[发明专利]材料的断裂表面的开裂机制的表征方法

说明书

本发明公开了一种材料的断裂表面的开裂机制的表征方法，其从位于断裂面平面所有点和相对平面断裂面高构成的地形图入手，包括：第二阶段，该地形图每个点都确定变量，该变量确定以表述平均高差，给定点断面高和以给定点为中心半径为的圆内一个或多个点断面高度的高差，所有变量定义所有点的函数。该表征方法用于确定损伤区的特征尺寸，能提供导致结构压裂过程的信息，比如微裂纹形状和/或长度、密度或开裂速度。

技术领域

本发明涉及材料表征领域，尤其涉及分析至少一个断面结构开裂的断口学。本发明主要用来确定结构开裂过程中损伤区特征长度，确定结构组成材料开裂的韧性和能量。更确切地说，本发明涉及已经开裂固态结构断裂面的表征方法，该方法基于地形图统计数据分析，地形图由断裂面平面上所有的点，以及相对于平面的断裂面高组成。

背景技术

碎块断裂面形态学研究能得到许多关于碎块材料特性信息，以及导致开裂的开裂机理信息。尤其表明各种各样非均质材料，其断裂面有共性，尽管其微观开裂机理由于材料不同各有不同(Bouchaud，E.：裂纹的缩放性能，J.Phys.Condens.Matter 9,4319-4344,1997)。大量实验研究表明断裂面在一个很大的长度范围内自仿射，即，表面变化方向上高度相对幂律横坐标的空间演变相关函数。因此，变化方向上高度相关函数如下：

Δh(Δr)＝(h(r+Δr)-h(r))²_r^1/2

空间演变函数可作：

Δh/l＝(Δr/l)^H

这里h是横坐标r的高度，Δh是两点点距Δr的平均高度差，指数H是粗糙指数，也称作指数Hurst，l是Δh(Δr＝l)＝l的长度。很多研究总结出H值很普遍，各向同性，基本上等于0.75。

FR2892811专利申请中，Hurst指数实际上各向异性。特别是，在裂纹扩展方向，β值基本上等于0.60，在平行于裂纹方向，ζ值基本上等于0.75。因此裂纹扩展方向Hurst指数值更小。这种各向异性可以追溯到裂纹扩展方向。

美国专利申请2013/013223中采用另一种方法，从分析其断裂面入手，来确定结构的力学性能。更具体地说，该方法基于条纹线密度立体图测量。由于大量充放电，是这些条纹线疲劳断裂模式下的特定图案。每个条纹线对应断裂面上点高度的变化。发明人提出条纹线密度和其疲劳强度材料力学性能表征的关系。特别是，条纹线密度与充放电循环过程中应力强度因子ΔK的变化有关。由于从断裂面提取的数据性质，该方法只适用于在疲劳断裂。此外，条纹线地确定，在断裂面上，确定阀值以区分跳变中更大的跳变。为提供可靠结果，该阈值应与特殊预防措施一起确定。最后，断裂面条纹线数量相对较低，通常在20条左右。因此，该方法基于少量信息，从而防止不同区域断裂面出离，限制结果精确性。

现有技术不能推断断裂面形态分析和损伤区尺寸。该损伤区对应裂纹尖端区域，该处产生气穴和微裂纹耗散机理。损伤区尺寸与材料的断裂能有关，因此与其韧性相关。韧性体现材料抵抗裂纹扩展的能力。

先进的成像技术在施行过程中可以观察开裂过程。然而，由于过程速度快和相关尺寸，很难观察和量化该过程。此外，由于其位置和发生时刻，开裂很难预测。尤其是当我们试图分析工业机或飞机碎块开裂原因，比如坠毁后。

因此，从分析碎块断裂面入手，有必要提供一个方法来确定至少一个数据，关于碎块材料断裂机制，甚至有关其强度的数据。分析过程中，该数据可以用来算后检查，确定碎块开裂条件和原因。值得注意的是，确定材料开裂模式和材料强度相关数据，通过断口分析可以了解部分碎块开裂的相同地方及断裂表面不同位置的材料开裂。

发明内容

本发明首要目的是提供固态断裂面的表征方法，用于确定损伤区的特征尺寸。

本发明的另一目的是提供导致结构压裂过程的信息。相关信息有微裂纹形状和/或长度、密度或开裂速度。