CN111351810A - 一种含多尺度缺陷金属断裂失效行为的分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及材料断裂失效分析领域，具体提供一种含多尺度缺陷金属断裂失效行为的分析方法，该分析方法中，金属材料中应含有至少两个尺度的缺陷。在本发明中，通过从小尺度到大尺度逐级预测各缺陷外周的力学性能，最终预测金属材料的断裂失效行为。通过上述方式预测金属材料的断裂失效区域，能够将第二缺陷至第N缺陷对基体性能的影响添加入有限元分析模型的分析过程中，降低第二缺陷至第N缺陷对分析预测的干扰。同时，依次预测第N‑1外周至第一外周的相关力学性能参数，与直接将远离缺陷外周的基体的相关力学性能参数作为配置参数相比，本发明提供的一种含多尺度缺陷金属断裂失效行为的分析方法，断裂失效分析预测的结果更精准。

Description

一种含多尺度缺陷金属断裂失效行为的分析方法
技术领域
本发明涉及材料断裂失效分析领域，具体涉及一种通过CT扫描和有限元分析技术，对含有多尺度缺陷的金属材料进行断裂失效行为分析预测的分析方法。
背景技术
唯象学模型虽然在材料性能和寿命预测方面比较准确，但其将材料假想为连续均匀的整体，常忽略局部缺陷作用，而在失效分析案例中，内部缺陷导致的断裂失效不在少数，构件内部缺陷的检测评估在失效分析中具有重要的作用。超声波探伤是目前最广泛的内部缺陷探伤方法，能够快速准确的获取构件内部的缺陷，但其探伤图像的分辨率较低，缺陷三维形貌特征不明显，不适合进行定量化分析，尤其是在分析多尺度缺陷发生交互作用时，难以获得准确的评估效果。
工业CT探伤是一种新型探伤方法，能够准确地获取材料内部缺陷的特征，通过调整CT仪的扫描倍率可以获得不同尺度下缺陷的三维形貌，在定量分析内部缺陷的类型、尺寸、形貌、分布等方面具有优势。基于CT扫描的定量结果，结合有限元软件可以对关键缺陷位置处进行定量分析。
现有的分析预测中，可通过CT扫描和有限元分析技术，对金属材料进行性能分析预测。当金属材料中含有孔洞或夹杂物等缺陷时，可将缺陷的三维形貌、性能参数以及基体的性能参数作为相关参量，对含有缺陷的金属材料进行性能分析预测。
在上述性能分析预测中，可通过纳米压痕测试或在数据库或文献中查找的方式获得缺陷的相关力学性能参量。在待测试的金属材料中，缺陷外周的基体与远离缺陷外周的基体会因缺陷的存在而出现不同的结构，由于缺陷外周的基体与缺陷相邻，纳米压痕测试时缺陷的存在会影响纳米压痕测试的准确性。因此，在上述性能分析预测中，多是通过纳米压痕测试获得远离缺陷外周的基体的相关力学性能参量，并将上述远离缺陷外周的基体的相关力学性能参量作为基体的性能参量。根据上述远离缺陷外周的基体的相关力学性能参量进行性能分析预测，获得的仅仅是在理想状态下待测试的金属材料的力学性能，上述分析预测结果与待测试的金属材料本身的力学性能有一定的偏差。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种含多尺度缺陷金属断裂失效行为的分析方法，旨在解决的问题是：现有技术中通过纳米压痕测试获得的基体的相关力学性能参量进行断裂失效行为的分析预测时，分析预测的结果与待测试的金属材料的实验结果有一定的偏差，分析预测的结果准确性差。
本发明提供一种含多尺度缺陷金属断裂失效行为的分析方法，该含多尺度缺陷金属断裂失效行为的分析方法，是通过CT扫描仪和有限元分析程序对金属材料的断裂失效行为进行分析预测。所述金属材料中含有至少两个尺度的缺陷，所述各尺度的缺陷根据缺陷的体积从大到小分别为第一缺陷至第N缺陷；所述第一缺陷至第N缺陷的外周分别为第一外周至第N外周；所述第N外周为已知力学性能参数的现有结构。
所述含多尺度缺陷金属断裂失效行为的分析方法通过以下步骤实现：
S1：制备试样，并通过CT扫描仪扫描所述试样，当所述试样的第一缺陷形貌清晰时，获取试样的第一倍率三维扫描图像。
