CN106053559A - 用于金属材料表面缺陷的检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于金属材料表面缺陷的检测系统，包括电化学检测传感器,所述电化学检测传感器包括网状柔性塑料板，所述网状柔性塑料板上安装有与其表面垂直的参比电极和位于参比电极的周边对称位置的辅助电极，所述的参比电极、辅助电极通过粘性材料与网状柔性塑料板相固定；所述参比电极为固体的Ag‑AgCl电极，所述辅助电极与被测试样材料相同；参比电极与辅助电极的一端为工作面，另一端焊接有导线；所述参比电极与辅助电极除了工作面之外的其它部位涂有绝缘材料。本发明设置的电化学检测传感器可以任意改变使用形状，通过探测到的试样不同位置的电化学信息从而确定试样表面缺陷的位置，操作简单，实用性强，探测全过程安全，无污染。

Description

用于金属材料表面缺陷的检测系统

技术领域

本发明涉及表面缺陷检测领域，具体涉及用于金属材料表面缺陷的检测系统。

背景技术

相关技术中,很少有人通过电化学测试方法，对金属材料表面缺陷进行检测。电化学检测方法具有原位无损的优点，对试样不会造成破坏，且操作安全，不会造成环境污染，因此，发展表面缺陷的电化学检测方法及设备具有非常重要的实际意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提供用于金属材料表面缺陷的检测系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

用于金属材料表面缺陷的检测系统，包括电化学检测传感器,所述电化学检测传感器包括网状柔性塑料板，所述网状柔性塑料板上安装有与其表面垂直的参比电极和位于参比电极的周边对称位置的辅助电极，所述的参比电极、辅助电极通过粘性材料与网状柔性塑料板相固定；所述参比电极为固体的Ag-AgCl电极，所述辅助电极与被测试样材料相同；参比电极与辅助电极的一端为工作面，另一端焊接有导线；所述参比电极与辅助电极除了工作面之外的其它部位涂有绝缘材料。

本发明的有益效果为：设置的电化学检测传感器可以任意改变使用形状，通过探测到的试样不同位置的电化学信息从而确定试样表面缺陷的位置，操作简单，实用性强，探测全过程安全，无污染，可以在短时间内得到实验结果,从而解决了上述的技术问题。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的应用场景不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明电化学检测传感器的结构示意图；

图2是本发明寿命评估装置的结构示意图。

附图标记：

电化学检测传感器1、网状柔性塑料板11、参比电极12、辅助电极13、寿命评估装置2、数据准备模块21、寿命分析预测模块22。

具体实施方式

结合以下应用场景对本发明作进一步描述。

应用场景1

参见图1、图2，本应用场景的一个实施例的用于金属材料表面缺陷的检测系统，包括电化学检测传感器1,所述电化学检测传感器1包括网状柔性塑料板2，所述网状柔性塑料板2上安装有与其表面垂直的参比电极12和位于参比电极12的周边对称位置的辅助电极13，所述的参比电极12、辅助电极13通过粘性材料与网状柔性塑料板2相固定；所述参比电极12为固体的Ag-AgCl电极，所述辅助电极13与被测试样材料相同；参比电极12与辅助电极13的一端为工作面，另一端焊接有导线；所述参比电极12与辅助电极13除了工作面之外的其它部位涂有绝缘材料。

优选的,所述网状柔性塑料板2为圆形的网状柔性塑料板,直径尺寸为50mm。

本发明上述实施例设置的电化学检测传感器1由于使用网状柔性塑料板2,从而可以任意改变使用形状；通过探测到的试样不同位置的电化学信息从而确定试样表面缺陷的位置，操作简单，实用性强，探测全过程安全，无污染，可以在短时间内得到实验结果,从而解决了上述的技术问题。

优选的，所述参比电极12为直径2mm，长40mm的固体Ag-AgCl电极。

本优选实施例对参比电极12的最佳尺寸进行设置，进一步提高电化学检测传感器1的检测精度。

优选的，所述用于金属材料表面缺陷的检测系统还包括寿命评估装置2，所述寿命评估装置2包括数据准备模块21和寿命分析预测模块22，所述数据准备模块21用于确定金属材料表面的实测典型载荷谱、金属材料表面上各实际裂纹的裂纹位置、尺寸，并对各种裂纹进行几何简化分类，其中金属材料表面上各实际裂纹的裂纹位置通过电化学检测传感器1进行检测确定；所述寿命分析预测模块22用于对所述金属材料表面的材料进行疲劳试验，获取所述材料对应于各种裂纹的疲劳裂纹扩展速率曲线，进而对所述实测典型载荷谱、各实际裂纹的裂纹位置、尺寸以及各种裂纹的疲劳裂纹扩展速率曲线进行裂纹扩展分析，确定对应于各种裂纹的裂纹扩展寿命循环数，再根据所述裂纹扩展寿命循环数确定对应裂纹的剩余疲劳寿命的估算值，最终确定金属材料表面对应的结构体的剩余疲劳寿命的估算值。

