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工业CT与失效分析

失效分析是一门发展中的新兴学科 ， 找出失效的原因 ， 挖掘出失效的机理的活动 。 在提高产品质量 ， 技术开发、改进 ， 产品修复及仲裁失效事故等方面具有很强的实际意义 。 其中材料断裂失效是材料(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 。 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 。
工业CT与失效分析
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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 。
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 。
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 。
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 。
CT(ComputedTomography)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20~50Lp/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16~20bit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 。
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 。 ]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 。 采用工业CT(ComputedTomography)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 。 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 。
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:基于工业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 。
工业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 ， 实现基于工业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 。
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