S2：调整CT扫描仪的放大倍数，逐级扫描所述第一外周至第N外周，获取所述第一外周至第N-1外周的第二倍率三维扫描图像至第N倍率三维扫描图像。
S3：分别将第N倍率三维扫描图像至第一倍率三维扫描图像进行可视化处理，获取第N倍率三维结构模型至第一倍率三维结构模型；分别将第N倍率三维结构模型至第一倍率三维结构模型输入有限元分析程序，获得第N倍率有限元分析模型至第一倍率有限元分析模型；
设置各外周和各缺陷的相关力学性能参量，通过第N倍率有限元分析模型至第一倍率有限元分析模型从高倍率至低倍率依次预测，依次预测的内容包括第N-1外周至第一外周的相关力学性能以及待预测的金属材料的断裂失效行为；
所述第N-1外周至第一外周的相关力学性能参量分别由第N倍率有限元分析模型至第二倍率有限元分析模型预测获得。
优选的，所述第一缺陷至第N缺陷的外周，分别为相对应的缺陷放大一倍后，所能覆盖的范围。
再优选的，在所述步骤S2中，当所述缺陷为长条形时，所述扫描的范围，在所述缺陷的横截面面积最小处的外周选取。
再优选的，在所述步骤S2中，当所述缺陷带有棱角时，所述扫描的范围，在所述缺陷的棱角所指向的外周选取。
优选的，在本发明中，所述第N外周、第一缺陷至第N缺陷为已知力学性能参数的现有结构。
再优选的，在所述步骤S3中，所述第N外周、第一缺陷至第N缺陷的相关力学性能参量通过以下方式获得：
第一步：判断所述第N外周、所述第一缺陷至所述第N缺陷的结构类型；
第二步：根据所述结构类型，通过数据库或文献查找所述第N外周、所述第一缺陷至所述第N缺陷的力学性能参数。
优选的，在所述步骤S3中，所述第一缺陷至所述第N缺陷的力学性能参数通过纳米压痕测试获得。
优选的，所述任意相邻的两个尺度的缺陷之间体积之比大于或等于3。
本发明提供的一种含多尺度缺陷金属断裂失效行为的分析方法，与现有的分析预测技术相比，具有以下有益效果：
上述一种含多尺度缺陷金属断裂失效行为的分析方法，根据缺陷的大小将缺陷分为第一至第N缺陷，直至获得理想状态或接近理想状态、能够通过数据库或文献直接检索得知相关力学性能参数的第N外周。
根据检索得知的第N外周相关力学性能参数，以及通过现有技术可获得的第N缺陷的相关力学性能参数以及第N倍率三维扫描图像，通过第N倍率有限元分析模型预测第N-1外周的相关力学性能。
然后通过上述预测得知的第N-1外周的相关力学性能、可通过现有技术获得的第N-1缺陷的相关力学性能参数以及第N-1倍率三维扫描图像，通过第N-1倍率有限元分析模型预测第N-2外周的相关力学性能；依次类推，最终获得待预测的金属材料断裂失效行为。
通过上述方式获得待预测的金属材料的断裂失效行为，能够将第二缺陷至第N缺陷对基体性能的影响加入有限元分析模型的分析中，降低非理想状态对分析预测的干扰。
同时，依次预测第N-1外周至第一外周的相关力学性能参数，而第N-1外周至第一外周分别靠近各尺度缺陷，当金属材料出现失效状况时，裂纹多是在各尺度缺陷的外周产生，与直接将整个基体的相关力学性能参数作为有限元分析模型的配置参数相比，本发明提供的含多尺度缺陷金属断裂失效行为的分析方法，对金属材料的断裂失效行为进行的分析预测结果更精准。
需要说明的是，上述含多尺度缺陷金属断裂失效行为的分析方法，在有多个不同尺度的缺陷，且裂纹源在最大缺陷或最大缺陷附近时，预测的结果准确度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些具体实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例2中第一倍率三维扫描图像图。
图2为本发明实施例2中第二倍率三维扫描图像图。
图3为本发明实施例2中第三倍率三维扫描图像图。
图4为本发明实施例2中待预测的金属材料的应力分布图。
图5为本发明实施例2中图4中其中一个第一缺陷的应力分布图。
图6为本发明实施例2中在实验中与图5中第一缺陷类似的缺陷的断裂形貌图。
图7为本发明实施例3中第一倍率三维扫描图像图。
图8为本发明实施例3中第二倍率三维扫描图像图。