本优选实施例设置寿命评估装置，且构建了寿命评估装置2的结构框架，可以实时监测金属材料表面对应的结构体的健康性能，增加金属材料表面对应的结构体运作的安全性。

优选的，定义对应于裂纹i＝1,2,…m的剩余疲劳寿命的估算值集为{P₁,P₂,…,P_i},金属材料表面剩余疲劳寿命的估算值P_Z则为：

P_Z＝min_i＝1,2,…m{P₁,P₂,…,P_i}。

本优选实施例确定了金属材料表面对应的结构体的剩余疲劳寿命与金属材料表面的各实际裂纹的剩余疲劳寿命之间的关系，采用最小的实际裂纹的疲劳寿命作为金属材料表面对应的结构体的剩余疲劳寿命，符合木桶理论，准确度高。

优选的，所述对所述金属材料表面的材料进行疲劳试验，获取所述材料对应于各种裂纹的疲劳裂纹扩展速率曲线，包括：

1)计算各种裂纹的应力强度因子幅，考虑裂纹尖端点的塑性变形区会对材料的疲劳断裂具有决定性的影响，将裂纹尖端塑性区等效于一个含有相变应变的均质夹杂，定义应力强度因子幅ΔK_pc的计算公式为：

${\mathrm{\ΔK}}_{pc}=\left\{\begin{array}{cc}{K}_{pc}^{\max }-K_{yc}-{\mathrm{\ΔK}}_{sc},& R\≤0\\ K_{pc}^{\max }-K_{pc}^{\min },& R>0\end{array}\right.$

式中

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔK}}_{sc}=\frac{1}{2\sqrt{2\mathrm{\π}}}{\∫}_A{r}^{-3/2}\[\frac{K_{yc}}{\sqrt{2\mathrm{\π}r}}(3{\sin }^2\mathrm{\α}\cos \mathrm{\α}+2\cos \frac{\mathrm{\α}}{2}\cos \frac{3\mathrm{\α}}{2})\\ +3({\mathrm{\σ}}_{11}-{\mathrm{\σ}}_{22})\sin \mathrm{\α}\sin \frac{5\mathrm{\α}}{2}-6{\mathrm{\σ}}_{12}\sin \mathrm{\α}\cos \frac{5\mathrm{\α}}{2}-({\mathrm{\σ}}_{11}+{\mathrm{\σ}}_{22})\cos \frac{3\mathrm{\α}}{2}\]dA\end{array}$

其中，为疲劳循环载荷中由最大载荷计算得到的经塑性修正的应力强度因子值，为疲劳循环载荷中由最小载荷计算得到的经塑性修正的应力强度因子值，K_yc为远场作用下的应力强度因子，由裂纹完全张开时的载荷计算得到，ΔK_sc表示裂纹尖端塑性区引起的应力强度因子增量，A为围绕裂纹尖端的塑性区的面积，其包括裂纹扩展过程中所产生的塑性变形尾迹区，σ₁₁、σ₁₂、σ₂₂为裂纹尖端塑性区内的应力，由对裂纹尖端塑性区应力场的有限元计算分析得到,R为拉伸载荷与压缩载荷的比值；

2)构建各种裂纹的疲劳裂纹扩展速率曲线，以Paris公式为基础，考虑温度对疲劳裂纹拓展速率的影响，定义所述疲劳裂纹扩展速率的修正计算公式为：

T<0℃OR T>T_max时，

$\frac{da}{dN}=C{({\mathrm{\&Delta;K}}_{pc}-{\mathrm{\&Delta;K}}_T)}^M$

0℃≤T≤T_max时，

$\frac{da}{dN}=C{\left({\mathrm{\&Delta;K}}_{pc}\right)}^M$

式中，T为试验温度，T_max为设定的最高温度，T_max的取值范围为[35℃,40℃]，a为裂纹扩展长度，N为循环次数，C和M为材料常数，ΔK_T为拟合非正常温度下裂纹扩展性能曲面后分析得到的非正常温度断裂门槛值，体现了温度对扩展速率的影响，且ΔK_T的取值范围需满足[0,ΔK_pc)。

本优选实施例定义了应力强度因子幅ΔK_pc的计算公式，且考虑了裂纹尖端点的塑性变形区会对材料的疲劳断裂具有决定性的影响，并将裂纹尖端塑性区等效于一个含有相变应变的均质夹杂，从而定义的应力强度因子幅ΔK_pc可以很好地作为一个合理的力学参量来定量化地分析裂纹尖端塑性区对应力强度因子的影响；以Paris公式为基础，考虑了温度对疲劳裂纹拓展速率的影响，并定义了疲劳裂纹扩展速率的修正计算公式，提高了计算的精度，且简单实用。

优选的，所述裂纹扩展寿命循环数N的计算公式为：

$N={\&Integral;}_{a_0}^{a_c}\frac{1}{C{({\mathrm{\&Delta;K}}_{pc}-{\mathrm{\&Delta;K}}_T)}^M}$

