用于金屬材料表面缺陷的檢測系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了用于金屬材料表面缺陷的檢測系統，包括電化學檢測傳感器,所述電化學檢測傳感器包括網狀柔性塑料板，所述網狀柔性塑料板上安裝有與其表面垂直的參比電極和位于參比電極的周邊對稱位置的輔助電極，所述的參比電極、輔助電極通過粘性材料與網狀柔性塑料板相固定；所述參比電極為固體的Ag?AgCl電極，所述輔助電極與被測試樣材料相同；參比電極與輔助電極的一端為工作面，另一端焊接有導線；所述參比電極與輔助電極除了工作面之外的其它部位涂有絕緣材料。本發明設置的電化學檢測傳感器可以任意改變使用形狀，通過探測到的試樣不同位置的電化學信息從而確定試樣表面缺陷的位置，操作簡單，實用性強，探測全過程安全，無污染。
【專利說明】
用于金屬材料表面缺陷的檢測系統
技術領域
[0001] 本發明涉及表面缺陷檢測領域，具體涉及用于金屬材料表面缺陷的檢測系統。
【背景技術】
[0002] 相關技術中，很少有人通過電化學測試方法，對金屬材料表面缺陷進行檢測。電化 學檢測方法具有原位無損的優點，對試樣不會造成破壞，且操作安全，不會造成環境污染， 因此，發展表面缺陷的電化學檢測方法及設備具有非常重要的實際意義。
【發明內容】
[0003] 為解決上述問題，本發明旨在提供用于金屬材料表面缺陷的檢測系統。
[0004] 本發明的目的采用以下技術方案來實現：
[0005] 用于金屬材料表面缺陷的檢測系統，包括電化學檢測傳感器，所述電化學檢測傳 感器包括網狀柔性塑料板，所述網狀柔性塑料板上安裝有與其表面垂直的參比電極和位于 參比電極的周邊對稱位置的輔助電極，所述的參比電極、輔助電極通過粘性材料與網狀柔 性塑料板相固定;所述參比電極為固體的Ag-AgCl電極，所述輔助電極與被測試樣材料相 同；參比電極與輔助電極的一端為工作面，另一端焊接有導線;所述參比電極與輔助電極除 了工作面之外的其它部位涂有絕緣材料。
[0006] 本發明的有益效果為:設置的電化學檢測傳感器可以任意改變使用形狀，通過探 測到的試樣不同位置的電化學信息從而確定試樣表面缺陷的位置，操作簡單，實用性強，探 測全過程安全，無污染，可以在短時間內得到實驗結果，從而解決了上述的技術問題。
【附圖說明】
[0007] 利用附圖對本發明作進一步說明，但附圖中的應用場景不構成對本發明的任何限 制，對于本領域的普通技術人員，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據以下附圖獲得 其它的附圖。
[0008] 圖1是本發明電化學檢測傳感器的結構示意圖；
[0009] 圖2是本發明壽命評估裝置的結構示意圖。
[0010] 附圖標記：
[0011] 電化學檢測傳感器1、網狀柔性塑料板11、參比電極12、輔助電極13、壽命評估裝置 2、數據準備模塊21、壽命分析預測模塊22。
【具體實施方式】
[0012] 結合以下應用場景對本發明作進一步描述。
[0013]應用場景1
[0014]參見圖1、圖2,本應用場景的一個實施例的用于金屬材料表面缺陷的檢測系統，包 括電化學檢測傳感器1，所述電化學檢測傳感器1包括網狀柔性塑料板2,所述網狀柔性塑料 板2上安裝有與其表面垂直的參比電極12和位于參比電極12的周邊對稱位置的輔助電極 13,所述的參比電極12、輔助電極13通過粘性材料與網狀柔性塑料板2相固定;所述參比電 極12為固體的Ag-AgCl電極，所述輔助電極13與被測試樣材料相同；參比電極12與輔助電極 13的一端為工作面，另一端焊接有導線;所述參比電極12與輔助電極13除了工作面之外的 其它部位涂有絕緣材料。
[0015] 優選的，所述網狀柔性塑料板2為圓形的網狀柔性塑料板，直徑尺寸為50_。
