工业CT在材料失效分析中的应用与展望*

杨少丹，张彦敏，宋 宇，宋克兴

1.河南科技大学材料科学与工程学院，河南 洛阳 471023；2.河南科技大学机械工程学院，河南 洛阳 471023；3.河南省有色金属材料科学与加工技术重点实验室，河南 洛阳 471023



工业CT在材料失效分析中的应用与展望*

杨少丹1,3，张彦敏1,3，宋 宇2,3，宋克兴1,3

1.河南科技大学材料科学与工程学院，河南 洛阳 471023；2.河南科技大学机械工程学院，河南 洛阳 471023；3.河南省有色金属材料科学与加工技术重点实验室，河南 洛阳 471023

对目前研究材料断裂失效的传统究方法进行了概述，针对传统研究手段存在的不足进行了分析.简要介绍了工业CT的特点，通过工业CT可进一步探索材料失效的相关问题.针对工业CT在材料失效分析中的应用进行了分析，展望了工业CT在该领域的研究前景.

失效分析；断裂；工业CT

材料作为当代文明技术发展的物质基础，研究其成分、结构、性能及它们之间的联系是永恒的主题.同时，材料的性能也是联系材料成分设计和制备的纽带，优良的性能是材料得以应用的保障.作为用以机械制造以及构件的结构材料，使用过程中由于受到外环境载荷的综合作用，性能大幅度降低，发生失效[1].金属材料的失效按失效机理分为断裂失效、变形失效、磨损失效和腐蚀失效四种类型，其中材料的断裂失效是材料(零件)失效中最严重的形式之一.金属材料及其构件内部或表面上的裂纹是出现断裂的根源，这种缺陷会造成材料或构件的失效，甚至引发灾难性的后果.比如石油天然气开发中使用的钻杆，由于苛刻的服役条件而引起裂纹萌生扩展至穿孔或完全断裂时有发生，一旦发生事故，严重时甚至会导致全井报废，造成严重的经济损失.2011年美国一架波音737客机5 min内急降7600 m，导致此次事故的原因是飞机中段过道上方机身有一个1.8 m长的破洞，若非飞机成功迫降，则很可能出现大的安全事故.历史上，一些金属大桥的断裂、车祸、飞机失事等，都是因金属材料断裂失效而引发的重大事故.因此，对材料的断裂失效问题一直是各界研究的重点内容.断裂力学已在航空、航天、交通运输、化工、机械、材料、能源等工程领域得到广泛应用[2].

1 材料断裂失效的传统研究方法

工程断裂力学包括疲劳断裂、蠕变断裂、腐蚀断裂、腐蚀疲劳断裂及蠕变疲劳断裂等.目前，金属材料断裂失效的研究方法主要为物理观察检验法和计算机模拟法.

1.1 物理观察检验法

物理观察检验法主要是针对静态的断口进行仔细观察和分析，包括在裸眼和低倍放大下检查断口表面的宏观形貌，按照断裂形貌特征和载荷性质之间的关系来推断断裂的模式；也可采用扫描电子显微镜观察断口的微观断裂形貌，采用电子显微镜进行断口显微形貌(断口组织)和局部化学成分试验，确定材料断裂机理.徐媛等[3]利用高温、高应变率耦合分离式Hopkinson Bar装置，对TC6钛合金的动态失效及断裂机制进行了研究.对不同应变率下的试样，采用线切割方法将其沿轴线切开，打磨抛光腐蚀后用光学显微镜(OM)及扫描电子显微镜(SEM)对试样进行微观分析，同时对断裂试样的断口形貌进行分析.吴哲等[4]采用分离式霍普金森压杆(SUPS)和扫描电镜(SEM)研究复合材料的动态压缩行为及断裂特性.刘德健等[5]采用激光熔注技术在Ti-6AI-4V表面制备了单晶颗粒增强的WCp/Ti-6Al-4V梯度复合材料层.利用扫描电镜原位拉伸试验，观察复合材料层裂纹形成、扩展的动态过程，研究其微观断裂行为.

