[发明专利]基于高度扩展-景深合成表征金属材料韧性断裂的方法

说明书

本发明公开了基于高度扩展‑景深合成表征金属材料韧性断裂的方法，应用于表征材料韧性断裂的方法技术领域，包括以下步骤：S1实验所需试样制备步骤；S2实验开始准备步骤；S3实验参数设置步骤；S4拉伸实验开启步骤；S5拉伸实验中试样图像获取和分析步骤。本发明采用高度扩展‑景深合成记录原位拉伸微观断裂过程，在无需停止拉伸试验条件下消除试样塑性变形引起的高度差效应，准确观察裂纹萌生及其扩展过程并揭示其机理，能记录裂纹动态演化过程并实现断裂路径的预测，获得图像清晰度高；利用金属自带纹理即可通过DIC技术获得应变‑位移场，且能有效避免有限元辅助的理想化的分析，具有操作简单，高效率，精准度高。

技术领域

本发明涉及表征材料韧性断裂的方法技术领域，更具体的说，涉及基于高度扩展-景深合成表征金属材料韧性断裂的方法。

背景技术

海洋石油结构平台中存在一些高应力区域，其管线钢在服役过程中经常受到外部条件作用发生一定应变程度的变形，会承受较大的位移和应变，较大体积引起的载荷、桩腿承载不均以及极端恶劣环境下加剧了结构平台的失效，而在管道失效形式中，拉伸断裂是导致结构平台彻底失效的主要原因之一，会造成巨大经济损伤。

原位拉伸过程中，由于材料发生剧烈的塑性变形，导致在光学显微镜下难以清晰观察其断裂过程；在扫描电镜(SEM)下，以卡尔蔡司sigma300为例，若想得到清晰SEM图像，需大幅度降低SEM中扫描速率保持图像清晰，高放大倍数下需将待观察区域冻结后方可进行拍摄，甚至需暂停原位拉伸实验方可完成拍摄，导致原位拉伸过程数据有限，严重限制材料断裂机理的分析，并且扫描电镜下材料对比度较低，若想通过数字图像相关技术(DIC)分析材料应变-位移需进行材料待观察面特殊处理，如表面喷金、表面烧结制备随机纹理等方式，但会严重降低实验效率。

目前表征试样拉伸过程的主要方法之一是通过高速摄像机记录的，但高速摄像机方法放大倍数有限，且图片数据存储量极多，导致后续分析工作量极大。有限元分析方法则需要合适的模型及精确的材料参数，且在实际工程中，材料结构件通常存在有孔洞、缺口等缺陷，破坏原本均匀的应力模式，甚至会改变材料断裂路径，导致有限元算法的到的结果与实际应用存在一定的误差。

因此，提供一种基于高度扩展-景深合成表征金属材料韧性断裂的方法，精确记录并表征高应变/塑性变形下材料的断裂过程，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了基于高度扩展-景深合成表征金属材料韧性断裂的方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于高度扩展-景深合成表征金属材料韧性断裂的方法，包括以下步骤：

S1、实验所需试样制备步骤：通过线切割技术制备实验所需试样，对试样一侧表面研磨、抛光和腐蚀后得金相面；

S2、实验开始准备步骤：将试样固定于微型原位拉伸台，并将拉伸台放置于超景深显微系统的载物台中央；

S3、实验参数设置步骤：调整超景深显微镜焦距，至试样金相面图像清晰后进行倍数放大，在金相面选取一个大小为x×y像素区域作为自动高度扩展-景深合成区域并拍摄，通过Matlab分析该区域的灰度分布；

S4、拉伸实验开启步骤；

S5、拉伸实验中试样图像获取和分析步骤。

优选的，步骤S1的具体内容为：通过线切割技术将材料切成试验所需试样，利用超声清洗去除试样表面机加工残留的污渍，清洗时间5～10min，通过砂纸研磨试样待观察面，对待观察面抛光、腐蚀后得到金相面。

优选的，步骤S2的具体内容为：将试样通过夹块固定在微型原位拉伸台，通过控制线将微型原位拉伸台连接至控制台，并设定拉伸试验参数，后将装有试样的微型原位拉伸台放置在超景深显微镜的载物台中央。

优选的，控制台由计算机进行控制。