[发明专利]基于原位X射线断层照相的脆性材料力学损伤的测量方法

说明书

技术领域

本发明属于各种脆性材料的损伤力学和实验力学范畴，具体来说，涉及一种基于原位X射线断层照相的脆性材料力学损伤的测量方法。

背景技术

水泥混凝土、陶瓷、岩石、砖石、树脂等脆性材料在生产生活中被广泛应用，但这类材料在力学荷载服役过程中，不可避免的发生组织结构的劣化，比如细观结构缺陷如微裂纹、微孔隙等萌生、扩展等不可逆变化，从而引起的材料或结构宏观力学性能的劣化，在损伤力学中称之为称为损伤。

损伤力学主要研究材料或构件在各种服役条件下，其中损伤随变形而演化发展并最终导致破坏的过程中的力学规律。损伤力学选取合适的损伤变量，利用连续介质力学的唯象方法或细观力学、统计力学的方法，导出含损伤的材料的损伤演化方程。损伤变量是建立损伤模型，对材料或结构进行损伤分析的前提。损伤变量是表征材料或结构劣化程度的量度，直观上可理解为微裂纹或空洞在整个材料中所占体积的百分比。损伤变量的定义大都从损伤力学的奠基人Kachanov所提出的有效承载面积的减少而来。

现有测量材料损伤变量的方法主要有两类：一类是显微观测法，一类是无损法。显微观测法主要是用光学显微镜、扫描电镜等对损伤后样品进行破损取样，观测并统计切面的裂纹量。该类方法的主要缺点是只能在损伤后进行，而且是破损性的分析，另外该类方法只能从二维断面去推测三维信息。另外一类是无损的损伤变量测量方法，主要包括超声法、数字图像相关法、断层照相法。超声法只能给出整个样品的统计损伤平均值；数字图像相关法只能得到二维的表面变形损伤。

断层照相是一种从观测数据来反演物理模型的测算方法，因为这种反演变换只能采用计算机来完成，所以一般称为计算机断层。X射线断层照相就是利用X射线穿透各种材料并被部分吸收后，在检测器所得到的射线强度信号，在经过计算机对数据进行处理计算得到断层像。因为X射线断层照相具有原位观测，三维透视的优点，所以被应用到材料损伤研究中。以前的断层照相法分析材料损伤主要分为两类：一类是对损伤后样品直接进行裂纹统计分析，另一类是通过对损伤前后的切片直接进行差影处理获取损伤变量。第一类方法类似于传统的显微镜观测法，但是X射线断层照相的分辨率不足以分辨出细小的裂纹，所以严重低估了损伤的程度。第二类方法的缺点是无法将变形和损伤分开，因为变性的存在，前后两次测试的根本就不是同一个区域，直接差影就不准确，另外该方法也无法给出三维损伤变量的空间分布。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供了一种基于原位X射线断层照相的脆性材料力学损伤的测量方法，该测量方法可以准确得到脆性材料的三维局部损伤变量的空间分布。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于原位X射线断层照相的脆性材料力学损伤的测量方法，该测量方法包括以下步骤：

步骤10)：将一脆性材料样品用5-10牛顿的荷载力固定在基于X射线断层照相的原位加载装置上；

步骤20)：设定断层照相测试条件，对脆性材料样品进行第一次X射线断层照相测试，获得脆性材料样品的三维断层图像数据G₁(x，y，z)，其中，x的取值范围为1至x₀之间的整数，y的取值范围为1至y₀之间的整数，z的取值范围为1至z₀之间的整数，x₀、y₀和z₀代表脆性材料样品的三维体素尺寸；

步骤30)：利用原位加载装置，对步骤10)的脆性材料样品进行原位在线力学损伤，获得损伤样品，并记录在该损伤程度下的变形量；

步骤40)：对步骤30)的损伤样品，在与步骤20)相同的断层照相测试条件下，原位进行第二次X射线断层照相测试，获得损伤样品的三维断层图像数据，并根据该损伤程度下的变形量，对损伤样品的三维断层图像数据进行三维数字图像插值处理，插值后的三维数据为G₂(x，y，z)；

步骤50)：选取子区尺寸p，p为整数，且1≤p≤100，将相邻的p³个体素确立的立方体视为一个子区；