[0016] 本發明上述實施例設置的電化學檢測傳感器1由于使用網狀柔性塑料板2,從而可 以任意改變使用形狀;通過探測到的試樣不同位置的電化學信息從而確定試樣表面缺陷的 位置，操作簡單，實用性強，探測全過程安全，無污染，可以在短時間內得到實驗結果，從而 解決了上述的技術問題。
[0017] 優選的，所述參比電極12為直徑2mm，長40mm的固體Ag-AgCl電極。
[0018] 本優選實施例對參比電極12的最佳尺寸進行設置，進一步提高電化學檢測傳感器 1的檢測精度。
[0019] 優選的，所述用于金屬材料表面缺陷的檢測系統還包括壽命評估裝置2,所述壽命 評估裝置2包括數據準備模塊21和壽命分析預測模塊22,所述數據準備模塊21用于確定金 屬材料表面的實測典型載荷譜、金屬材料表面上各實際裂紋的裂紋位置、尺寸，并對各種裂 紋進行幾何簡化分類，其中金屬材料表面上各實際裂紋的裂紋位置通過電化學檢測傳感器 1進行檢測確定;所述壽命分析預測模塊22用于對所述金屬材料表面的材料進行疲勞試驗， 獲取所述材料對應于各種裂紋的疲勞裂紋擴展速率曲線，進而對所述實測典型載荷譜、各 實際裂紋的裂紋位置、尺寸以及各種裂紋的疲勞裂紋擴展速率曲線進行裂紋擴展分析，確 定對應于各種裂紋的裂紋擴展壽命循環數，再根據所述裂紋擴展壽命循環數確定對應裂紋 的剩余疲勞壽命的估算值，最終確定金屬材料表面對應的結構體的剩余疲勞壽命的估算 值。
[0020] 本優選實施例設置壽命評估裝置，且構建了壽命評估裝置2的結構框架，可以實時 監測金屬材料表面對應的結構體的健康性能，增加金屬材料表面對應的結構體運作的安全 性。
[0021 ]優選的，定義對應于裂紋i = 1，2，???!!!的剩余疲勞壽命的估算值集為{Pi，P2，…， Pi}，金屬材料表面剩余疲勞壽命的估算值Pz則為：
[0022] Pz=miru =l，2，..m{Pl，P2,…，Pi} 〇
[0023] 本優選實施例確定了金屬材料表面對應的結構體的剩余疲勞壽命與金屬材料表 面的各實際裂紋的剩余疲勞壽命之間的關系，采用最小的實際裂紋的疲勞壽命作為金屬材 料表面對應的結構體的剩余疲勞壽命，符合木桶理論，準確度高。
[0024] 優選的，所述對所述金屬材料表面的材料進行疲勞試驗，獲取所述材料對應于各 種裂紋的疲勞裂紋擴展速率曲線，包括：
[0025] 1)計算各種裂紋的應力強度因子幅，考慮裂紋尖端點的塑性變形區會對材料的疲 勞斷裂具有決定性的影響，將裂紋尖端塑性區等效于一個含有相變應變的均質夾雜，定義 應力強度因子幅A KP。的計算公式為：
[0029] 其中，K^fx為疲勞循環載荷中由最大載荷計算得到的經塑性修正的應力強度因子 值，以，為疲勞循環載荷中由最小載荷計算得到的經塑性修正的應力強度因子值，K yc為遠 場作用下的應力強度因子，由裂紋完全張開時的載荷計算得到，AKS。表示裂紋尖端塑性區 引起的應力強度因子增量，A為圍繞裂紋尖端的塑性區的面積，其包括裂紋擴展過程中所產 生的塑性變形尾跡區， 〇11、〇12、〇22為裂紋尖端塑性區內的應力，由對裂紋尖端塑性區應力場 的有限元計算分析得到，R為拉伸載荷與壓縮載荷的比值；
[0030] 2)構建各種裂紋的疲勞裂紋擴展速率曲線，以Paris公式為基礎，考慮溫度對疲勞 裂紋拓展速率的影響，定義所述疲勞裂紋擴展速率的修正計算公式為：
[0031] T〈(TC0R T>Imax時，
[0035] 式中，T為試驗溫度，Tmax為設定的最高溫度，Tmax的取值范圍為[35°C，40°C ]，a為裂 紋擴展長度，N為循環次數，C和M為材料常數，A Kt為擬合非正常溫度下裂紋擴展性能曲面 后分析得到的非正常溫度斷裂門檻值，體現了溫度對擴展速率的影響，且A Kt的取值范圍 需滿足[0, AKpc)。