本优选实施例确定了裂纹扩展寿命循环数N的计算公式，提高了寿命预测的速度。

本应用场景上述实施例的最高温度T_max设定为35℃，对金属材料表面的疲劳寿命预测的精度相对提高了15％。

应用场景2

参见图1、图2，本应用场景的一个实施例的用于金属材料表面缺陷的检测系统，包括电化学检测传感器1,所述电化学检测传感器1包括网状柔性塑料板2，所述网状柔性塑料板2上安装有与其表面垂直的参比电极12和位于参比电极12的周边对称位置的辅助电极13，所述的参比电极12、辅助电极13通过粘性材料与网状柔性塑料板2相固定；所述参比电极12为固体的Ag-AgCl电极，所述辅助电极13与被测试样材料相同；参比电极12与辅助电极13的一端为工作面，另一端焊接有导线；所述参比电极12与辅助电极13除了工作面之外的其它部位涂有绝缘材料。

优选的,所述网状柔性塑料板2为圆形的网状柔性塑料板,直径尺寸为50mm。

本发明上述实施例设置的电化学检测传感器1由于使用网状柔性塑料板2,从而可以任意改变使用形状；通过探测到的试样不同位置的电化学信息从而确定试样表面缺陷的位置，操作简单，实用性强，探测全过程安全，无污染，可以在短时间内得到实验结果,从而解决了上述的技术问题。

优选的，所述参比电极12为直径2mm，长40mm的固体Ag-AgCl电极。

本优选实施例对参比电极12的最佳尺寸进行设置，进一步提高电化学检测传感器1的检测精度。

优选的，所述用于金属材料表面缺陷的检测系统还包括寿命评估装置2，所述寿命评估装置2包括数据准备模块21和寿命分析预测模块22，所述数据准备模块21用于确定金属材料表面的实测典型载荷谱、金属材料表面上各实际裂纹的裂纹位置、尺寸，并对各种裂纹进行几何简化分类；所述寿命分析预测模块22用于对所述金属材料表面的材料进行疲劳试验，获取所述材料对应于各种裂纹的疲劳裂纹扩展速率曲线，进而对所述实测典型载荷谱、各实际裂纹的裂纹位置、尺寸以及各种裂纹的疲劳裂纹扩展速率曲线进行裂纹扩展分析，确定对应于各种裂纹的裂纹扩展寿命循环数，再根据所述裂纹扩展寿命循环数确定对应裂纹的剩余疲劳寿命的估算值，最终确定金属材料表面对应的结构体的剩余疲劳寿命的估算值。

本优选实施例设置寿命评估装置，且构建了寿命评估装置2的结构框架，可以实时监测金属材料表面对应的结构体的健康性能，增加金属材料表面对应的结构体运作的安全性。

优选的，定义对应于裂纹i＝1,2,…m的剩余疲劳寿命的估算值集为{P₁,P₂,…,P_i},金属材料表面剩余疲劳寿命的估算值P_Z则为：

P_Z＝min_i＝1,2,…m{P₁,P₂,…,P_i}。

本优选实施例确定了金属材料表面对应的结构体的剩余疲劳寿命与金属材料表面的各实际裂纹的剩余疲劳寿命之间的关系，采用最小的实际裂纹的疲劳寿命作为金属材料表面对应的结构体的剩余疲劳寿命，符合木桶理论，准确度高。

优选的，所述对所述金属材料表面的材料进行疲劳试验，获取所述材料对应于各种裂纹的疲劳裂纹扩展速率曲线，包括：

1)计算各种裂纹的应力强度因子幅，考虑裂纹尖端点的塑性变形区会对材料的疲劳断裂具有决定性的影响，将裂纹尖端塑性区等效于一个含有相变应变的均质夹杂，定义应力强度因子幅ΔK_pc的计算公式为：

${\mathrm{\&Delta;K}}_{pc}=\left\{\begin{array}{cc}{K}_{pc}^{\max }-K_{yc}-{\mathrm{\&Delta;K}}_{sc},& R\&le;0\\ K_{pc}^{\max }-K_{pc}^{\min },& R>0\end{array}\right.$

式中

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;K}}_{sc}=\frac{1}{2\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}}{\&Integral;}_A{r}^{-3/2}\&lsqb;\frac{K_{yc}}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}r}}(3{\sin }^2\mathrm{\&alpha;}\cos \mathrm{\&alpha;}+2\cos \frac{\mathrm{\&alpha;}}{2}\cos \frac{3\mathrm{\&alpha;}}{2})\\ +3({\mathrm{\&sigma;}}_{11}-{\mathrm{\&sigma;}}_{22})\sin \mathrm{\&alpha;}\sin \frac{5\mathrm{\&alpha;}}{2}-6{\mathrm{\&sigma;}}_{12}\sin \mathrm{\&alpha;}\cos \frac{5\mathrm{\&alpha;}}{2}-({\mathrm{\&sigma;}}_{11}+{\mathrm{\&sigma;}}_{22})\cos \frac{3\mathrm{\&alpha;}}{2}\&rsqb;dA\end{array}$

其中，为疲劳循环载荷中由最大载荷计算得到的经塑性修正的应力强度因子值，为疲劳循环载荷中由最小载荷计算得到的经塑性修正的应力强度因子值，K_yc为远场作用下的应力强度因子，由裂纹完全张开时的载荷计算得到，ΔK_sc表示裂纹尖端塑性区引起的应力强度因子增量，A为围绕裂纹尖端的塑性区的面积，其包括裂纹扩展过程中所产生的塑性变形尾迹区，σ₁₁、σ₁₂、σ₂₂为裂纹尖端塑性区内的应力，由对裂纹尖端塑性区应力场的有限元计算分析得到,R为拉伸载荷与压缩载荷的比值；

