具有分形特征，即局部形貌与整体形貌呈自相似性。1984年Mandelbrot首先提出金属断口表面的分形特征，分形维数可被用来衡量金属材料韧性。此后，分形维数与材料性能之间的关系得到推广，分形维数被用于描述表面粗糙度，表征材料加工表面形貌，揭示材料加工去除机理，反映材料断裂机制及其裂纹扩展。

[0003] 裂纹扩展形成断口形貌，对断口形貌的分析是目前诊断结构件断裂失效原因的主要手段，分析断口形貌的方法主要基于断口表面花样形貌，通过定性分析裂纹起源、裂纹扩展的原因及过程，提出抑制裂纹萌生、阻碍裂纹扩展的建议，延长结构件使用寿命。此方法准确有效，但需要工程师具备丰富的生产经验及相关理论基础，普通工人难以掌握。

[0004] 本发明通过定量分析断口形貌特征，将断口形貌数据化，建立断口形貌分形维数与裂纹扩展的关联依据，直接通过分形维数评价裂纹扩展，判断断裂失效原因，能够大幅提高断口分析效率，快速提出结构件生产改进建议，节省生产成本。此方法结合机器视觉技术可推广应用于材料加工过程损伤监测及结构件服役期间性能监测。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种基于断口形貌分形特征的裂纹扩展评价方法，将断口形貌图像化处理后，用分形维数进行数据化表达，通过分析不同断口形貌特征的裂纹扩展机制，建立分形维数与加载条件、材料各向异性、不同断口区域的关联，对裂纹扩展速度、裂纹扩展路径等进行评价，实现结构件断裂失效快速响应分析。

[0006] 具体地，所述基于断口形貌分形特征的裂纹扩展评价方法步骤如下：

[0007] 1.通过疲劳试验、冲击试验和准静态拉伸试验等固体断裂力学实验，获取不同条件下的试样断口形貌样件；

[0008] 2.将断口形貌样件根据加载条件进行分类、清洗，在不破坏断口原貌的前提下，保证断口清洗干净；将断口划分为裂纹萌生、裂纹稳定扩展和裂纹失稳扩展三个区域；用显微镜观察不同尺度下的断口形貌花样，确定局部形貌与整体形貌呈自相似性的断口花样；在不同区域分别拍摄不同尺度下的具有自相似特征的形貌图像；

[0009] 3.采用盒计数法计算获取的断口图像分形维数：通过相同特征长度的基本图形填充图像，基本图形的特征长度为r，填充图像中分形集的基本图像数量为n，d为该图像的盒维数，对于理论填充的2维图像(d<2)，n＝r-2，实际填充与理论填充的偏差表示图像存在分形特征。图像往往在有限特征长度的基本图形填充下表现出分形特征，可以通过建立分形维数d与特征长度r的函数进行表示，在某一特征长度r范围内，分形维数较为稳定，反映图像的实际分形维数。具体过程如下：(1)对采集的断口形貌灰度图像进行图像处理，包括图像增强、二值化等，该步骤是获得真实、可靠分形维数的前提和基础；(2)把图像划分成相同特征长度r的盒子(由k个像素点组成，k＝1,2,4,···,2i)，统计填充在分形集的盒子数n；(3)输出盒子数n随盒子长度r的变化关系，输出局部分形维数d＝-dlnn/dlnr随盒子长度r的变化关系，最终图像的实际分形维数d取自在某一特征长度r范围内，分形维数d稳定阶段的平均值；

[0010] 4.基于不同区域、不同尺度形貌图像对应的分形维数，建立分形维数d大小与不同加载条件、不同材料性能、不同断口区域等影响裂纹扩展因素的关联，采用分形维数对裂纹扩展进行评价。例如，根据裂纹萌生、裂纹稳定扩展和裂纹失稳扩展三个阶段裂纹扩展速度的差异，分别获得三个区域的分形维数，以此分形维数对裂纹扩展速度、裂纹扩展路径进行评价；根据不同加载速度下断口形貌的分形维数，评价裂纹扩展受加载速度的影响；还可以获得不同晶面断口的分形维数，以此分形维数评价裂纹扩展受晶向的影响。附图说明

[0011] 图1为A面蓝宝石原始断口形貌。

[0012] 图2为A面图像处理后断口形貌。

[0013] 图3为C面蓝宝石原始断口形貌。

[0014] 图4为C面图像处理后断口形貌。

[0015] 图5为A面断口图像实际填充与理论填充对比。

[0016] 图6为A面断口形貌的分形维数特征。

[0017] 图7为C面断口图像实际填充与理论填充对比。

[0018] 图8为C面断口形貌的分形维数特征。

具体实施方式

[0019] 本实施例为具有各向异性的蓝宝石(α-Al2O3)材料，将不同晶面断口形貌以分形维数进行数据化表达，以分形维数评价裂纹扩展受晶向的影响，具体步骤如下：

[0020] 1.加工蓝宝石长方体试样，尺寸为3.5mm×3.5mm×5.8mm，用压头分别压入蓝宝石A面和C面(3.5mm×3.5mm)，致使其断裂，不宜过碎，获得沿不同晶面断裂的蓝宝石断口形貌样件。

[0021] 2.将A面和C面蓝宝石断口形貌样件清洗干净，分别置于显微镜下观察分析，发现蓝宝石断口表面具有较多的局部与整体呈自相似性的“河流状”花样形貌，采集该断口形貌图像，如图1所示为A面蓝宝石原始断口形貌，如图3所示为C面蓝宝石原始断口形貌。

[0022] 3.采用盒计数法计算蓝宝石该断口形貌图像的分形维数，根据技术方案中的步骤，利用MatLab 软件编程，对蓝宝石原始断口形貌图像进行处理，处理后图像如图2、4所示，图5、7分别为A面和C面蓝宝石断口图像实际填充与理论填充的对比，A面蓝宝石断口形貌，在盒子尺寸r<64时，表现出分形特征，输出分形维数与特征长度关系如图6所示，分形维数d稳定在1.3-1.5范围内，稳定阶段平均值为1.397，即该图像实际分形维数d，标准差为0.081；C面蓝宝石断口形貌在盒子尺寸r<256时，表现出分形特征，输出分形维数与特征长度关系如图8所示，分形维数d稳定在1.4-1.6范围内，稳定阶段平均值为1.505，即该图像实际分形维数d，标准差为0.061；比较A面和C面蓝宝石断口形貌发现，蓝宝石裂纹扩展具有各向异性，比较分形维数，A面蓝宝石断口分形维数更小，形成的断口表面更光滑。

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