[发明专利]一种基于断口形貌分形特征的裂纹扩展评价方法

说明书

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。

技术领域

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

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。

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。

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

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。

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：

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；

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(d2)，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；