2)构建各种裂纹的疲劳裂纹扩展速率曲线，以Paris公式为基础，考虑温度对疲劳裂纹拓展速率的影响，定义所述疲劳裂纹扩展速率的修正计算公式为：

T<0℃OR T>T_max时，

$\frac{da}{dN}=C{({\mathrm{\&Delta;K}}_{pc}-{\mathrm{\&Delta;K}}_T)}^M$

0℃≤T≤T_max时，

$\frac{da}{dN}=C{\left({\mathrm{\&Delta;K}}_{pc}\right)}^M$

式中，T为试验温度，T_max为设定的最高温度，T_max的取值范围为[35℃,40℃]，a为裂纹扩展长度，N为循环次数，C和M为材料常数，ΔK_T为拟合非正常温度下裂纹扩展性能曲面后分析得到的非正常温度断裂门槛值，体现了温度对扩展速率的影响，且ΔK_T的取值范围需满足[0,ΔK_pc)。

本优选实施例定义了应力强度因子幅ΔK_pc的计算公式，且考虑了裂纹尖端点的塑性变形区会对材料的疲劳断裂具有决定性的影响，并将裂纹尖端塑性区等效于一个含有相变应变的均质夹杂，从而定义的应力强度因子幅ΔK_pc可以很好地作为一个合理的力学参量来定量化地分析裂纹尖端塑性区对应力强度因子的影响；以Paris公式为基础，考虑了温度对疲劳裂纹拓展速率的影响，并定义了疲劳裂纹扩展速率的修正计算公式，提高了计算的精度，且简单实用。

优选的，所述裂纹扩展寿命循环数N的计算公式为：

$N={\&Integral;}_{a_0}^{a_c}\frac{1}{C{({\mathrm{\&Delta;K}}_{pc}-{\mathrm{\&Delta;K}}_T)}^M}$

本优选实施例确定了裂纹扩展寿命循环数N的计算公式，提高了寿命预测的速度。

本应用场景上述实施例的最高温度T_max设定为36℃，对金属材料表面的疲劳寿命预测的精度相对提高了14％。

应用场景3

参见图1、图2，本应用场景的一个实施例的用于金属材料表面缺陷的检测系统，包括电化学检测传感器1,所述电化学检测传感器1包括网状柔性塑料板2，所述网状柔性塑料板2上安装有与其表面垂直的参比电极12和位于参比电极12的周边对称位置的辅助电极13，所述的参比电极12、辅助电极13通过粘性材料与网状柔性塑料板2相固定；所述参比电极12为固体的Ag-AgCl电极，所述辅助电极13与被测试样材料相同；参比电极12与辅助电极13的一端为工作面，另一端焊接有导线；所述参比电极12与辅助电极13除了工作面之外的其它部位涂有绝缘材料。

优选的,所述网状柔性塑料板2为圆形的网状柔性塑料板,直径尺寸为50mm。

本发明上述实施例设置的电化学检测传感器1由于使用网状柔性塑料板2,从而可以任意改变使用形状；通过探测到的试样不同位置的电化学信息从而确定试样表面缺陷的位置，操作简单，实用性强，探测全过程安全，无污染，可以在短时间内得到实验结果,从而解决了上述的技术问题。

优选的，所述参比电极12为直径2mm，长40mm的固体Ag-AgCl电极。

本优选实施例对参比电极12的最佳尺寸进行设置，进一步提高电化学检测传感器1的检测精度。

优选的，所述用于金属材料表面缺陷的检测系统还包括寿命评估装置2，所述寿命评估装置2包括数据准备模块21和寿命分析预测模块22，所述数据准备模块21用于确定金属材料表面的实测典型载荷谱、金属材料表面上各实际裂纹的裂纹位置、尺寸，并对各种裂纹进行几何简化分类；所述寿命分析预测模块22用于对所述金属材料表面的材料进行疲劳试验，获取所述材料对应于各种裂纹的疲劳裂纹扩展速率曲线，进而对所述实测典型载荷谱、各实际裂纹的裂纹位置、尺寸以及各种裂纹的疲劳裂纹扩展速率曲线进行裂纹扩展分析，确定对应于各种裂纹的裂纹扩展寿命循环数，再根据所述裂纹扩展寿命循环数确定对应裂纹的剩余疲劳寿命的估算值，最终确定金属材料表面对应的结构体的剩余疲劳寿命的估算值。

本优选实施例设置寿命评估装置，且构建了寿命评估装置2的结构框架，可以实时监测金属材料表面对应的结构体的健康性能，增加金属材料表面对应的结构体运作的安全性。

优选的，定义对应于裂纹i＝1,2,…m的剩余疲劳寿命的估算值集为{P₁,P₂,…,P_i},金属材料表面剩余疲劳寿命的估算值P_Z则为：

P_Z＝min_i＝1,2,…m{P₁,P₂,…,P_i}。

本优选实施例确定了金属材料表面对应的结构体的剩余疲劳寿命与金属材料表面的各实际裂纹的剩余疲劳寿命之间的关系，采用最小的实际裂纹的疲劳寿命作为金属材料表面对应的结构体的剩余疲劳寿命，符合木桶理论，准确度高。