[0036]本優選實施例定義了應力強度因子幅AKP。的計算公式，且考慮了裂紋尖端點的塑 性變形區會對材料的疲勞斷裂具有決定性的影響，并將裂紋尖端塑性區等效于一個含有相 變應變的均質夾雜，從而定義的應力強度因子幅AK P。可以很好地作為一個合理的力學參量 來定量化地分析裂紋尖端塑性區對應力強度因子的影響；以Paris公式為基礎，考慮了溫度 對疲勞裂紋拓展速率的影響，并定義了疲勞裂紋擴展速率的修正計算公式，提高了計算的 精度，且簡單實用。
[0037]優選的，所述裂紋擴展壽命循環數N的計算公式為：
[0039]本優選實施例確定了裂紋擴展壽命循環數N的計算公式，提高了壽命預測的速度。 [0040]本應用場景上述實施例的最高溫度Tmax設定為35°C，對金屬材料表面的疲勞壽命 預測的精度相對提高了 15%。
[0041 ]應用場景2
[0042]參見圖1、圖2,本應用場景的一個實施例的用于金屬材料表面缺陷的檢測系統，包 括電化學檢測傳感器1，所述電化學檢測傳感器1包括網狀柔性塑料板2,所述網狀柔性塑料 板2上安裝有與其表面垂直的參比電極12和位于參比電極12的周邊對稱位置的輔助電極 13,所述的參比電極12、輔助電極13通過粘性材料與網狀柔性塑料板2相固定;所述參比電 極12為固體的Ag-AgCl電極，所述輔助電極13與被測試樣材料相同；參比電極12與輔助電極 13的一端為工作面，另一端焊接有導線;所述參比電極12與輔助電極13除了工作面之外的 其它部位涂有絕緣材料。
[0043] 優選的，所述網狀柔性塑料板2為圓形的網狀柔性塑料板，直徑尺寸為50mm。
[0044] 本發明上述實施例設置的電化學檢測傳感器1由于使用網狀柔性塑料板2,從而可 以任意改變使用形狀;通過探測到的試樣不同位置的電化學信息從而確定試樣表面缺陷的 位置，操作簡單，實用性強，探測全過程安全，無污染，可以在短時間內得到實驗結果，從而 解決了上述的技術問題。
[0045] 優選的，所述參比電極12為直徑2mm，長40mm的固體Ag-AgCl電極。
[0046] 本優選實施例對參比電極12的最佳尺寸進行設置，進一步提高電化學檢測傳感器 1的檢測精度。
[0047] 優選的，所述用于金屬材料表面缺陷的檢測系統還包括壽命評估裝置2,所述壽命 評估裝置2包括數據準備模塊21和壽命分析預測模塊22,所述數據準備模塊21用于確定金 屬材料表面的實測典型載荷譜、金屬材料表面上各實際裂紋的裂紋位置、尺寸，并對各種裂 紋進行幾何簡化分類;所述壽命分析預測模塊22用于對所述金屬材料表面的材料進行疲勞 試驗，獲取所述材料對應于各種裂紋的疲勞裂紋擴展速率曲線，進而對所述實測典型載荷 譜、各實際裂紋的裂紋位置、尺寸以及各種裂紋的疲勞裂紋擴展速率曲線進行裂紋擴展分 析，確定對應于各種裂紋的裂紋擴展壽命循環數，再根據所述裂紋擴展壽命循環數確定對 應裂紋的剩余疲勞壽命的估算值，最終確定金屬材料表面對應的結構體的剩余疲勞壽命的 估算值。
[0048]本優選實施例設置壽命評估裝置，且構建了壽命評估裝置2的結構框架，可以實時 監測金屬材料表面對應的結構體的健康性能，增加金屬材料表面對應的結構體運作的安全 性。
[0049] 優選的，定義對應于裂紋i = 1，2，???!!!的剩余疲勞壽命的估算值集為{Pi，P2，…， Pi}，金屬材料表面剩余疲勞壽命的估算值Pz則為：
[0050] Pz=mim =l，2，..m{Pl，P2,…，Pi} 〇
[0051] 本優選實施例確定了金屬材料表面對應的結構體的剩余疲勞壽命與金屬材料表 面的各實際裂紋的剩余疲勞壽命之間的關系，采用最小的實際裂紋的疲勞壽命作為金屬材 料表面對應的結構體的剩余疲勞壽命，符合木桶理論，準確度高。
[0052] 優選的，所述對所述金屬材料表面的材料進行疲勞試驗，獲取所述材料對應于各 種裂紋的疲勞裂紋擴展速率曲線，包括：
[0053] 1)計算各種裂紋的應力強度因子幅，考慮裂紋尖端點的塑性變形區會對材料的疲 勞斷裂具有決定性的影響，將裂紋尖端塑性區等效于一個含有相變應變的均質夾雜，定義 應力強度因子幅A KP。的計算公式為：
