2A50锻铝三点弯曲试验与高分辨率CT成像分析.pdf

２Ａ５０锻铝三点弯曲试验与高分辨率ＣＴ成像分析１３２Ａ５０锻铝三点弯曲试验与高分辨率ＣＴ成像分析—ＴｈｒｅｅｐｏｉｎｔＢｅｎｄｉｎｇＴｅｓｔｏｆ２Ａ５０ＦｏｒｇｉｎｇＡｌｕｍｉｎｕｍａｎｄ—ＡｎａｌｙｓｉｓｂｙＨｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎＣｏｍｐｕｔｅｄＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ敖波，邓翠贞，邬冠华（南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室，南昌３３００６３）——ＡＯＢｏ。ＤＥＮＧＣｕｉｚｈｅｎ，ＷＵＧｕａｎｈｕａ（ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＮｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅＴｅｓｔｉｎｇ（ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ），ＮａｎｃｈａｎｇＨａｎｇｋｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ３３００６３，Ｃｈｉｎａ）摘要：采用高频疲劳试验机对２Ａ５０锻铝缺口试样进行了三点弯曲试验，获得了含裂纹的ＣＴ检测试样。对疲劳试样进行了高分辨率ＣＴ三维重建，分析了裂纹ＣＴ图像的损伤特点；引人参考平面，将不同层的裂纹ＣＴ图像映射到参考平面定义了截面损伤危险度因子。ＣＴ分析结果表明：裂纹扩展过程中不同部位的疲劳损伤不均匀，三维可视化结果直观显示了裂纹的三维形态；截面损伤危险度因子约为０．３４，缺陷面积为最严重损伤截面面积的２．１倍。截面损伤危险度因子与疲劳周次呈单调递增关系，可用于度量＿【件的损伤状态。关键词：疲劳裂纹；三点弯曲试验；高分辨率ＣＴ；可视化；危险度因子中图分类号：ＴＧ¨５．２８文献标识码：Ａ—文章编号：１００１４３８１（２０１１）０５００１３０４—Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｅｅｐｏｉｎｔｂｅｎｄｉｎｇｔｅｓｔｏｆｎｏｔｃｈｅｄｓｐｅｃｉｍｅｎｓｏｆ２Ａ５０ｆｏｒｇｉｎｇａｌｕｍｉｎｕｍｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂｙｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｅｒ，ｓｐｅｃｉｍｅｎｓｏｆｃｏｍｐｕｔｅｄｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ（ＣＴ）ｗｈｉｃｈｃｏｎｔａｉｎｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋ—ｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．ＦａｔｉｇｕｅｓｐｅｃｉｍｅｎｗａｓｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｂｙｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎＣＴ，ＣＴｉｍａｇｅｓｏｆｃｒａｃｋｗｅｒｅ—ａｎａｌｙｓｅｄ；ａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｐｌａｎｅｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｃｒａｃｋｗａｓｐｒｏｊｅｃｔｅｄｏｎｔｈｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｐｌａｎｅｉｎａｌｌＣＴｉｍａ—ｇｅｓ，ａｎｄａｄａｍａｇｅｒｉｓｋｆａｃｔｏｒｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄａｍａｇｅｏｆｆａｔｉｇｕｅｉｓｕｎｅｖｅｎｉｎｄｉｆ—ｆｅｒｅｎｔｒｅｇｉｏｎｓ，ｔｈｅｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ（３Ｄ）ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｃｒａｃｋｉｓｖｉｓｕａｌｉｚｅｄ；ｔｈｅｖａｌｕｅｏｆｄａｍａｇｅｒｉｓｋｆａｃｔｏｒｉｓ０．