优选的，所述对所述金属材料表面的材料进行疲劳试验，获取所述材料对应于各种裂纹的疲劳裂纹扩展速率曲线，包括：

1)计算各种裂纹的应力强度因子幅，考虑裂纹尖端点的塑性变形区会对材料的疲劳断裂具有决定性的影响，将裂纹尖端塑性区等效于一个含有相变应变的均质夹杂，定义应力强度因子幅ΔK_pc的计算公式为：

${\mathrm{\&Delta;K}}_{pc}=\left\{\begin{array}{cc}{K}_{pc}^{\max }-K_{yc}-{\mathrm{\&Delta;K}}_{sc},& R\&le;0\\ K_{pc}^{\max }-K_{pc}^{\min },& R>0\end{array}\right.$

式中

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;K}}_{sc}=\frac{1}{2\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}}{\&Integral;}_A{r}^{-3/2}\&lsqb;\frac{K_{yc}}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}r}}(3{\sin }^2\mathrm{\&alpha;}\cos \mathrm{\&alpha;}+2\cos \frac{\mathrm{\&alpha;}}{2}\cos \frac{3\mathrm{\&alpha;}}{2})\\ +3({\mathrm{\&sigma;}}_{11}-{\mathrm{\&sigma;}}_{22})\sin \mathrm{\&alpha;}\sin \frac{5\mathrm{\&alpha;}}{2}-6{\mathrm{\&sigma;}}_{12}\sin \mathrm{\&alpha;}\cos \frac{5\mathrm{\&alpha;}}{2}-({\mathrm{\&sigma;}}_{11}+{\mathrm{\&sigma;}}_{22})\cos \frac{3\mathrm{\&alpha;}}{2}\&rsqb;dA\end{array}$

其中，为疲劳循环载荷中由最大载荷计算得到的经塑性修正的应力强度因子值，为疲劳循环载荷中由最小载荷计算得到的经塑性修正的应力强度因子值，K_yc为远场作用下的应力强度因子，由裂纹完全张开时的载荷计算得到，ΔK_sc表示裂纹尖端塑性区引起的应力强度因子增量，A为围绕裂纹尖端的塑性区的面积，其包括裂纹扩展过程中所产生的塑性变形尾迹区，σ₁₁、σ₁₂、σ₂₂为裂纹尖端塑性区内的应力，由对裂纹尖端塑性区应力场的有限元计算分析得到,R为拉伸载荷与压缩载荷的比值；

2)构建各种裂纹的疲劳裂纹扩展速率曲线，以Paris公式为基础，考虑温度对疲劳裂纹拓展速率的影响，定义所述疲劳裂纹扩展速率的修正计算公式为：

T<0℃OR T>T_max时，

$\frac{da}{dN}=C{({\mathrm{\&Delta;K}}_{pc}-{\mathrm{\&Delta;K}}_T)}^M$

0℃≤T≤T_max时，

$\frac{da}{dN}=C{\left({\mathrm{\&Delta;K}}_{pc}\right)}^M$

式中，T为试验温度，T_max为设定的最高温度，T_max的取值范围为[35℃,40℃]，a为裂纹扩展长度，N为循环次数，C和M为材料常数，ΔK_T为拟合非正常温度下裂纹扩展性能曲面后分析得到的非正常温度断裂门槛值，体现了温度对扩展速率的影响，且ΔK_T的取值范围需满足[0,ΔK_pc)。

本优选实施例定义了应力强度因子幅ΔK_pc的计算公式，且考虑了裂纹尖端点的塑性变形区会对材料的疲劳断裂具有决定性的影响，并将裂纹尖端塑性区等效于一个含有相变应变的均质夹杂，从而定义的应力强度因子幅ΔK_pc可以很好地作为一个合理的力学参量来定量化地分析裂纹尖端塑性区对应力强度因子的影响；以Paris公式为基础，考虑了温度对疲劳裂纹拓展速率的影响，并定义了疲劳裂纹扩展速率的修正计算公式，提高了计算的精度，且简单实用。

优选的，所述裂纹扩展寿命循环数N的计算公式为：

$N={\&Integral;}_{a_0}^{a_c}\frac{1}{C{({\mathrm{\&Delta;K}}_{pc}-{\mathrm{\&Delta;K}}_T)}^M}$

本优选实施例确定了裂纹扩展寿命循环数N的计算公式，提高了寿命预测的速度。

本应用场景上述实施例的最高温度T_max设定为38℃，对金属材料表面的疲劳寿命预测的精度相对提高了12％。

应用场景4

参见图1、图2，本应用场景的一个实施例的用于金属材料表面缺陷的检测系统，包括电化学检测传感器1,所述电化学检测传感器1包括网状柔性塑料板2，所述网状柔性塑料板2上安装有与其表面垂直的参比电极12和位于参比电极12的周边对称位置的辅助电极13，所述的参比电极12、辅助电极13通过粘性材料与网状柔性塑料板2相固定；所述参比电极12为固体的Ag-AgCl电极，所述辅助电极13与被测试样材料相同；参比电极12与辅助电极13的一端为工作面，另一端焊接有导线；所述参比电极12与辅助电极13除了工作面之外的其它部位涂有绝缘材料。