图9为本发明实施例3中待预测的金属材料的应力分布图。
图10为本发明实施例3中图9中其中一个第二缺陷的应力分布图。
图11为本发明实施例3中在实验中与图10中第二缺陷类似的缺陷的断裂形貌图
图12为本发明实施例3中预测结果与实验结果的应力-应变关系对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例1
本实施例提供一种含多尺度缺陷金属断裂失效行为的分析方法，该含多尺度缺陷金属断裂失效行为的分析方法，适用于含有至少两个尺度缺陷的金属材料。其中，不同尺度是指相邻尺度之间的缺陷大小差距较大，在具体观察中，当其中一个尺度的缺陷形貌清晰时，其相邻尺度的缺陷形貌是无法观察的，为了定量的描述，在本实施例中，不同尺度之间的缺陷之间体积之比应大于或等于3。
上述一种含多尺度缺陷金属断裂失效行为的分析方法，主要是通过CT扫描仪和有限元分析程序对金属材料的力学性能进行分析预测，为了描述的方便，在下述描述中，各尺度的缺陷根据缺陷的体积从大到小分别为第一缺陷至第N缺陷；第一缺陷至第N缺陷的外周分别为第一外周至第N外周；其中第一外周至第N-1外周因各外周中掺杂的缺陷等因素，是未知结构，工作人员无法通过现有资料中的材料信息直接得知其力学性能；其中第N外周为已知力学性能参数的现有结构，可直接通过查找文献或数据库等方式获知其性能参数；其中，第一缺陷至第N缺陷应为可通过现有技术获知其力学性能的缺陷，上述现有技术可以是查找文献或数据库，也可以是纳米压痕测试技术。
上述含多尺度缺陷金属断裂失效行为的分析方法通过以下步骤实现：
第一步：制备试样，并通过CT扫描仪扫描所述试样，当所述试样的第一缺陷形貌清晰时，获取试样的第一倍率三维扫描图像；
第二步：调整CT扫描仪的放大倍数，对第一缺陷的外周即第一外周进行扫描，获得第二倍率三维扫描图像。
依次持续上述步骤，直至扫描至第N外周，获取所述第一外周至第N-1外周的第二倍率三维扫描图像至第N倍率三维扫描图像。
上述第N外周为理想结构，该理想结构指的是第N外周的结构为已知结构，可直接通过查找文献或数据库等方式获知其力学性能参数。当扫描到的成像中缺陷的外周为已知结构时，此时该三维扫描图像为第N倍率三维扫描图像。
第三步：将第N倍率三维扫描图像进行可视化处理，获取第N倍率三维结构模型，将第N倍率三维结构模型输入有限元分析程序，获得第N倍率有限元分析模型；
通过CT扫描或其它方式确定第N外周的结构类型，然后根据该结构类型查找文献或数据库，以确定第N外周性能参数；同时通过查找文献或数据库、或者通过纳米压痕测试，确定第N缺陷的相关力学性能参量。在第N倍率有限元分析模型中设置上述第N外周和第N缺陷的相关力学性能参量，通过所述第N倍率有限元分析模型预测所述第N-1外周的相关力学性能；
第四步：将第N-1倍率三维扫描图像进行可视化处理，获取第N-1倍率三维结构模型，将第N-1倍率三维结构模型输入有限元分析程序，获得第N-1倍率有限元分析模型；
将上一步预测的第N-1外周的相关力学性能参数，作为第N-1外周的性能参数；同时通过查找文献或数据库，或者通过纳米压痕测试，以确定第N-1缺陷的相关力学性能参量；在第N-1倍率有限元分析模型中设置第N-1外周和第N-1缺陷的相关力学性能参量，通过所述第N-1倍率有限元分析模型预测所述第N-2外周的相关力学性能；
依次类推，依次获得第N-2外周至第一外周的相关力学性能；
第五步：将第一倍率三维扫描图像进行可视化处理，获取第一倍率三维结构模型，将第一倍率三维结构模型输入有限元分析程序，获得第一倍率有限元分析模型；
将上一步预测的第一外周的相关力学性能，作为第一外周的性能参数；同时通过查找文献或数据库，或者通过纳米压痕测试，以确定第一缺陷的相关力学性能参量；在第一倍率有限元分析模型中设置第一外周和第一缺陷的相关力学性能参量，通过所述第一倍率有限元分析模型预测金属材料的断裂失效行为。
