Способ оценки характера излома сплава с использованием фрактального анализа Российский патент 2025 года по МПК G01N19/08 

Изобретение относится к оценке усталостной прочности материала с целью получения информации, необходимой для прогнозирования поведения его в процессе эксплуатации в тех или иных условиях.

Известен способ определения критических параметров трещиностойкости конструкционных материалов, в котором на больших гранях заготовки листового материала выполняют боковые канавки и термообрабатывают материал в зоне боковых канавок для снятия остаточного напряжения, нагружают заготовку растяжением до предельных деформаций материала, вырезают из заготовки образец для испытания на трещиностойкость и между боковыми канавками выполняют надрез, наружают образец до скачкообразного развития трещины из вершины надреза и по результатам испытания определяют критические параметры трещиностойкости по схеме трехточечного изгиба (а.с. SU 1753336, МПК G01N 3/00, 1992 г.).

Недостатком известного способа является его сложность, обусловленная необходимостью дополнительной термообработки, большим расходом материала, необходимостью использования специальной установки для испытаний.

Известен способ численного расчета траектории распространения трещины, содержащий напряжение в вершине трещины, включающий следующие этапы: создание численной расчетной модели, разделение сеток, приложение внешней нагрузки и вычисление коэффициента интенсивности напряжений в вершине трещины и условия несингулярного напряжения; корректировка критерия разрушения при окружной деформации путем использования условия несингулярного напряжения в вершине трещины; комбинируя скорректированный критерий разрушения с методом приращения распространения трещины, получают критическое напряжение зарождения трещины и критический угол зарождения трещины, требуемые для распространения трещины, затем определяют положение вершины новой трещины в соответствии с полученным критическим углом зарождения трещины и заданным приращением распространения трещины и обновляют модель численного расчета таким образом, чтобы выполните расчет процесса распространения трещины на следующем этапе и повторяют этот процесс до тех пор, пока не будет завершено полное распространение трещины (патент CN 111680434; МПК G06F30/13, G06F30/23, G06F111/10; 2023 г.).

Недостатком способа является его низкая информативность, поскольку расчетным путем определяют только возможное распространение трещины, но нет данных о критических параметрах интенсивности напряжения.

Известен способ оценки усталостной прочности детали с концентрацией напряжений, включающий этапы: получение заданного коэффициента напряжений, который является произвольно заданным коэффициентом напряжений; получение коэффициента напряжений; этап расчета естественного размера трещины, на котором вычисляется размер собственно трещины, предполагаемый на поверхности детали, этап получения заданного номинального напряжения, заключающийся в получении заданного номинального напряжения, которое представляет собой номинальное напряжение, произвольно установленное на поверхности сосредоточенной детали; этап определения заданного номинального напряжения, заключающийся в получении заданного номинального напряжения путем задания глубины от поверхности участка концентрации напряжений, когда заданное номинальное напряжение воздействует на участок концентрации напряжений, этап расчета распределения напряжений по глубине, который представляет собой распределение напряжений в направлении естественной трещины., этап расчета распределения напряжений, на котором вычисляется предполагаемый диапазон коэффициента интенсивности напряжений, который представляет собой диапазон коэффициента расширения внутренней трещины, основанный на размере конкретной трещины и глубине напряжения, этап проверки диапазона предполагаемого коэффициента интенсивности напряжений, на котором определяется, совпадает ли предполагаемый диапазон коэффициента интенсивности напряжений с нижним пределом диапазона коэффициентов интенсивности напряжений; этап определения расчетной усталостной прочности, на котором заданное номинальное напряжение определяется как расчетная усталостная прочность, когда оно определяется с помощью диапазона предполагаемых коэффициентов интенсивности напряжений, этап проверки того, что диапазон предполагаемых коэффициентов интенсивности напряжений совпадает с диапазоном коэффициентов интенсивности напряжений нижнего предела; и оценка усталостной прочности по усталостной прочности по предлагаемой формуле (заявка JP 2018141703; МПК G01N3/32; 2018 г.).

Недостатком способа является его сложность вследствие большого количества необходимых измерений и вычислений.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ оценки характера излома металла, заключающийся в получении изображения излома и его анализа, при этом предварительно проводятся испытания на ударный изгиб исследуемого металла в диапазоне температур от -100°С до +20°С, получают изображения изломов для каждого исследуемого образца с высокой резкостью и проводят фрактографический анализ для выявления вязкой и хрупкой составляющей в изломе, предварительную обработку изображения излома проводят путем выделения зоны излома, выравнивания яркости изображения, вейвлет, фильтрация и бинаризация выделенной зоны, после чего изображение разбивается на 100 одинаковых по размеру участков и производится оценка фрактальной размерности изображения, полученные данные служат входными данными для искусственной нейронной сети (ИНС) классификации, на выходе которой получают 2 класса, а именно вязкий и хрупкий излом в долях каждого класса, которые в сумме дают 100%, в процессе обучения нейронной сети производится сравнение выходных параметров ИНС с результатами фрактографического анализа, причем ИНС считается обученной при достижении ошибки на этапе сравнения для всех исследуемых изломов материала не более 3%, после этого ИНС работает в автоматизированном режиме и получает на выходе процентное соотношение вязкой и хрупкой составляющей в изломе для полученных исследуемых изображений изломов путем их предварительной обработки, разбивки на несколько зон и расчета фрактальной размерности изображения (патент RU 2780295; МПК G01 19/08, G06N 20/00; 2022 г.) (прототип).