优选的,所述网状柔性塑料板2为圆形的网状柔性塑料板,直径尺寸为50mm。

本发明上述实施例设置的电化学检测传感器1由于使用网状柔性塑料板2,从而可以任意改变使用形状；通过探测到的试样不同位置的电化学信息从而确定试样表面缺陷的位置，操作简单，实用性强，探测全过程安全，无污染，可以在短时间内得到实验结果,从而解决了上述的技术问题。

优选的，所述参比电极12为直径2mm，长40mm的固体Ag-AgCl电极。

本优选实施例对参比电极12的最佳尺寸进行设置，进一步提高电化学检测传感器1的检测精度。

优选的，所述用于金属材料表面缺陷的检测系统还包括寿命评估装置2，所述寿命评估装置2包括数据准备模块21和寿命分析预测模块22，所述数据准备模块21用于确定金属材料表面的实测典型载荷谱、金属材料表面上各实际裂纹的裂纹位置、尺寸，并对各种裂纹进行几何简化分类；所述寿命分析预测模块22用于对所述金属材料表面的材料进行疲劳试验，获取所述材料对应于各种裂纹的疲劳裂纹扩展速率曲线，进而对所述实测典型载荷谱、各实际裂纹的裂纹位置、尺寸以及各种裂纹的疲劳裂纹扩展速率曲线进行裂纹扩展分析，确定对应于各种裂纹的裂纹扩展寿命循环数，再根据所述裂纹扩展寿命循环数确定对应裂纹的剩余疲劳寿命的估算值，最终确定金属材料表面对应的结构体的剩余疲劳寿命的估算值。

本优选实施例设置寿命评估装置，且构建了寿命评估装置2的结构框架，可以实时监测金属材料表面对应的结构体的健康性能，增加金属材料表面对应的结构体运作的安全性。

优选的，定义对应于裂纹i＝1,2,…m的剩余疲劳寿命的估算值集为{P₁,P₂,…,P_i},金属材料表面剩余疲劳寿命的估算值P_Z则为：

P_Z＝min_i＝1,2,…m{P₁,P₂,…,P_i}。

本优选实施例确定了金属材料表面对应的结构体的剩余疲劳寿命与金属材料表面的各实际裂纹的剩余疲劳寿命之间的关系，采用最小的实际裂纹的疲劳寿命作为金属材料表面对应的结构体的剩余疲劳寿命，符合木桶理论，准确度高。

优选的，所述对所述金属材料表面的材料进行疲劳试验，获取所述材料对应于各种裂纹的疲劳裂纹扩展速率曲线，包括：

1)计算各种裂纹的应力强度因子幅，考虑裂纹尖端点的塑性变形区会对材料的疲劳断裂具有决定性的影响，将裂纹尖端塑性区等效于一个含有相变应变的均质夹杂，定义应力强度因子幅ΔK_pc的计算公式为：

${\mathrm{\&Delta;K}}_{pc}=\left\{\begin{array}{cc}{K}_{pc}^{\max }-K_{yc}-{\mathrm{\&Delta;K}}_{sc},& R\&le;0\\ K_{pc}^{\max }-K_{pc}^{\min },& R>0\end{array}\right.$

式中

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;K}}_{sc}=\frac{1}{2\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}}{\&Integral;}_A{r}^{-3/2}\&lsqb;\frac{K_{yc}}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}r}}(3{\sin }^2\mathrm{\&alpha;}\cos \mathrm{\&alpha;}+2\cos \frac{\mathrm{\&alpha;}}{2}\cos \frac{3\mathrm{\&alpha;}}{2})\\ +3({\mathrm{\&sigma;}}_{11}-{\mathrm{\&sigma;}}_{22})\sin \mathrm{\&alpha;}\sin \frac{5\mathrm{\&alpha;}}{2}-6{\mathrm{\&sigma;}}_{12}\sin \mathrm{\&alpha;}\cos \frac{5\mathrm{\&alpha;}}{2}-({\mathrm{\&sigma;}}_{11}+{\mathrm{\&sigma;}}_{22})\cos \frac{3\mathrm{\&alpha;}}{2}\&rsqb;dA\end{array}$

其中，为疲劳循环载荷中由最大载荷计算得到的经塑性修正的应力强度因子值，为疲劳循环载荷中由最小载荷计算得到的经塑性修正的应力强度因子值，K_yc为远场作用下的应力强度因子，由裂纹完全张开时的载荷计算得到，ΔK_sc表示裂纹尖端塑性区引起的应力强度因子增量，A为围绕裂纹尖端的塑性区的面积，其包括裂纹扩展过程中所产生的塑性变形尾迹区，σ₁₁、σ₁₂、σ₂₂为裂纹尖端塑性区内的应力，由对裂纹尖端塑性区应力场的有限元计算分析得到,R为拉伸载荷与压缩载荷的比值；

