2011年美國一架波音737客機(jī)5min內(nèi)急降7600m，導(dǎo)致此次事故的原因是飛機(jī)中段過道上方機(jī)身有一個(gè)1.8m長的破洞，若非飛機(jī)成功迫降，則很可能出現(xiàn)大的安全事故。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。
現(xiàn)有的材料測試和評估技術(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試，推測裂紋的產(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。
工業(yè)CT(Computed Tomography)識別技術(shù)是目前最先進(jìn)的無損檢測手段。近年來，隨著工業(yè)CT技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)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，工業(yè)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，閃爍探測器探測效率可達(dá)16~20bit的動態(tài)范圍，讀出速率在微秒量級。目前，工業(yè)CT識別技術(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。基于工業(yè)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。
采用計(jì)算機(jī)斷層掃描(Computed Tomography，CT)技術(shù)對試驗(yàn)件進(jìn)行掃描，并對其斷層圖像進(jìn)行對比度增強(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。采用三維x射線計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)對AM60鎂合金的損傷進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)工業(yè)CT可以對孔進(jìn)行精確地測量和3D建模。采用X—CT研究了焊接結(jié)構(gòu)破壞過程中的宏細(xì)觀損傷演化特征及其表征方法，以含細(xì)觀裂紋的焊接構(gòu)件為對象，提出了一種多尺度損傷的表征方法，以同時(shí)描述結(jié)構(gòu)宏觀損傷特性與內(nèi)部細(xì)觀裂紋擴(kuò)展特性。結(jié)果表明，新的多尺度損傷表征方法能夠很好地描述細(xì)觀裂紋到宏觀損傷的多尺度演化過程。采用微焦點(diǎn)CT對LY12鋁合金疲勞試樣進(jìn)行了掃描與重建，獲得了密度場圖像庫，并提取了試樣內(nèi)部的三維裂紋形態(tài)。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):工業(yè)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)部動態(tài)分析:基于工業(yè)CT系統(tǒng)平臺，輔助相關(guān)加載設(shè)備，實(shí)現(xiàn)材料原位動態(tài)無損的觀察，對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