３４，ｔｈｅｄｅｆｅｃｔａｒｅａｉｓ２．１ｔｉｍｅｓｔｈｅｓｉｚｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｓｅｒｉｏｕｓｄａｍａｇｅｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｄａｍａｇｅｒｉｓｋｆａｃｔｏｒｉｓｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄｖａｒｙｉｎｇａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｃｙｃｌｅｓ，ｉｔｃａｎｂｅｕｓｅｄｔＯｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄａｍａｇｅｏｆｆａｔｉｇｕｅ．—Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋ；ｔｈｒｅｅｐｏｉｎｔｂｅｎｄｉｎｇｔｅｓｔ；ｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎＣＴ；ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ；ｒｉｓｋｆａｃｔｏｒ材料疲劳破坏的本质是疲劳裂纹的萌生、稳定扩展和失稳断裂。近几年来，同内外航空领域发生多起冈疲劳裂纹未能及时发现造成的重大空难事故．航空构件中疲劳裂纹的检测与分析一直是重要的研究领域。虽然同内外对航空材料疲劳裂纹萌生、稳定扩展、失稳断裂过程进行了大量、深入的研究一，取得了大量研究成果，由于裂纹扩展研究复杂性高，难以对裂纹扩展做出准确的预测。现有的无损检测手段中除ＣＴ外其他检测手段无法同时准确获取三维裂纹的位置、尺寸、分布等信息，而表面裂纹（二维）无法全面反映内部裂纹（三维）。因此，探索裂纹扩展的三维分析理论对裂纹扩展预测具有重要的指导意义。高分辨率ＣＴ具有极好的空间分辨率，可以无损获取ｌＴ件的高分辨率三维图像，能清晰、准确、直观地显示Ｔ件内部详尽的三维信息。随着高分辨率ＣＴ的发展，同外如德国菲尼克斯公司率先推出了纳米焦点锥束工业ＣＴ（简称纳米ＣＴ）系统，其细节分辨能力可达到０．２～０．３ｍ。国内主要有中国科学院高能物理研究所、中国工程物理研究院应用电子学研究所、清华大学、中国科学技术大学同步辐射材料力学实验站等单位有研制高分辨率ＣＴ设备的能力，空间分辨率可达５ｍ。随着高分辨率ＣＴ设备在疲劳研究中的应用，国外在疲劳裂纹的高分辨率ＣＴ成像研究上进行了大量试验研究。典型代表有Ｋｈｏｒｌ８ｊ等利用三维可视化直观显示了裂纹，并揭示了裂纹是以体的形式存在，Ｂｕｆｆｉ￣ｒｅ等对疲劳短裂纹成核和短裂纹萌生阶段进行了高分辨率三维成像研究，ＱｉａｎＬｌ￣￣等对疲劳裂纹扩１６材料工程／２０１１年５期素）；Ｓ为参考平面有效区域的面积（单位：像素）。对本例，Ｓ一３６９５４，Ｓ一１０８１４９，根据式（４）计算得∞≈一Ｓ／Ｓ０．３４（５）采用最严重损伤截面计算损伤率得到损伤率一／ｓ．￣ｏ．１６（６）式中：为最严重损伤截面面积（单位：像素），本例中一１７２１４，即本工作采用的缺陷面积约为最严重损伤截面面积的２．１倍。≤≤由于ＳＳ，因此截面损伤危险度因子１，且裂纹扩展后一阶段包括前一阶段的裂纹，因此，截面损伤危险度因子与疲劳周次呈单调递增关系。早期的研究成果中关于短裂纹密度是疲劳损伤的一个良好度量参量还存在一些争议，争议的焦点在于短裂纹密度不一定具有恒增加的现象。疲劳周次越多，截面损伤危险度因子越大，裂纹扩展越大，工件越接近失效。由于投影后的面积包括最严重损伤截面的投影在内，这种投影后的截面损伤分析比以最严重损伤截面分析方法更偏向于安全。由于重建结果受到ＣＴ系统极限空间分辨率的影响，裂纹扩展尖端处尺寸低于极限空间分辨率的部分无法精确提取。６结论（１）通过２Ａ５Ｏ锻铝三点弯曲疲劳试验，得到了含裂纹的ＣＴ检测样本，进行了高分辨率ＣＴ三维重建。（２）采用可视化的方法进行了裂纹三维可视化。（３）引入了参考平面，采用投影方法给出了截面损伤危险度因子的定义，计算得到截面损伤危险度因子约为０．３４，而采用最严重损伤截面方法计算损伤率为０．１６，本工作采用的缺陷面积约为最严重损伤截面面积的２．１倍，可以采用截面损伤危险度因子来度量工件的损伤状态。［１］［２］Ｅ３］参考文献—ＬＩＰ，ＬＥＥＰＤ，ＭＡＩＪＥＲＤＭ，ｅｔａ１．Ｑｕａｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒ—ａｃｔｉｏｎｗｉｔｈｉｎｄｅｆｅｃｔｐｏｐｕｌａｔｉｏｎｓｏｎｆａｔｉｇｕｅｂｅｈａｖｉｏｒｉｎａｎａｌｕｍｉ—ｎｕｍａｌｌｏｙＥＪ］．ＡｃｔａＭａｔｅｒｉａｌｉａ，２００９，５７（１２）：３５３９３５４８．—ＺＨＡＮＧＨ，ＴＯＤＡＨ，ＱＵＰＣ，ｅｔａＬ．Ｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｇｒｏｗｔｈｂｅｈａｖｉｏｒｉｎａｎａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｗｉｔｈｉｎ—ｓｉｔｕｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎｘｒａｙｍｉｃｒｏｔｏｍｏｇｒａｐｈｙＥＪ］．ＡｃｔａＭａｔｅｒｉａｌｉａ，２００９，５７（１１）：３２８７３３００．ＭＯＬＥＮＴＬ，ＪＯＮＥＳＲ，ＢＡＲＴＥＲＳ，ｅｔａ１．Ｒｅｃｅｎｔｄｅｖｅｌｏｐ—ｍｅｎｔｓｉｎｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｇｒｏｗｔｈａｓｓｅｓｓｍｅｎｔＥＪ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒＥ４］［５］［６］Ｅ７］Ｅ８］Ｅ９］Ｅｌ０］［１１］—ｎａｌｏｆＦａｔｉｇｕｅ，２００６，２８（１２）：１７５９１７６８．ＳＩＥＧＬＪ，ＮＥＤＢＡＩＩ，ＫＵＮＺＪ．Ｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｇｒｏｗｔｈｈｉｓｔｏｒｙｉｎｄａｍａｇｅｔｏｌｅｒａｎｃｅｄｅｓｉｇｎｏｆａｉｒｃｒａｆｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ—ＪｏｕｒｎａｌｏｆＦａｔｉｇｕｅ，２００９，３１（６）：１０６２１０６７．刘新灵，张卫方，陶春虎．疲劳损伤定量分析与失效评估研究进展—ＥＪ］．失效分析与预防，２００６，１（１）：３５３９．王红，左华付，何训，等．某航空发动机第三级涡轮叶片失效分析—口］．失效分析与预防，２００７，２（１）：２４２８．张朝宗．工业ＣＴ技术与原理［Ｍ］．北京：科学出版社，２００９．—ＫＨＯＲＫＨ，ＢＵＦＦＩＥＲＥＪＹ，ＬＵＤＷＩＧＷ，ｅｔａ１．Ｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕ———ｔｉｏｎＸ。ｒａｙｔｏｍｏｇｒａｐｈｙｏｆｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｆｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｃｌｏ—ｓｕｒｅ［Ｊ］．ＳｃｒｉｐｔａＭａｔｅｒｉａｌｉａ，２００６，５５（１）：４７５０．ＦＥＲＲＩＥＥ，ＢＵＦＦＩＥＲＥＪＹ，ＩＵＤＷＩＧＷ．３Ｄｃｈａｒａｃｔｅｒｊｓａｔｉ０ｎ—ｏｆｔｈｅｎｕｃｌｅａｔｉｏｎｏｆａｓｈｏｒｔｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋａｔａｐｏｒｅｉｎａｃａｓｔＡ１ａｌ—ｌｏｙｕｓｉｎｇｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎｍｉｃｒｏｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ［Ｊ］．Ｉｎ—ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＦａｔｉｇｕｅ，２００５，２７（１０１２）：１２１５１２２０．—ＱＩＡＮＩ，ＴＯＤＡＨ，ＵＥＳＵＧＩＫ，ｅｔａ１．Ｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｖｉ—ｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｄｕｃｔｉｌｅｆｒａｃｔｕｒｅｉｎａｎＡＩＳｉａｌｌｏｙｂｙｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ—ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎＸｒａｙｍｉｃｒｏｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ８Ｌ—ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡ，２００８，４８３４８４（１５）±２９３２９６．