2)构建各种裂纹的疲劳裂纹扩展速率曲线，以Paris公式为基础，考虑温度对疲劳裂纹拓展速率的影响，定义所述疲劳裂纹扩展速率的修正计算公式为：

T<0℃OR T>T_max时，

$\frac{da}{dN}=C{({\mathrm{\&Delta;K}}_{pc}-{\mathrm{\&Delta;K}}_T)}^M$

0℃≤T≤T_max时，

$\frac{da}{dN}=C{\left({\mathrm{\&Delta;K}}_{pc}\right)}^M$

式中，T为试验温度，T_max为设定的最高温度，T_max的取值范围为[35℃,40℃]，a为裂纹扩展长度，N为循环次数，C和M为材料常数，ΔK_T为拟合非正常温度下裂纹扩展性能曲面后分析得到的非正常温度断裂门槛值，体现了温度对扩展速率的影响，且ΔK_T的取值范围需满足[0,ΔK_pc)。

本优选实施例定义了应力强度因子幅ΔK_pc的计算公式，且考虑了裂纹尖端点的塑性变形区会对材料的疲劳断裂具有决定性的影响，并将裂纹尖端塑性区等效于一个含有相变应变的均质夹杂，从而定义的应力强度因子幅ΔK_pc可以很好地作为一个合理的力学参量来定量化地分析裂纹尖端塑性区对应力强度因子的影响；以Paris公式为基础，考虑了温度对疲劳裂纹拓展速率的影响，并定义了疲劳裂纹扩展速率的修正计算公式，提高了计算的精度，且简单实用。

优选的，所述裂纹扩展寿命循环数N的计算公式为：

$N={\&Integral;}_{a_0}^{a_c}\frac{1}{C{({\mathrm{\&Delta;K}}_{pc}-{\mathrm{\&Delta;K}}_T)}^M}$

本优选实施例确定了裂纹扩展寿命循环数N的计算公式，提高了寿命预测的速度。

本应用场景上述实施例的最高温度T_max设定为39℃，对金属材料表面的疲劳寿命预测的精度相对提高了11％。

应用场景5

参见图1、图2，本应用场景的一个实施例的用于金属材料表面缺陷的检测系统，包括电化学检测传感器1,所述电化学检测传感器1包括网状柔性塑料板2，所述网状柔性塑料板2上安装有与其表面垂直的参比电极12和位于参比电极12的周边对称位置的辅助电极13，所述的参比电极12、辅助电极13通过粘性材料与网状柔性塑料板2相固定；所述参比电极12为固体的Ag-AgCl电极，所述辅助电极13与被测试样材料相同；参比电极12与辅助电极13的一端为工作面，另一端焊接有导线；所述参比电极12与辅助电极13除了工作面之外的其它部位涂有绝缘材料。

优选的,所述网状柔性塑料板2为圆形的网状柔性塑料板,直径尺寸为50mm。

本发明上述实施例设置的电化学检测传感器1由于使用网状柔性塑料板2,从而可以任意改变使用形状；通过探测到的试样不同位置的电化学信息从而确定试样表面缺陷的位置，操作简单，实用性强，探测全过程安全，无污染，可以在短时间内得到实验结果,从而解决了上述的技术问题。

优选的，所述参比电极12为直径2mm，长40mm的固体Ag-AgCl电极。

本优选实施例对参比电极12的最佳尺寸进行设置，进一步提高电化学检测传感器1的检测精度。

优选的，所述用于金属材料表面缺陷的检测系统还包括寿命评估装置2，所述寿命评估装置2包括数据准备模块21和寿命分析预测模块22，所述数据准备模块21用于确定金属材料表面的实测典型载荷谱、金属材料表面上各实际裂纹的裂纹位置、尺寸，并对各种裂纹进行几何简化分类；所述寿命分析预测模块22用于对所述金属材料表面的材料进行疲劳试验，获取所述材料对应于各种裂纹的疲劳裂纹扩展速率曲线，进而对所述实测典型载荷谱、各实际裂纹的裂纹位置、尺寸以及各种裂纹的疲劳裂纹扩展速率曲线进行裂纹扩展分析，确定对应于各种裂纹的裂纹扩展寿命循环数，再根据所述裂纹扩展寿命循环数确定对应裂纹的剩余疲劳寿命的估算值，最终确定金属材料表面对应的结构体的剩余疲劳寿命的估算值。

本优选实施例设置寿命评估装置，且构建了寿命评估装置2的结构框架，可以实时监测金属材料表面对应的结构体的健康性能，增加金属材料表面对应的结构体运作的安全性。

优选的，定义对应于裂纹i＝1,2,…m的剩余疲劳寿命的估算值集为{P₁,P₂,…,P_i},金属材料表面剩余疲劳寿命的估算值P_Z则为：

P_Z＝min_i＝1,2,…m{P₁,P₂,…,P_i}。

本优选实施例确定了金属材料表面对应的结构体的剩余疲劳寿命与金属材料表面的各实际裂纹的剩余疲劳寿命之间的关系，采用最小的实际裂纹的疲劳寿命作为金属材料表面对应的结构体的剩余疲劳寿命，符合木桶理论，准确度高。

优选的，所述对所述金属材料表面的材料进行疲劳试验，获取所述材料对应于各种裂纹的疲劳裂纹扩展速率曲线，包括：

1)计算各种裂纹的应力强度因子幅，考虑裂纹尖端点的塑性变形区会对材料的疲劳断裂具有决定性的影响，将裂纹尖端塑性区等效于一个含有相变应变的均质夹杂，定义应力强度因子幅ΔK_pc的计算公式为：