[0057]其中，K品《為疲勞循環載荷中由最大載荷計算得到的經塑性修正的應力強度因子 值，K#n為疲勞循環載荷中由最小載荷計算得到的經塑性修正的應力強度因子值，Kyc為遠 場作用下的應力強度因子，由裂紋完全張開時的載荷計算得到，AK S。表示裂紋尖端塑性區 引起的應力強度因子增量，A為圍繞裂紋尖端的塑性區的面積，其包括裂紋擴展過程中所產 生的塑性變形尾跡區， 〇11、〇12、〇22為裂紋尖端塑性區內的應力，由對裂紋尖端塑性區應力場 的有限元計算分析得到，R為拉伸載荷與壓縮載荷的比值；
[0058] 2)構建各種裂紋的疲勞裂紋擴展速率曲線，以Paris公式為基礎，考慮溫度對疲勞 裂紋拓展速率的影響，定義所述疲勞裂紋擴展速率的修正計算公式為：
[0059] T〈(TC0R T>TmaJ寸，
[0063] 式中，T為試驗溫度，Tmax為設定的最高溫度，Tmax的取值范圍為[35°C，40°C ]，a為裂 紋擴展長度，N為循環次數，C和M為材料常數，A Kt為擬合非正常溫度下裂紋擴展性能曲面 后分析得到的非正常溫度斷裂門檻值，體現了溫度對擴展速率的影響，且A Kt的取值范圍 需滿足[0, AKpc)。
[0064]本優選實施例定義了應力強度因子幅AKP。的計算公式，且考慮了裂紋尖端點的塑 性變形區會對材料的疲勞斷裂具有決定性的影響，并將裂紋尖端塑性區等效于一個含有相 變應變的均質夾雜，從而定義的應力強度因子幅AK P。可以很好地作為一個合理的力學參量 來定量化地分析裂紋尖端塑性區對應力強度因子的影響；以Paris公式為基礎，考慮了溫度 對疲勞裂紋拓展速率的影響，并定義了疲勞裂紋擴展速率的修正計算公式，提高了計算的 精度，且簡單實用。
[0065]優選的，所述裂紋擴展壽命循環數N的計算公式為：
[0067]本優選實施例確定了裂紋擴展壽命循環數N的計算公式，提高了壽命預測的速度。 [0068]本應用場景上述實施例的最高溫度Tmax設定為36°C，對金屬材料表面的疲勞壽命 預測的精度相對提高了 14%。
[0069]應用場景3
[0070]參見圖1、圖2,本應用場景的一個實施例的用于金屬材料表面缺陷的檢測系統，包 括電化學檢測傳感器1，所述電化學檢測傳感器1包括網狀柔性塑料板2,所述網狀柔性塑料 板2上安裝有與其表面垂直的參比電極12和位于參比電極12的周邊對稱位置的輔助電極 13,所述的參比電極12、輔助電極13通過粘性材料與網狀柔性塑料板2相固定;所述參比電 極12為固體的Ag-AgCl電極，所述輔助電極13與被測試樣材料相同；參比電極12與輔助電極 13的一端為工作面，另一端焊接有導線;所述參比電極12與輔助電極13除了工作面之外的 其它部位涂有絕緣材料。
[0071]優選的，所述網狀柔性塑料板2為圓形的網狀柔性塑料板，直徑尺寸為50mm。
[0072]本發明上述實施例設置的電化學檢測傳感器1由于使用網狀柔性塑料板2,從而可 以任意改變使用形狀;通過探測到的試樣不同位置的電化學信息從而確定試樣表面缺陷的 位置，操作簡單，實用性強，探測全過程安全，無污染，可以在短時間內得到實驗結果，從而 解決了上述的技術問題。
[0073] 優選的，所述參比電極12為直徑2mm，長40mm的固體Ag-AgCl電極。
[0074] 本優選實施例對參比電極12的最佳尺寸進行設置，進一步提高電化學檢測傳感器 1的檢測精度。
[0075] 優選的，所述用于金屬材料表面缺陷的檢測系統還包括壽命評估裝置2,所述壽命 評估裝置2包括數據準備模塊21和壽命分析預測模塊22,所述數據準備模塊21用于確定金 屬材料表面的實測典型載荷譜、金屬材料表面上各實際裂紋的裂紋位置、尺寸，并對各種裂 紋進行幾何簡化分類;所述壽命分析預測模塊22用于對所述金屬材料表面的材料進行疲勞 試驗，獲取所述材料對應于各種裂紋的疲勞裂紋擴展速率曲線，進而對所述實測典型載荷 譜、各實際裂紋的裂紋位置、尺寸以及各種裂紋的疲勞裂紋擴展速率曲線進行裂紋擴展分 析，確定對應于各種裂紋的裂紋擴展壽命循環數，再根據所述裂紋擴展壽命循環數確定對 應裂紋的剩余疲勞壽命的估算值，最終確定金屬材料表面對應的結構體的剩余疲勞壽命的 估算值。