1.2 计算机模拟法

计算机模拟法分为广义有限元法(GFEM)、扩展有限元法(XFEM)和广义扩展有限元法(GXFEM).广义有限元法是常规有限元方法在思想上的延伸，它是基于单位分解方法，通过在结点处引入广义自由度，对结点自由度进行再次插值，从而提高有限元方法的逼近精度，或满足对特定问题的特殊逼近要求.基于广义有限元法对单元形状函数构造理论的深入研究，具有任意内部特征(空洞、夹杂、裂纹等)及外部特征(凹角、角点、棱边等)的复杂问题，都将在简单、且与区域无关的有限元网格上加以求解[6].

Strouboulis等[7]利用广义有限元法，从离散求解域得到的“数值式”函数作为局部顶点逼近函数，在相对于内部特征分布较粗糙的网格上，能够获得较高的数值精度.要解决从求解网格上的“数值式”函数向整体网格“数值式”函数的变换，XFEM可以根据具体问题的需要选择特殊的富集函数来构建位移场，使近似函数的形式独立于网格划分，尤其在连续——非连续场的描述上具有高度的灵活性.Patzak和Jirasek[8]将XFEM应用于非局部连续损伤力学中，通过引入能准确捕捉局部化应变概貌的特殊形状函数，在非常粗糙的网格上改进位移逼近临界条件.结合广义有限元法(GFEM)和扩展有限元法(XFEM)的特点，提出了一种新的数值方法——广义扩展有限元法(GXFEM).徐超[9]将广义扩展有限元法应用于裂纹追踪模拟分析，相比于广义有限元法(GFEM)和扩展有限元法(XFEM)，主要表现在克服了裂纹对网格的依赖性以及裂纹扩展时网格需不断更新等缺点，且在裂纹尖端处的计算结果精度较高，较好地反映了裂纹尖端的奇异性.

2 传统分析方法的局限性

现有的材料测试和评估技术，即通过观察或切取制样进行必要纳米/微米尺度的扫描图像和宏观材料的测试，推测裂纹的产生原因与演变规律.存在的问题是，纳米/微米尺度下的观察太细、太局限而不能提供一个完整的图片来描述材料的性能，比如材料在工程条件下的失稳等，而宏观测试却不能提供材料的缺陷分布、破坏机理等根本性信息，这些信息可以用来识别薄弱环节以利于材料的重新设计或改善.此外，现有的微观材料测试系统主要依赖于电子显微镜和光学显微镜.虽然电子显微镜已经实现纳米级分辨率，可也只能观察到剖开破坏之后的试样表面的微观组织形貌.剖切试样不仅需要极高的体力劳动和昂贵的花费，同时也破坏了一些微观/中尺度的空位和裂纹.光学显微镜的缺点与上述相同，而且分辨率相对较低，也限制了领域的深度.采用计算机模拟技术研究材料的损伤断裂，多采用经验性唯象模型，通过损伤变量等参数的引入进而描述材料的状态，导入计算机软件模拟材料在不同加载环境下的损伤直至断裂的全过程.但是由于模型引入的多元性、抽象性和不可靠性，使模拟结果不具备客观真实性和准确性.

3 基于工业CT材料失效分析中的应用展望

3.1 基于工业CT材料失效分析中的应用

CT(Computed Tomography)识别技术是目前最先进的无损检测手段.近年来，随着CT技术的发展，CT扫描的能量越来越大，峰值射线能量从几百keV发展到几十MeV；分辨率越来越高，空间分辨率已实现20～50 Lp/mm，像素尺寸达微米数量级，CT图像密度分辨率可达0.1%,甚至更高；扫描速率越来越快，在高能条件下，闪烁探测器探测效率可达16～20 bit的动态范围，读出速率在微秒量级.目前，CT识别技术已经不仅局限于无损探伤，而是广泛地应用于岩土工程、混凝土、沥青混合料、金属材料以及反求工程等领域[10-12].