—０ＨＧＡＫＩＴ，ＴＯＤＡＨ，ＳＩＮＣＩＡＩＲＩ，ｅｔａ１．ＱｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆＬｉｑｕｉｄＧａｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｉｎｔｏａｎａｌｕｍｉｎｉｕｍａＬｌｏｙｂｙ———ｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎＸｒａｙｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎ—ｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡ，２００６，４２７（１２）：１６．Ｅｌ２］ＧＥＲＭＡＮＥＡＵＡ，ＤＯＵＭＡＩＩＮＰ．ＤＵＰＲＥＪＣ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ［１３］［１４３［１５１［１６］——ｂｅｔｗｅｅｎＸ。ｒａｙｍｉｃｒｏ。ｃｏｍｐｕｔｅｄｔｏｍｏｇｒａｐｈｙａｎｄｏｐｔｉｃａｌｓｃａｎｎｉｎｇｔｏｍｏｇｒａｐｈｙｆｏｒｆｕｌｌ３ＤｓｔｒａｉｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｂｙｄｉｇｉｔａｌｖｏＬｕｍｅ—ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＮＤＴ＆ＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２００８，４１（６）：４０７４ｌ５．—ＬＩＭＯＤＩＮＮ，ＲＥＴＨ０ＲＥＪ，ＢＵＦＦＩＥＲＥＪＹ，ｅｔａ１．Ｃｒａｃｋｃｌｏｓｕｒｅａｎｄｓｔｒｅｓｓｉｎｔｅｎｓｉｔｙｆａｃｔｏｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｉｎｎｏｄｕｌａｒｇｒａｐｈｉｔｅ—ｅａｓｔｉｒｏｎｕｓｉｎｇｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａＬｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｏｆＬａｂｏｒａｔｏｒｙＸｒａｙｍｉｃｒｏｔｏｍｏｇｒａｐｈｙｉｍａｇｅｓ［Ｊ］．ＡｃｔａＭａｔｅｒｉａｌｉａ，２００９，５７（１４）：４０９０４１０１．ＴＯＤＡＨ，ＹＡＭＡＭ０ＴＯＳ，Ｋ０ＢＡＹＡＳＨＩＭ，ｅｔａ１．Ｄｉｒｅｃｔｍｅａｓ—ｕｒｅｍｅｎｔｐｒｏｃｅｄｕｒｅｆｏｒｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｌｏｃａｌｃｒａｃｋｄｒｉｖｉｎｇｆｏｒｃｅ—ｕｓｉｎｇｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎｘｒａｙｍｉｃｒｏｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ［Ｊ］．ＡｃｔａＭａｔｅｒｉａＬｉａ，２００８，５６（２０）：６０２７６０３９．ＱＵＰ，ＴｏＤＡＨ，ＺＨＡＮＧＨ，ｅｔａ１．Ｌｏｃａｌｃｒａｃｋｄｒｉｖｉｎｇｆｏｒｃｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆａｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｂｙａｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｔｒａｃｋｉｎｇｍｅｔｈｏｄ—［Ｊ］．ＳｃｒｉｐｔａＭａｔｅｒｉａＬｉａ，２００９，６１（５）：４８９４９２．段黎明，周渝庆．基于工业ＣＴ图像的材料疲劳寿命预测［Ｊ］．—重庆大学学报，２００８，３１（８）：８３１８３５．基金项目：航空科学基金资助项目（２００９０７５６００１）———收稿日期：２０１０１１－１０；修订日期：２０１１０３１５作者简介：敖波（１９７９一），男，博士，讲师，从事工业ＣＴ在材料疲劳应用方面研究工作，联系地址：江西省南昌市丰和南大道６９６号南昌航空大—学无损检测技术教育部重点实验室（３３００６３），Ｅｍａｉｌ：ａｏｂｏ０３２８＠１６３．Ｃ０ｍ