[0076] 本優選實施例設置壽命評估裝置，且構建了壽命評估裝置2的結構框架，可以實時 監測金屬材料表面對應的結構體的健康性能，增加金屬材料表面對應的結構體運作的安全 性。
[0077]優選的，定義對應于裂紋i = 1，2，???!!!的剩余疲勞壽命的估算值集為{Pi，P2，…， Pi}，金屬材料表面剩余疲勞壽命的估算值Pz則為：
[0078] Pz=miru =l，2，..m{Pl，P2,…，Pi} 〇
[0079] 本優選實施例確定了金屬材料表面對應的結構體的剩余疲勞壽命與金屬材料表 面的各實際裂紋的剩余疲勞壽命之間的關系，采用最小的實際裂紋的疲勞壽命作為金屬材 料表面對應的結構體的剩余疲勞壽命，符合木桶理論，準確度高。
[0080] 優選的，所述對所述金屬材料表面的材料進行疲勞試驗，獲取所述材料對應于各 種裂紋的疲勞裂紋擴展速率曲線，包括：
[0081] 1)計算各種裂紋的應力強度因子幅，考慮裂紋尖端點的塑性變形區會對材料的疲 勞斷裂具有決定性的影響，將裂紋尖端塑性區等效于一個含有相變應變的均質夾雜，定義 應力強度因子幅A KP。的計算公式為：
[0085] 其中，Kfcax為疲勞循環載荷中由最大載荷計算得到的經塑性修正的應力強度因子 值，K# n為疲勞循環載荷中由最小載荷計算得到的經塑性修正的應力強度因子值，Kyc為遠 場作用下的應力強度因子，由裂紋完全張開時的載荷計算得到，AK S。表示裂紋尖端塑性區 引起的應力強度因子增量，A為圍繞裂紋尖端的塑性區的面積，其包括裂紋擴展過程中所產 生的塑性變形尾跡區， 〇11、〇12、〇22為裂紋尖端塑性區內的應力，由對裂紋尖端塑性區應力場 的有限元計算分析得到，R為拉伸載荷與壓縮載荷的比值；
[0086] 2)構建各種裂紋的疲勞裂紋擴展速率曲線，以Paris公式為基礎，考慮溫度對疲勞 裂紋拓展速率的影響，定義所述疲勞裂紋擴展速率的修正計算公式為：
[0087] T〈(TC0R T>TmaJ寸，
[0091 ] 式中，T為試驗溫度，Tmax為設定的最高溫度，Tmax的取值范圍為[35°C，40°C ]，a為裂 紋擴展長度，N為循環次數，C和M為材料常數，A Kt為擬合非正常溫度下裂紋擴展性能曲面 后分析得到的非正常溫度斷裂門檻值，體現了溫度對擴展速率的影響，且A Kt的取值范圍 需滿足[0, AKpc)。
[0092]本優選實施例定義了應力強度因子幅AKP。的計算公式，且考慮了裂紋尖端點的塑 性變形區會對材料的疲勞斷裂具有決定性的影響，并將裂紋尖端塑性區等效于一個含有相 變應變的均質夾雜，從而定義的應力強度因子幅AK P。可以很好地作為一個合理的力學參量 來定量化地分析裂紋尖端塑性區對應力強度因子的影響；以Paris公式為基礎，考慮了溫度 對疲勞裂紋拓展速率的影響，并定義了疲勞裂紋擴展速率的修正計算公式，提高了計算的 精度，且簡單實用。
[0093]優選的，所述裂紋擴展壽命循環數N的計算公式為：
[0095]本優選實施例確定了裂紋擴展壽命循環數N的計算公式，提高了壽命預測的速度。 [0096]本應用場景上述實施例的最高溫度Tmax設定為38°C，對金屬材料表面的疲勞壽命 預測的精度相對提高了 12%。
[0097]應用場景4
[0098]參見圖1、圖2,本應用場景的一個實施例的用于金屬材料表面缺陷的檢測系統，包 括電化學檢測傳感器1，所述電化學檢測傳感器1包括網狀柔性塑料板2,所述網狀柔性塑料 板2上安裝有與其表面垂直的參比電極12和位于參比電極12的周邊對稱位置的輔助電極 13,所述的參比電極12、輔助電極13通過粘性材料與網狀柔性塑料板2相固定;所述參比電 極12為固體的Ag-AgCl電極，所述輔助電極13與被測試樣材料相同；參比電極12與輔助電極 13的一端為工作面，另一端焊接有導線;所述參比電極12與輔助電極13除了工作面之外的 其它部位涂有絕緣材料。
