失效分析是一門發(fā)展中的新興學(xué)科，找出失效的原因，挖掘出失效的機(jī)理的活動(dòng)。在提高產(chǎn)品質(zhì)量，技術(shù)開發(fā)、改進(jìn)，產(chǎn)品修復(fù)及仲裁失效事故等方面具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。其中材料斷裂失效是材料(零件)失效中最嚴(yán)重的形式之一。金屬材料及其構(gòu)件內(nèi)部或表面上的裂紋是出現(xiàn)斷裂的根源，這種缺陷會(huì)造成材料或構(gòu)件的失效，甚至引發(fā)災(zāi)難性的后果。歷史上，一些金屬大橋的斷裂、車禍、飛機(jī)失事等，都是因金屬材料斷裂失效而引發(fā)的重大事故。因此，對(duì)材料的斷裂失效問題一直是各界研究的重點(diǎn)內(nèi)容。斷裂力學(xué)已在航空、航天、交通運(yùn)輸、化工、機(jī)械、材料、能源等工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
目前，金屬材料斷裂失效的研究方法主要為物理觀察檢驗(yàn)法和計(jì)算機(jī)模擬法。
物理觀察檢驗(yàn)法主要是針對(duì)靜態(tài)的斷口進(jìn)行仔細(xì)觀察和分析，包括在裸眼和低倍放大下檢查斷口表面的宏觀形貌，按照斷裂形貌特征和載荷性質(zhì)之間的關(guān)系來推斷斷裂的模式;也可采用掃描電子顯微鏡觀察斷口的微觀斷裂形貌，采用電子顯微鏡進(jìn)行斷口顯微形貌(斷口組織)和局部化學(xué)成分試驗(yàn)，確定材料斷裂機(jī)理。
計(jì)算機(jī)模擬法分為廣義有限元法(GFEM)、擴(kuò)展有限元法(XFEM)和廣義擴(kuò)展有限元法(GXFEM)。廣義有限元法是常規(guī)有限元方法在思想上的延伸，它是基于單位分解方法，通過在結(jié)點(diǎn)處引入廣義自由度，對(duì)結(jié)點(diǎn)自由度進(jìn)行再次插值，從而提高有限元方法的逼近精度，或滿足對(duì)特定問題的特殊逼近要求?；趶V義有限元法對(duì)單元形狀函數(shù)構(gòu)造理論的深入研究，具有任意內(nèi)部特征(空洞、夾雜、裂紋等)及外部特征(凹角、角點(diǎn)、棱邊等)的復(fù)雜問題，都將在簡單、且與區(qū)域無關(guān)的有限元網(wǎng)格上加以求解。
現(xiàn)有的材料測(cè)試和評(píng)估技術(shù)，即通過觀察或切取制樣進(jìn)行必要納米/微米尺度的掃描圖像和宏觀材料的測(cè)試，推測(cè)裂紋的產(chǎn)生原因與演變規(guī)律。存在的問題是，納米/微米尺度下的觀察太細(xì)、太局限而不能提供一個(gè)完整的圖片來描述材料的性能，比如材料在工程條件下的失穩(wěn)等，而宏觀測(cè)試卻不能提供材料的缺陷分布、破壞機(jī)理等根本性信息，這些信息可以用來識(shí)別薄弱環(huán)節(jié)以利于材料的重新設(shè)計(jì)或改善。此外，現(xiàn)有的微觀材料測(cè)試系統(tǒng)主要依賴于電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡。雖然電子顯微鏡已經(jīng)實(shí)現(xiàn)納米級(jí)分辨率，可也只能觀察到剖開破壞之后的試樣表面的微觀組織形貌。剖切試樣不僅需要極高的體力勞動(dòng)和昂貴的花費(fèi)，同時(shí)也破壞了一些微觀/中尺度的空位和裂紋。光學(xué)顯微鏡的缺點(diǎn)與上述相同，而且分辨率相對(duì)較低，也限制了領(lǐng)域的深度。采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)研究材料的損傷斷裂，多采用經(jīng)驗(yàn)性唯象模型，通過損傷變量等參數(shù)的引入進(jìn)而描述材料的狀態(tài)，導(dǎo)入計(jì)算機(jī)軟件模擬材料在不同加載環(huán)境下的損傷直至斷裂的全過程。但是由于模型引入的多元性、抽象性和不可靠性，使模擬結(jié)果不具備客觀真實(shí)性和準(zhǔn)確性。
CT (Computed Tomography) 識(shí)別技術(shù)是目前最先進(jìn)的無損檢測(cè)手段。近年來，隨著CT技術(shù)的發(fā)展，CT掃描的能量越來越大，峰值射線能量從幾百keV發(fā)展到幾十MeV;分辨率越來越高，空間分辨率已實(shí)現(xiàn)20~50Lp/mm，像素尺寸達(dá)微米數(shù)量級(jí)，CT圖像密度分辨率可達(dá)0.1%，甚至更高;掃描速率越來越快，在高能條件下，閃爍探測(cè)器探測(cè)效率可達(dá)16~20bit的動(dòng)態(tài)范圍，讀出速率在微秒量級(jí)。目前，CT識(shí)別技術(shù)已經(jīng)不僅局限于無損探傷，而是廣泛地應(yīng)用于巖土工程、混凝土、瀝青混合料、金屬材料以及反求工程等領(lǐng)域。
目前，工業(yè)CT在材料失效領(lǐng)域的應(yīng)用，多集中于裂紋的萌生擴(kuò)展，通過圖像處理技術(shù)，分析提取掃描圖像中的有效信息也成為研究的熱點(diǎn)。在短裂紋研究方面，徐夏剛等。]基于CT系統(tǒng)，利用結(jié)構(gòu)實(shí)體幾何模型，提出了一種短裂紋有效模擬方法。采用工業(yè)CT(Computed Tomography)技術(shù)對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行掃描，并對(duì)其斷層圖像進(jìn)行對(duì)比度增強(qiáng)、離群濾噪等圖像處理，獲得較為準(zhǔn)確、清晰的裂紋圖像，且與裂紋實(shí)際情況吻合良好。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，裂紋區(qū)域和鄰近區(qū)域的密度要低于正常區(qū)域的密度，材料內(nèi)部的疲勞損傷呈現(xiàn)不均勻性。
完善工業(yè)CT技術(shù)：CT技術(shù)的快速發(fā)展是其在材料失效分析領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破性進(jìn)展的必要條件。更高分辨率、更小的尺寸精度、更精準(zhǔn)的重建算法及更有效的圖像處理技術(shù)，方可實(shí)現(xiàn)觀測(cè)到材料內(nèi)部更細(xì)觀尺度的損傷缺陷。
材料原位加載內(nèi)部動(dòng)態(tài)分析:基于工業(yè)CT系統(tǒng)平臺(tái)，輔助相關(guān)加載設(shè)備，實(shí)現(xiàn)材料原位動(dòng)態(tài)無損的觀察，對(duì)于研究材料的損傷斷裂非常有必要。
工業(yè)CT系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)模擬相結(jié)合:相比于傳統(tǒng)基于物理試驗(yàn)或是模型構(gòu)建材料初始狀態(tài)，模擬各種加載條件下的材料損傷變形斷裂情況，實(shí)現(xiàn)基于工業(yè)CT系統(tǒng)的有限元模擬分析，對(duì)于材料在工程實(shí)踐中的應(yīng)用提供更加準(zhǔn)確的指導(dǎo)有重大的現(xiàn)實(shí)意義