Недостатками способа являются, во-первых, его сложность вследствие необходимости обучения нейросети в процессе использования; во-вторых, низкая информативность вследствие отсутствия данных по критичеким параметрам трещиностойкости.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать более простой и более информативный способ оценки характера излома сплава.

Поставленная задача решена в предлагаемом способе оценки характера излома металла с использованием фрактального анализа, включающем получение трещины излома на поверхности сплава, получение исходного изображения трещины на экране ЭВМ с использованием электронного микроскопа, определение фрактальной размерности изображения путем наложения калибровочного набора на исходное изображение, полученное на экране ЭВМ, отличающийся тем, что получают трещину Палмквиста по отпечатку индектора Виккерса, определяют ее линейную длину с использование растровой электронной микроскопии, затем покрывают изображение квадратами одинаковой площади, длина стороны которых выражена в пикселях, при этом количество квадратов фиксируют на экране ЭВМ и вычисляют фрактальную размерность контура трещины с использованием компьютерной обработки, после чего вычисляют длину трещины Палмквиста в зависимости от увеличения изображения по формуле

L(M₂) = L(M₁)(M₂/M₁)^D-1 (1), где

М₁ и М₂ - длина трещины Палмквиста в зависимости от масштаба; D - фрактальная размерность контура трещины, а затем определяют критический коэффициент интенсивности напряжения К_1с по формуле

К_1с = 0,0742 P/L(M₂)^3/2 (2), где

P - нагрузка индентирования, L(M₂) - длина трещины Палмквиста с учетом фрактальной размерности.

В настоящее время неизвестен способ оценки характера излома металла с использованием фрактального анализа путем получения трещины Палмквиста по отпечатку индектора Виккерса, определения ее линейной длины с использование растровой электронной микроскопии, с последующим покрытием изображения, полученного на экране ЭВМ, квадратами одинаковой площади, длина стороны которых выражена в пикселях, с фиксацией количества квадратов на экране ЭВМ и вычисления фрактальную размерность контура трещины с использованием компьютерной обработки с последующим вычислением длины трещины Палмквиста и определением критического коэффициента интенсивности напряжения К_1с по формулам.

Разрабатывая способ оценки характера излома металла, авторы исходили из того, что практический способ оценки трещиностойкости материала должен давать информацию необходимую для прогнозирования поведения материала в процессе эксплуатации в тех или иных условиях. Эффективность программы оценки трещиностойкости материала определяется тем, насколько способы, используемые в программе, позволяют получать требуемые данные с минимальным числом испытаний, не прибегая к дорогостоящим экспериментам. Именно использование фрактального анализа служит этой цели, поскольку зная фрактальную размерность трещины можно относительно просто установить зависимость критического коэффициента интенсивности напряжений от длины трещины Палмквиста. Необходимо учитывать, понятие хрупкого поведения твердого тела означает малую вязкость при его разрушении, то есть наличие упругого состояния до его разрушения. Можно считать, что вязкость разрушения твердого тела представляет собой характеристику материала, которая характеризует сопротивление развития трещины в материале под действием приложенной к нему нагрузки. Для определения критерия неустойчивости материала к разрушению за счет возникновения в нем трещины требуется установить связи между прочностью и энергией, необходимой для образования новых поверхностей трещины, а так же с упругими свойствами материала и длиной трещин, образовавшихся при нормированной нагрузке. Это дает информацию о развитие диссипативных процессов в материале, которые прогрессирует с увеличением длины распространяющейся трещины. В связи с чем, коэффициент K_1c можно использовать как силовой критерий динамики развития процесса разрушения композиционных материалов и относительно просто количественно определить с помощью математического выражения.

Предлагаемый способ оценки характера излома металла с использованием фрактального анализа может быть осуществлен следующим образом. На повехности сплава получают трещину Палмквиста путем вдавливания индектора Виккерса, получают исходное изображение трещины на экране ЭВМ с использованием электронного микроскопа, затем определяют ее линейную длину с использование растровой электронной микроскопии, после чего покрывают изображение квадратами одинаковой площади, длина стороны которых выражена в пикселях, при этом количество квадратов фиксируют на экране ЭВМ и вычисляют фрактальную размерность контура трещины с использованием компьютерной обработки. Для вычисления фрактальной размерности изображения микротрещины используют специально разработанную компьютерную программу Сетка (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2021668188) (Grider), после чего вычисляют длину трещины Палмквиста в зависимости от увеличения изображения по формуле

L(M₂) = L(M₁)(M₂/M₁)^D-1 (1), где

М₁ и М₂ - длина трещины Палмквиста в зависимости от масштаба; D - фрактальная размерность контура трещины (И.Г. Григоров, Ю.Г. Зайнулин, А.Г. Григоров «Исследование изображений микротрещин Палмквиста методом фрактального анализа», Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2018, т. 84, №1), а затем определяют критический коэффициент интенсивности напряжения К_1с по формуле

К_1с = 0,0742 P/L(M₂)^3/2 (2), где

P - нагрузка индентирования, L(M₂) - длина трещины Палмквиста с учетом фрактальной размерности (Баринов С.М., Шевченко В.Я. «Прочность технической керамики», М.: Наука, 1996, 159 стр.).