目前，工业CT在材料失效领域的应用，多集中于裂纹的萌生扩展，通过图像处理技术，分析提取扫描图像中的有效信息也成为研究的热点.在短裂纹研究方面，徐夏刚等[13]基于CT系统，利用结构实体几何模型，提出了一种短裂纹有效模拟方法.王璐等[14]采用计算机断层扫描(Computed Tomography，CT)技术对试验件进行扫描，并对其断层图像进行对比度增强、离群滤噪等图像处理，获得较为准确、清晰的裂纹图像，且与裂纹实际情况吻合良好.Yang Z, Kang J等[15]采用三维X射线计算机断层扫描(CT)对AM60镁合金的损伤进行研究，发现CT可以对孔进行精确地测量和3D建模.赵超凡等[16]采用X-CT研究了焊接结构破坏过程中的宏细观损伤演化特征及其表征方法，以含细观裂纹的焊接构件为对象，提出了一种多尺度损伤的表征方法，以同时描述结构宏观损伤特性与内部细观裂纹扩展特性.结果表明，新的多尺度损伤表征方法能够很好地描述细观裂纹到宏观损伤的多尺度演化过程.敖波等[17]采用微焦点CT对LY12铝合金疲劳试样进行了扫描与重建，获得了密度场图像库，并提取了试样内部的三维裂纹形态.统计结果表明，裂纹区域和邻近区域的密度要低于正常区域的密度，材料内部的疲劳损伤呈现不均匀性.

3.2 基于工业CT材料失效分析中的展望

完善工业CT技术：CT技术的快速发展是其在材料失效分析领域实现突破性进展的必要条件.更高分辨率、更小的尺寸精度、更精准的重建算法及更有效的图像处理技术，方可实现观测到材料内部更细观尺度的损伤缺陷.

材料原位加载内部动态分析：基于CT系统平台，辅助相关加载设备，实现材料原位动态无损的观察，对于研究材料的损伤断裂非常有必要.

CT系统与计算机模拟相结合：相比于传统基于物理试验或是模型构建材料初始状态，模拟各种加载条件下的材料损伤变形断裂情况，实现基于CT系统的有限元模拟分析，对于材料在工程实践中的应用提供更加准确的指导有重大的现实意义.

4 结 语

在材料失效分析中物理试验劣势是：对试样阶段性、破坏性操作影响了试验连续性、改变了试样状态；有限元法建模理想化，未考虑材料固有的缺陷特征，无法准确表征材料属性.本文提出的基于工业CT 研究材料失效过程，该手段具有原位、无损、动态特征，对试验过程进行可视化监控，对试验结果进行3D建模，从而进行有限元模拟，准确表征材料失效特征.

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[3] 徐媛,向文丽,杨红斌,等.TC6钛合金动态断裂机制[J].稀有金属材料与工程,2015(8):1924-1927.

[4] 李录贤,刘书静,张慧华,等.广义有限元方法研究进展[J].应用力学学报,2009,26(01):96-108.

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[6] 刘德健,李俐群,李福泉,等.单晶颗粒增强WCp/Ti-6Al-4V梯度复合材料层微观断裂行为[J].稀有金属材料与工程,2010,39(8):1431-1434.

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Application and prospect of industrial computerized tomography(ICT) in material failure analysis

YANG Shaodan1,3, ZHANG Yanmin1,3, SONG Yu2,3, SONG Kexing1,3

1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,HenanUniversityofScienceandTechnology,Luoyang471023,China;2.SchoolofMechanicalEngineering,HenanUniversityofScienceandTechnology,Luoyang471023,China;3.HenanCollaborativeInnovationCenterofNon-ferrousMetalGenericTechnology,Luoyang471023,China

This article mainly introduced the importance of material failure analysis,summarized the traditional methods of material fracture failure,and analyzed the shortcomings of traditional research methods.This article briefly introduced the characteristics of industrial CT,and through the industrial CT,it can further explore the related problems of material failure.The application of industrial CT in failure analysis of materials was analyzed,and the prospect of industrial CT in the field was prospected.

failure analysis; fracture; industry CT

1673-9981(2016)03-00155-04

2015-11-17

河南省杰出人才项目(134200510011);河南省高校科技创新团队(14IRSTHN007);河南省国际合作项目(144300510020)

杨少丹(1992-)，女，河南南阳人，硕士研究生.

张彦敏(1970-)，女，博士，教授.

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