[0099] 優選的，所述網狀柔性塑料板2為圓形的網狀柔性塑料板，直徑尺寸為50_。
[0100] 本發明上述實施例設置的電化學檢測傳感器1由于使用網狀柔性塑料板2,從而可 以任意改變使用形狀;通過探測到的試樣不同位置的電化學信息從而確定試樣表面缺陷的 位置，操作簡單，實用性強，探測全過程安全，無污染，可以在短時間內得到實驗結果，從而 解決了上述的技術問題。
[0101 ] 優選的，所述參比電極12為直徑2mm，長40mm的固體Ag-AgCl電極。
[0102]本優選實施例對參比電極12的最佳尺寸進行設置，進一步提高電化學檢測傳感器 1的檢測精度。
[0103] 優選的，所述用于金屬材料表面缺陷的檢測系統還包括壽命評估裝置2,所述壽命 評估裝置2包括數據準備模塊21和壽命分析預測模塊22,所述數據準備模塊21用于確定金 屬材料表面的實測典型載荷譜、金屬材料表面上各實際裂紋的裂紋位置、尺寸，并對各種裂 紋進行幾何簡化分類;所述壽命分析預測模塊22用于對所述金屬材料表面的材料進行疲勞 試驗，獲取所述材料對應于各種裂紋的疲勞裂紋擴展速率曲線，進而對所述實測典型載荷 譜、各實際裂紋的裂紋位置、尺寸以及各種裂紋的疲勞裂紋擴展速率曲線進行裂紋擴展分 析，確定對應于各種裂紋的裂紋擴展壽命循環數，再根據所述裂紋擴展壽命循環數確定對 應裂紋的剩余疲勞壽命的估算值，最終確定金屬材料表面對應的結構體的剩余疲勞壽命的 估算值。
[0104] 本優選實施例設置壽命評估裝置，且構建了壽命評估裝置2的結構框架，可以實時 監測金屬材料表面對應的結構體的健康性能，增加金屬材料表面對應的結構體運作的安全 性。
[0105] 優選的，定義對應于裂紋i = 1，2，???!!!的剩余疲勞壽命的估算值集為{Pi，P2，…， Pi}，金屬材料表面剩余疲勞壽命的估算值Pz則為：
[0106] Pz=miru =l，2，..m{Pl，P2,…，Pi} 〇
[0107] 本優選實施例確定了金屬材料表面對應的結構體的剩余疲勞壽命與金屬材料表 面的各實際裂紋的剩余疲勞壽命之間的關系，采用最小的實際裂紋的疲勞壽命作為金屬材 料表面對應的結構體的剩余疲勞壽命，符合木桶理論，準確度高。
[0108] 優選的，所述對所述金屬材料表面的材料進行疲勞試驗，獲取所述材料對應于各 種裂紋的疲勞裂紋擴展速率曲線，包括：
[0109] 1)計算各種裂紋的應力強度因子幅，考慮裂紋尖端點的塑性變形區會對材料的疲 勞斷裂具有決定性的影響，將裂紋尖端塑性區等效于一個含有相變應變的均質夾雜，定義 應力強度因子幅A KP。的計算公式為：
[0113] 其中，為疲勞循環載荷中由最大載荷計算得到的經塑性修正的應力強度因子 值，K#n為疲勞循環載荷中由最小載荷計算得到的經塑性修正的應力強度因子值，K yc為遠 場作用下的應力強度因子，由裂紋完全張開時的載荷計算得到，AKS。表示裂紋尖端塑性區 引起的應力強度因子增量，A為圍繞裂紋尖端的塑性區的面積，其包括裂紋擴展過程中所產 生的塑性變形尾跡區， 〇11、〇12、〇22為裂紋尖端塑性區內的應力，由對裂紋尖端塑性區應力場 的有限元計算分析得到，R為拉伸載荷與壓縮載荷的比值；
[0114] 2)構建各種裂紋的疲勞裂紋擴展速率曲線，以Paris公式為基礎，考慮溫度對疲勞 裂紋拓展速率的影響，定義所述疲勞裂紋擴展速率的修正計算公式為：
[0119] 式中，T為試驗溫度，Tmax為設定的最高溫度，Tmax的取值范圍為[35°C，40°C ]，a為裂 紋擴展長度，N為循環次數，C和M為材料常數，A Kt為擬合非正常溫度下裂紋擴展性能曲面 后分析得到的非正常溫度斷裂門檻值，體現了溫度對擴展速率的影響，且A Kt的取值范圍 需滿足[0, AKpc)。