上述一种含多尺度缺陷金属断裂失效行为的分析方法，当N等于2时，应省略第四步。上述一种含多尺度缺陷金属断裂失效行为的分析方法，根据缺陷的大小将缺陷分为第一至第N缺陷，直至获得理想状态或接近理想状态、能够通过数据库或文献直接检索得知相关力学性能参数的第N外周。
根据检索得知的第N外周相关力学性能参数、第N缺陷的相关力学性能参数以及第N倍率三维扫描图像，通过第N倍率有限元分析模型预测第N-1外周的相关力学性能。然后通过上述预测得知的第N-1外周的相关力学性能、通过其它任意现有技术获得的第N-1缺陷的相关力学性能参数、以及第N-1倍率三维扫描图像，通过第N-1倍率有限元分析模型预测第N-2外周的相关力学性能；依次类推，最终预测获得待预测的金属材料的断裂失效行为；当然，有需要时，还可以预测上述金属材料的其它力学性能。
通过上述方式获得第一外周的相关力学性能参数，能够将第二缺陷至第N缺陷对基体性能的影响加入有限元分析模型的分析过程中，与现有技术中忽略第二缺陷至第N缺陷相比，能够降低非理想状态对分析预测的干扰。
同时，依次预测第N-1外周至第一外周的相关力学性能参数，而第N-1外周至第一外周分别靠近各尺度缺陷，当金属材料出现失效状况时，裂纹多是在各尺度缺陷的外周产生，与直接将远离缺陷外周的基体的相关力学性能参数作为有限元分析模型的配置参数相比，本实施例提供的一种含多尺度缺陷金属断裂失效行为的分析方法，断裂失效的分析预测结果更精准。
具体的，在本实施例中，在金属材料整体及各缺陷外周力学性能的预测中，均是以各尺度缺陷的外周的力学性能作为基体的力学性能参数，以避免远离缺陷处的基体结构与靠近缺陷处的基体结构不同造成的预测误差。在本实施例具体操作中，所述第一缺陷至第N缺陷的外周，分别为相对应的缺陷放大一倍后，所能覆盖的范围。
其中，考虑到材料失效过程中，在本实施例的具体操作中，当所述缺陷为长条形时，所述扫描的范围，在所述缺陷的横截面面积最小处的外周选取；当所述缺陷带有棱角时，所述扫描的范围，在所述缺陷的棱角所指向的外周选取。
具体的，需要说明的是，上述N具体值的确定，以能够观察到已知结构为准，当扫描的图像为已知结构，工作人员可直接通过查找文献或数据库等方式获知其性能参数时，该扫描图像为第N倍率三维扫描图像，该扫描图像中的缺陷为第N缺陷，该第N缺陷的外周为第N外周。
需要说明的是，该N值应大于等于二，当N等于一时，可通过常规的预测方式预测金属材料的力学性能，无需本实施例提供的含多尺度缺陷金属断裂失效行为的分析方法进行预测。另需说明的是，当N值等于二时，上述第四步应省略。另外，上述N应小于等于五，当N值过大时，多次分析预测的误差叠加，将大幅度降低分析预测结果的准确度。
具体的，在本实施例中，上述第一缺陷至第N缺陷的相关力学性能参量工作人员应可通过现有技术直接获得，该现有技术可以是：
第一步：判断所述第一缺陷至所述第N缺陷的类型；
第二步：根据所述类型，通过数据库或文献查找所述第一缺陷至所述第N缺陷的性能参数。
该现有技术还可以是：纳米压痕测试。
当然，也可以通过上述两种技术分别获得第一缺陷至第N缺陷的性能参数，然后人工筛选合适的性能参数数值。
实施例2
实施例2是在实施例1的基础上，所作出的举例说明，在本实施例中，待预测的金属材料为镁铝合金，牌号为AZ91，其中包括基体和缺陷，各尺度缺陷均为Mg17Al12。如图1至图3所示，上述Mg17Al12根据缺陷体积的大小，分为三个尺度，即N＝3。
本实施例包括以下步骤：
第一步：制备试样，并通过CT扫描仪扫描所述试样，当所述试样的第一缺陷形貌清晰时，获取如图1所示的试样的第一倍率三维扫描图像；
第二步：调整CT扫描仪的放大倍数，对第一缺陷的外周即第一外周进行扫描，获得如图2所示的第二倍率三维扫描图像。
第三步：继续调整CT扫描仪的放大倍数，对第二缺陷的外周即第二外周进行扫描，当第三缺陷的形貌清晰时，获取试样的如图3所示的第三倍率三维扫描图像。
第四步：对第三缺陷的外周即第三外周进行电子探针测试，基体相为无缺陷的理想的固溶态合金，基体相中Al在Mg中的固溶度为2％，根据查找数据库，确定基体的性能参数为：杨氏模量(E)46.3GPa，泊松比(v)0.32，刚度系数(K)895MPa，塑性硬化指数(n)0.49。
