一种金属材料细观力学损伤模型的构建方法技术

本发明专利技术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方式取得：分别获取试样内部孔洞在初始状态

【技术实现步骤摘要】
一种金属材料细观力学损伤模型的构建方法


[0001]本专利技术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
。

技术介绍

[0002]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
。
[0003]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
。
[0004]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
。
[0005]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
。

技术实现思路

[0006]本专利技术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
。
[0007]本专利技术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：
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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
。
[0011]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
。
[0012]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
。
[0013]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
。
[0014]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
。
[0015]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
。
[0016]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
。
[0017]本专利技术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
[0018]为了更清楚地说明本专利技术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
。
[0019]显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些具体实施例，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
。
[0020]图1为本专利技术实施例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
。
[0021]图2为本专利技术实施例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
。
[0022]图3为本专利技术实施例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
。
[0023]图4为本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种金属材料细观力学损伤模型的构建方法，其特征在于，通过以下步骤实现：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，得到孔洞成核状态下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的体积分数
。
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
。2.
如权利要求1所述的金属材料细观力学损伤模型的构建方法，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：田力男，刘珑，丁宁，徐娜，李囡，郭卫民，许慧霞，
申请(专利权)人：山东省分析测试中心，
类型：发明
国别省市：