[0120]本優選實施例定義了應力強度因子幅AKP。的計算公式，且考慮了裂紋尖端點的塑 性變形區會對材料的疲勞斷裂具有決定性的影響，并將裂紋尖端塑性區等效于一個含有相 變應變的均質夾雜，從而定義的應力強度因子幅AK P。可以很好地作為一個合理的力學參量 來定量化地分析裂紋尖端塑性區對應力強度因子的影響；以Paris公式為基礎，考慮了溫度 對疲勞裂紋拓展速率的影響，并定義了疲勞裂紋擴展速率的修正計算公式，提高了計算的 精度，且簡單實用。
[0121]優選的，所述裂紋擴展壽命循環數N的計算公式為：
[0123] 本優選實施例確定了裂紋擴展壽命循環數N的計算公式，提高了壽命預測的速度。
[0124] 本應用場景上述實施例的最高溫度Tmax設定為39°C，對金屬材料表面的疲勞壽命 預測的精度相對提高了 11%。
[0125] 應用場景5
[0126] 參見圖1、圖2,本應用場景的一個實施例的用于金屬材料表面缺陷的檢測系統，包 括電化學檢測傳感器1，所述電化學檢測傳感器1包括網狀柔性塑料板2,所述網狀柔性塑料 板2上安裝有與其表面垂直的參比電極12和位于參比電極12的周邊對稱位置的輔助電極 13,所述的參比電極12、輔助電極13通過粘性材料與網狀柔性塑料板2相固定;所述參比電 極12為固體的Ag-AgCl電極，所述輔助電極13與被測試樣材料相同；參比電極12與輔助電極 13的一端為工作面，另一端焊接有導線;所述參比電極12與輔助電極13除了工作面之外的 其它部位涂有絕緣材料。
[0127] 優選的，所述網狀柔性塑料板2為圓形的網狀柔性塑料板，直徑尺寸為50mm。
[0128] 本發明上述實施例設置的電化學檢測傳感器1由于使用網狀柔性塑料板2,從而可 以任意改變使用形狀;通過探測到的試樣不同位置的電化學信息從而確定試樣表面缺陷的 位置，操作簡單，實用性強，探測全過程安全，無污染，可以在短時間內得到實驗結果，從而 解決了上述的技術問題。
[0129] 優選的，所述參比電極12為直徑2mm，長40mm的固體Ag-AgCl電極。
[0130]本優選實施例對參比電極12的最佳尺寸進行設置，進一步提高電化學檢測傳感器 1的檢測精度。
[0131]優選的，所述用于金屬材料表面缺陷的檢測系統還包括壽命評估裝置2,所述壽命 評估裝置2包括數據準備模塊21和壽命分析預測模塊22,所述數據準備模塊21用于確定金 屬材料表面的實測典型載荷譜、金屬材料表面上各實際裂紋的裂紋位置、尺寸，并對各種裂 紋進行幾何簡化分類;所述壽命分析預測模塊22用于對所述金屬材料表面的材料進行疲勞 試驗，獲取所述材料對應于各種裂紋的疲勞裂紋擴展速率曲線，進而對所述實測典型載荷 譜、各實際裂紋的裂紋位置、尺寸以及各種裂紋的疲勞裂紋擴展速率曲線進行裂紋擴展分 析，確定對應于各種裂紋的裂紋擴展壽命循環數，再根據所述裂紋擴展壽命循環數確定對 應裂紋的剩余疲勞壽命的估算值，最終確定金屬材料表面對應的結構體的剩余疲勞壽命的 估算值。
[0132] 本優選實施例設置壽命評估裝置，且構建了壽命評估裝置2的結構框架，可以實時 監測金屬材料表面對應的結構體的健康性能，增加金屬材料表面對應的結構體運作的安全 性。
[0133] 優選的，定義對應于裂紋i = l，2, ???!!!的剩余疲勞壽命的估算值集為{PIP2，…， Pi}，金屬材料表面剩余疲勞壽命的估算值Pz則為：
[0134] Pz=miru =l，2，..m{Pl，P2,…，Pi} 〇
[0135] 本優選實施例確定了金屬材料表面對應的結構體的剩余疲勞壽命與金屬材料表 面的各實際裂紋的剩余疲勞壽命之間的關系，采用最小的實際裂紋的疲勞壽命作為金屬材 料表面對應的結構體的剩余疲勞壽命，符合木桶理論，準確度高。