На фиг. 1 изображен вид отпечатка от индектора Виккерса с размерами длины трещин Палмквиста.

На фиг. 2 изображен вид микротрещины Палмквиста на шлифе поверхности сплава марки КНТ 7.

На фиг. 3 представлено изображение после его обработки программой Grider.

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется примером конкретного исполнения путем оценки характера излома сплава марки КНТ 7 (ГОСТ 26530-85; состав TiCN - 93%, (Ni+Mo) - 3%) c использованием фрактального анализа. На повехности сплава КНТ 7 получают трещину Палмквиста путем вдавливания индектора Виккерса (см. фиг. 1), получают исходное изображение трещины на экране ЭВМ с использованием электронного микроскопа (см. фиг. 2), затем определяют ее линейную длину с использование растровой электронной микроскопии (L(200) = 167,71 мкм и 156,60 мкм), после чего покрывают изображение квадратами одинаковой площади, длина стороны которых выражена в пикселях, при этом количество квадратов фиксируют на экране ЭВМ и вычисляют фрактальную размерность контура трещины с использованием компьютерной обработки, получают фрактальную размерность контура трещины D, равную 1,2. Для вычисления фрактальной размерности изображения микротрещины используют специально разработанную компьютерную программу Сетка (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2021668188) (Grider), после чего вычисляют длину трещины Палмквиста в зависимости от увеличения изображения по формуле

L(M₂) = L(M₁)(M₂/M₁)^D-1 (1), где

М₁(200) = 167,71 мкм и 156,60 мкм и М₂(2000) = 264,98 мкм и 247,43 мкм; а затем определяют критический коэффициент интенсивности напряжения К_1с по формуле

К_1с = 0,0742 P/L(M₂)^3/2 (2), где

P - нагрузка индентирования(29 кг), L(M₂) - 264,98 мкм и 247,43 мкм или К_1с ~ 0,0742⋅10³⋅P/L(M₂)^3/2 или К_1с ~ 15000/ М₂(2000). Получаем для L ~ 265 мкм К_1с ~ 3,5 МПа⋅м; для L ~ 247 мкм К_1с ~ 3,9 МПа⋅м.

Таким образом, автором предлагается более простой способ оценки характера излома металла с использованием фрактального анализа, повышая его информативность за счет определения критического коэффициента интенсивности напряжения.

Изобретение относится к оценке усталостной прочности материала с целью получить информацию, необходимую для прогнозирования поведения его в процессе эксплуатации в тех или иных условиях. Способ включает получение трещины излома на поверхности сплава, получение исходного изображения трещины на экране ЭВМ с использованием электронного микроскопа, определение фрактальной размерности изображения путем наложения калибровочного набора на исходное изображение, полученное на экране ЭВМ. При этом получают трещину Палмквиста по отпечатку индектора Виккерса, определяют ее линейную длину с использованием растровой электронной микроскопии, затем покрывают изображение квадратами одинаковой площади, длина стороны которых выражена в пикселях. При этом количество квадратов фиксируют на экране ЭВМ и вычисляют фрактальную размерность контура трещины с использованием компьютерной обработки, после чего вычисляют длину трещины Палмквиста в зависимости от увеличения изображения по формуле. Технический результат заключается в упрощении и повышении информативности способа. 3 ил.

Способ оценки характера излома металла с использованием фрактального анализа, включающий получение трещины излома на поверхности сплава, получение исходного изображения трещины на экране ЭВМ с использованием электронного микроскопа, определение фрактальной размерности изображения путем наложения калибровочного набора на исходное изображение, полученное на экране ЭВМ, отличающийся тем, что получают трещину Палмквиста по отпечатку индектора Виккерса, определяют ее линейную длину с использованием растровой электронной микроскопии, затем покрывают изображение квадратами одинаковой площади, длина стороны которых выражена в пикселях, при этом количество квадратов фиксируют на экране ЭВМ и вычисляют фрактальную размерность контура трещины с использованием компьютерной обработки, после чего вычисляют длину трещины Палмквиста в зависимости от увеличения изображения по формуле

L(M₂) = L(M₁)(M₂/M₁)^D-1 (1), где

М₁ и М₂ - длина трещины Палмквиста в зависимости от масштаба;

D - фрактальная размерность контура трещины,

а затем определяют критический коэффициент интенсивности напряжения К_1с по формуле

К_1с = 0,0742 P/L(M₂)^3/2 (2), где

P - нагрузка индентирования;

L(M₂) - длина трещины Палмквиста с учетом фрактальной размерности.