${\mathrm{\&Delta;K}}_{pc}=\left\{\begin{array}{cc}{K}_{pc}^{\max }-K_{yc}-{\mathrm{\&Delta;K}}_{sc},& R\&le;0\\ K_{pc}^{\max }-K_{pc}^{\min },& R>0\end{array}\right.$

式中

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;K}}_{sc}=\frac{1}{2\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}}{\&Integral;}_A{r}^{-3/2}\&lsqb;\frac{K_{yc}}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}r}}(3{\sin }^2\mathrm{\&alpha;}\cos \mathrm{\&alpha;}+2\cos \frac{\mathrm{\&alpha;}}{2}\cos \frac{3\mathrm{\&alpha;}}{2})\\ +3({\mathrm{\&sigma;}}_{11}-{\mathrm{\&sigma;}}_{22})\sin \mathrm{\&alpha;}\sin \frac{5\mathrm{\&alpha;}}{2}-6{\mathrm{\&sigma;}}_{12}\sin \mathrm{\&alpha;}\cos \frac{5\mathrm{\&alpha;}}{2}-({\mathrm{\&sigma;}}_{11}+{\mathrm{\&sigma;}}_{22})\cos \frac{3\mathrm{\&alpha;}}{2}\&rsqb;dA\end{array}$

其中，为疲劳循环载荷中由最大载荷计算得到的经塑性修正的应力强度因子值，为疲劳循环载荷中由最小载荷计算得到的经塑性修正的应力强度因子值，K_yc为远场作用下的应力强度因子，由裂纹完全张开时的载荷计算得到，ΔK_sc表示裂纹尖端塑性区引起的应力强度因子增量，A为围绕裂纹尖端的塑性区的面积，其包括裂纹扩展过程中所产生的塑性变形尾迹区，σ₁₁、σ₁₂、σ₂₂为裂纹尖端塑性区内的应力，由对裂纹尖端塑性区应力场的有限元计算分析得到,R为拉伸载荷与压缩载荷的比值；

2)构建各种裂纹的疲劳裂纹扩展速率曲线，以Paris公式为基础，考虑温度对疲劳裂纹拓展速率的影响，定义所述疲劳裂纹扩展速率的修正计算公式为：

T<0℃OR T>T_max时，

$\frac{da}{dN}=C{({\mathrm{\&Delta;K}}_{pc}-{\mathrm{\&Delta;K}}_T)}^M$

0℃≤T≤T_max时，

$\frac{da}{dN}=C{\left({\mathrm{\&Delta;K}}_{pc}\right)}^M$

式中，T为试验温度，T_max为设定的最高温度，T_max的取值范围为[35℃,40℃]，a为裂纹扩展长度，N为循环次数，C和M为材料常数，ΔK_T为拟合非正常温度下裂纹扩展性能曲面后分析得到的非正常温度断裂门槛值，体现了温度对扩展速率的影响，且ΔK_T的取值范围需满足[0,ΔK_pc)。

本优选实施例定义了应力强度因子幅ΔK_pc的计算公式，且考虑了裂纹尖端点的塑性变形区会对材料的疲劳断裂具有决定性的影响，并将裂纹尖端塑性区等效于一个含有相变应变的均质夹杂，从而定义的应力强度因子幅ΔK_pc可以很好地作为一个合理的力学参量来定量化地分析裂纹尖端塑性区对应力强度因子的影响；以Paris公式为基础，考虑了温度对疲劳裂纹拓展速率的影响，并定义了疲劳裂纹扩展速率的修正计算公式，提高了计算的精度，且简单实用。

优选的，所述裂纹扩展寿命循环数N的计算公式为：

$N={\&Integral;}_{a_0}^{a_c}\frac{1}{C{({\mathrm{\&Delta;K}}_{pc}-{\mathrm{\&Delta;K}}_T)}^M}$

本优选实施例确定了裂纹扩展寿命循环数N的计算公式，提高了寿命预测的速度。

本应用场景上述实施例的最高温度T_max设定为40℃，对金属材料表面的疲劳寿命预测的精度相对提高了10％。

最后应当说明的是，以上应用场景仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳应用场景对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (3)

1.用于金属材料表面缺陷的检测系统，其特征是，包括电化学检测传感器,所述电化学检测传感器包括网状柔性塑料板，所述网状柔性塑料板上安装有与其表面垂直的参比电极和位于参比电极的周边对称位置的辅助电极，所述的参比电极、辅助电极通过粘性材料与网状柔性塑料板相固定；所述参比电极为固体的Ag-AgCl电极，所述辅助电极与被测试样材料相同；参比电极与辅助电极的一端为工作面，另一端焊接有导线；所述参比电极与辅助电极除了工作面之外的其它部位涂有绝缘材料。

2.根据权利要求1所述的用于金属材料表面缺陷的检测系统，其特征是，所述网状柔性塑料板为圆形的网状柔性塑料板,直径尺寸为50mm。

3.根据权利要求2所述的用于金属材料表面缺陷的检测系统，其特征是，所述参比电极为直径2mm，长40mm的固体Ag-AgCl电极。