第五步：将第一倍率三维扫描图像至第三倍率三维扫描图像进行可视化处理，分别获取第一倍率三维结构模型至第三倍率三维结构模型，分别将第一倍率三维结构模型至第三倍率三维结构模型输入有限元分析程序，分别获得第一倍率有限元分析模型至第三倍率有限元分析模型。
通过查找文献或数据库，确定第一缺陷至第三缺陷的相关力学性能参量，第一缺陷至第三缺陷均为Mg17Al12，Mg17Al12的相关力学性能参量为：杨氏模量(E)68.2GPa，泊松比(v)0.30。
第六步：在第三倍率有限元分析模型中设置第三外周和第三缺陷的相关力学性能参量，通过所述第三倍率有限元分析模型预测所述第二外周的相关力学性能。
第七步：根据第六步的结果，在第二倍率有限元分析模型中设置第二外周的相关力学性能参量；同时根据第五步获得的第二缺陷的相关力学性能参量，在第二倍率有限元分析模型中设置第二缺陷的相关力学性能参量。通过所述第二倍率有限元分析模型预测所述第一外周的相关力学性能。
第八步：根据第七步的结果，在第一倍率有限元分析模型中设置第一外周的相关力学性能参量；同时根据第五步获得的第一缺陷的相关力学性能参量，在第一倍率有限元分析模型中设置第一缺陷的相关力学性能参量。通过所述第一倍率有限元分析模型预测所述待预测的金属材料的断裂失效行为，上述待预测的金属材料的应力分布情况由图4和图5表征。
对图4中应力分布情况进行分析，待预测金属材料的应力集中部分为带有棱角的区域；由图5表征，此部分的应力高于材料的许用应力值，容易造成材料失效。图6为实际失效分析案例中AZ91合金的断裂形貌图，其结果与图5中第一缺陷的断裂形貌图基本一致。
实施例3
实施例3是在实施例1的基础上，所作出的举例说明，在本实施例中，待预测的金属材料为镁锌合金，牌号为ZK60，其中包括基体和缺陷MgZn2。如图7和图8所示，上述MgZn2根据缺陷体积的大小，分为两个尺度，即N＝2。
本实施例包括以下步骤：
第一步：制备试样，并通过CT扫描仪扫描所述试样，当所述试样的第一缺陷形貌清晰时，获取如图7所示的试样的第一倍率三维扫描图像；
第二步：调整CT扫描仪的放大倍数，对第一缺陷的外周即第一外周进行扫描，当第二缺陷的形貌清晰时，获得如图8所示的第二倍率三维扫描图像。
第三步：对第二缺陷的外周即第二外周进行扫描，经人工判断，该第二外周为理想状态的α-Mg，可直接通过查找文献或数据库等方式获知其力学性能参数。
第四步：将第一倍率三维扫描图像和第二倍率三维扫描图像进行可视化处理，分别获取第一倍率三维结构模型和第二倍率三维结构模型，分别将第一倍率三维结构模型和第二倍率三维结构模型输入有限元分析程序，分别获得第一倍率有限元分析模型和第二倍率有限元分析模型。
根据上述第三外周的扫描结果，确定第三外周为α-Mg相，然后根据该结构类型查找文献或数据库，以确定α-Mg的相关力学性能参数；α-Mg的相关力学性能为杨氏模量(E)39.5GPa，泊松比(v)0.35，刚度系数(K)908MPa，塑性硬化指数(n)0.51。
同时通过查找文献或数据库，确定第一缺陷至第二缺陷的相关力学性能参量，第一缺陷至第三缺陷即MgZn2的相关力学性能参量为杨氏模量(E)60.5GPa，泊松比(v)0.34。
第五步：在第二倍率有限元分析模型中设置上述的第二外周和第二缺陷的相关力学性能参量，通过所述第二倍率有限元分析模型预测所述第一外周的相关力学性能参量。
在本实施例中，预测的第一外周的相关力学性能参量如下所示：屈服强度(σy0.2)217MPa，抗拉强度(σUTS)343MPa，最大应变(εmax)9.8％。
第七步：根据第五步的结果，在第一倍率有限元分析模型中设置第一外周的相关力学性能参量；同时根据上一步获得的第一缺陷的相关力学性能参量，在第二倍率有限元分析模型中设置第一缺陷的相关力学性能参量。
通过所述第一倍率有限元分析模型预测所述待预测的金属材料的断裂失效行为，应力分布情况由图9表征。