[0136] 優選的，所述對所述金屬材料表面的材料進行疲勞試驗，獲取所述材料對應于各 種裂紋的疲勞裂紋擴展速率曲線，包括：
[0137] 1)計算各種裂紋的應力強度因子幅，考慮裂紋尖端點的塑性變形區會對材料的疲 勞斷裂具有決定性的影響，將裂紋尖端塑性區等效于一個含有相變應變的均質夾雜，定義 應力強度因子幅A KP。的計算公式為：
[0141] 其中，!<gx為疲勞循環載荷中由最大載荷計算得到的經塑性修正的應力強度因子 值，Kpn為疲勞循環載荷中由最小載荷計算得到的經塑性修正的應力強度因子值，K yc為遠 場作用下的應力強度因子，由裂紋完全張開時的載荷計算得到，AKS。表示裂紋尖端塑性區 引起的應力強度因子增量，A為圍繞裂紋尖端的塑性區的面積，其包括裂紋擴展過程中所產 生的塑性變形尾跡區， 〇11、〇12、〇22為裂紋尖端塑性區內的應力，由對裂紋尖端塑性區應力場 的有限元計算分析得到，R為拉伸載荷與壓縮載荷的比值；
[0142] 2)構建各種裂紋的疲勞裂紋擴展速率曲線，以Paris公式為基礎，考慮溫度對疲勞 裂紋拓展速率的影響，定義所述疲勞裂紋擴展速率的修正計算公式為：
[0143] T〈(TC0R T>TmaJ寸，
[0147] 式中，T為試驗溫度，Tmax為設定的最高溫度，Tmax的取值范圍為[35°C，40°C ]，a為裂 紋擴展長度，N為循環次數，C和M為材料常數，A Kt為擬合非正常溫度下裂紋擴展性能曲面 后分析得到的非正常溫度斷裂門檻值，體現了溫度對擴展速率的影響，且A Kt的取值范圍 需滿足[0, AKpc)。
[0148] 本優選實施例定義了應力強度因子幅AKP。的計算公式，且考慮了裂紋尖端點的塑 性變形區會對材料的疲勞斷裂具有決定性的影響，并將裂紋尖端塑性區等效于一個含有相 變應變的均質夾雜，從而定義的應力強度因子幅AK P。可以很好地作為一個合理的力學參量 來定量化地分析裂紋尖端塑性區對應力強度因子的影響；以Paris公式為基礎，考慮了溫度 對疲勞裂紋拓展速率的影響，并定義了疲勞裂紋擴展速率的修正計算公式，提高了計算的 精度，且簡單實用。
[0149] 優選的，所述裂紋擴展壽命循環數N的計算公式為：
[0151]本優選實施例確定了裂紋擴展壽命循環數N的計算公式，提高了壽命預測的速度。
[0152]本應用場景上述實施例的最高溫度Tmax設定為40°C，對金屬材料表面的疲勞壽命 預測的精度相對提高了 10%。
[0153]最后應當說明的是，以上應用場景僅用以說明本發明的技術方案，而非對本發明 保護范圍的限制，盡管參照較佳應用場景對本發明作了詳細地說明，本領域的普通技術人 員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案 的實質和范圍。
【主權項】
1. 用于金屬材料表面缺陷的檢測系統，其特征是，包括電化學檢測傳感器，所述電化學 檢測傳感器包括網狀柔性塑料板，所述網狀柔性塑料板上安裝有與其表面垂直的參比電極 和位于參比電極的周邊對稱位置的輔助電極，所述的參比電極、輔助電極通過粘性材料與 網狀柔性塑料板相固定;所述參比電極為固體的Ag-AgCl電極，所述輔助電極與被測試樣材 料相同；參比電極與輔助電極的一端為工作面，另一端焊接有導線;所述參比電極與輔助電 極除了工作面之外的其它部位涂有絕緣材料。2. 根據權利要求1所述的用于金屬材料表面缺陷的檢測系統，其特征是，所述網狀柔性 塑料板為圓形的網狀柔性塑料板，直徑尺寸為50mm。3. 根據權利要求2所述的用于金屬材料表面缺陷的檢測系統，其特征是，所述參比電極 為直徑2mm，長40mm的固體Ag-AgCl電極。
【文檔編號】G01N27/26GK106053559SQ201610614040
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月30日
【發明人】不公告發明人
【申請人】董超超