第八步，对上述第七步获得的预测结果进行验证，该验证方法如下：
对图9中应力分布情况进行分析，待预测金属材料的应力集中部分为第二缺陷最小横截面处；由图10表征，此部分的应力高于材料的许用应力值，容易造成材料失效。图11为实际失效分析案例中ZK60合金的断裂形貌图，其结果与图10中第二缺陷的断裂形貌图基本一致。
通过常规实验获得待预测的金属材料的应力-应变曲线，并与上述第七步的第一倍率有限元分析模型预测结果进行对比；由图12表征，在图中实线为实验结果，虚线为上述第七步的第一倍率有限元分析模型预测结果，通过对比两条应力-应变曲线可知，通过本发明提供的含多尺度缺陷金属断裂失效行为的分析方法，预测结果较为准确。
当然，以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内，理应受到本发明的保护。

Claims (8)

1.一种含多尺度缺陷金属断裂失效行为的分析方法，其特征在于，
通过CT扫描仪和有限元分析程序对金属材料的断裂失效行为进行分析预测，所述金属材料中含有至少两个尺度的缺陷，所述各尺度的缺陷根据缺陷的体积从大到小分别为第一缺陷至第N缺陷；所述第一缺陷至第N缺陷的外周分别为第一外周至第N外周；所述第N外周为已知力学性能参数的现有结构；
所述多尺度金属有限元分析方法通过以下步骤实现：
S1：制备试样，并通过CT扫描仪扫描所述试样，当所述试样的第一缺陷形貌清晰时，获取试样的第一倍率三维扫描图像；
S2：调整CT扫描仪的放大倍数，逐级扫描所述第一外周至第N外周，获取所述第一外周至第N-1外周的第二倍率三维扫描图像至第N倍率三维扫描图像；
S3：分别将第N倍率三维扫描图像至第一倍率三维扫描图像进行可视化处理，获取第N倍率三维结构模型至第一倍率三维结构模型；分别将第N倍率三维结构模型至第一倍率三维结构模型输入有限元分析程序，获得第N倍率有限元分析模型至第一倍率有限元分析模型；
设置各外周和各缺陷的相关力学性能参量，通过第N倍率有限元分析模型至第一倍率有限元分析模型从高倍率至低倍率依次预测，依次预测的内容包括第N-1外周至第一外周的相关力学性能以及待预测的金属材料的断裂失效行为；
所述第N-1外周至第一外周的相关力学性能参量分别由第N倍率有限元分析模型至第二倍率有限元分析模型预测获得。
2.如权利要求1所述的含多尺度缺陷金属断裂失效行为的分析方法，其特征在于，
所述第一缺陷至第N缺陷的外周，分别为相对应的缺陷放大一倍后，所覆盖的范围。
3.如权利要求1或2所述的含多尺度缺陷金属断裂失效行为的分析方法，其特征在于，
在所述步骤S2中，当所述缺陷为长条形时，所述扫描的范围，在所述缺陷的横截面面积最小处的外周选取。
4.如权利要求1或2所述的含多尺度缺陷金属断裂失效行为的分析方法，其特征在于，
在所述步骤S2中，当所述缺陷带有棱角时，所述扫描的范围，在所述缺陷的棱角所指向的外周选取。
5.如权利要求1所述的含多尺度缺陷金属断裂失效行为的分析方法，其特征在于，
所述第N外周、第一缺陷至第N缺陷为已知力学性能参数的现有结构。
6.如权利要求5所述的含多尺度缺陷金属断裂失效行为的分析方法，其特征在于，
在所述步骤S3中，所述第N外周、第一缺陷至第N缺陷的相关力学性能参量通过以下方式获得：
第一步：判断所述第N外周、所述第一缺陷至所述第N缺陷的结构类型；
第二步：根据所述结构类型，通过数据库或文献查找所述第N外周、所述第一缺陷至所述第N缺陷的力学性能参数。
7.如权利要求1所述的含多尺度缺陷金属断裂失效行为的分析方法，其特征在于，
在所述步骤S3中，所述第一缺陷至所述第N缺陷的力学性能参数通过纳米压痕测试获得。
8.如权利要求1所述的含多尺度缺陷金属断裂失效行为的分析方法，其特征在于，
所述任意相邻的两个尺度的缺陷之间最大截面积之比大于或等于3。
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