一种合金材料力学性能的检测方法

本发明属于合金材料力学性能检测领域，具体涉及一种合金材料力学性能的检测方法。

背景技术：

1、在工业生产中，合金通过添加其他元素进行组织调控可以获得比纯金属更高的强度和硬度，更优越的耐蚀性能和耐高温性能，更好的加工性能等等，因此合金有比纯金属更广阔的应用领域和更重要的商业价值。为保证合金的产业化生产，通常需要对其力学性能进行检测看是否满足要求，传统的检测方法主要是通过拉伸或压缩等力学实验进行测试。相比较现有技术公开的有限元模拟(fea)等通过计算模拟检测材料力学性能的方法，传统的实验方法具有工序复杂，成本较高等缺点。然而，现有的计算模拟方法在参数选择和定量计算等方面存在困难，对于单相合金材料，影响其力学性能的参数较多，因为部分参数缺少适合的数学工具，所以目前缺少定量计算方法；对于多相合金材料，除考虑单相合金所含有的影响参数外，还需考虑其特有的相界结构所产生的多种参数，因为相界处两侧晶体结构通常不一致，所以目前缺少对此处相关参数的定量计算方法。因此，找到一种适用于单相或多相合金材料参数选择及定量计算方法，并据此建立起其与材料力学性能的关系来实现对合金材料力学性能的检测是目前亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种合金材料力学性能的检测方法，通过选择ebsd数据图中的取向参数、物相参数和位置参数并选用群论的数学工具实现位错密度和向错密度的定量计算，建立起其与材料力学性能的对应关系，进而获得具有良好准确性和简便性的合金材料力学性能检测方法。

2、本发明所采取的技术方案是：

3、一种合金材料力学性能的检测方法，包括以下步骤：

4、步骤1：建立目标合金材料待测区域的原始数据集1；

5、对目标合金材料待测区域进行ebsd实验采集所需数据，定义待测区域ebsd图中数据点个数为n，其中任意数据点信息采用取向参数，物相参数和位置参数表示；

6、所述的数据点个数n满足：10≤n≤100000000且n为整数，

7、所述的任意点信息为：取向参数，采用三个欧拉角，为(αi,βi,γi)，物相参数，为(pi)，位置参数为(xi,yi)，其中i满足：1≤i≤n且i为整数，

8、再将待测区域ebsd图中的数据点信息定义为数据集1，数据集1为：{(x1,y1,α1,β1,γ1,p1)，(x2,y2,α2,β2,γ2,p2)…(xn,yn,αn,βn,γn,pn)}；

9、步骤2：对数据集1进行预处理；

10、选取数据集1任意一点i的取向参数(αi,βi,γi)，由如下公式(1)计算得到一点的旋转矩阵gi；

11、

12、其中，gi定义为点i的旋转矩阵；

13、对数据集1中所有点按照公式(1)进行计算，获得数据集2，数据集2为：{(x1,y1,g1,p1)，(x2,y2,g2,p2)…(xn,yn,gn,pn)}；

14、选取数据集2任意一点i的旋转矩阵gi，由于gi所属坐标系为样品坐标系，与该点位置参数(xi,yi)所在坐标系不为同一坐标系，为进行后续计算需将gi所在坐标系转换至数据点位置参数(xi,yi)所在坐标系，则转换后的点i的旋转矩阵gi由如下公式(2)和(3)得到；

15、

16、gi＝t-1*gi*t#(3)

17、其中，gi定义为数据点i的位置参数(xi,yi)所在坐标系下该点的旋转矩阵，

18、t定义为坐标系转换矩阵；

19、对数据集2中所有点按照公式(2)和(3)进行计算，获得数据集3，数据集3为：{(x1,y1,g1,p1)，(x2,y2,g2,p2)…(xn,yn,gn,pn)}；

20、步骤3：判断点周围的连通性；

21、选取数据集3中的任意一点i的旋转矩阵gi和物相参数pi以及该点周围4个点j的旋转矩阵gj和物相参数pj，其中j为i-1,i+1,i-h或i+h中的任意一个，所述的点i与周围4个点j的位置关系为：j＝i-1代表点j位于点i左边，j＝i+1代表点j位于点i右边，j＝i+h代表点j位于点i下边，j＝i-h代表点j位于点i上边，h定义为ebsd实验数据图中x方向上数据点的个数，比较点i与其周围点j的物相参数，若点i物相参数pi不等于点j物相参数pj，则连通判定参数mij＝0；若点i物相参数pi等于点j物相参数pj，先根据两点的物相参数来确定两点处物相类型，进而确定两点处选取的等效取向矩阵类型，则点i与之间点j的连通判定参数mij由如下公式(4)和(5)计算获得；

22、

23、

24、其中，δij定义为点i与其周围点j的取向差角度，单位为弧度，

25、规定值定义为弧度，

26、rk定义为等效取向矩阵，对于立方晶系k＝24，分别为：

27、

28、对于六方晶系k＝12，分别为：

29、

30、mij定义为点i与之间点j的连通判定参数，其中，当mij＝1代表点i与点j之间连通，mij＝0代表点i与点j之间不连通，且在后续计算一点i的弹性扭曲张量kie时只对其与周围相互连通的点(即mij＝1)之间进行计算，

31、min()定义为取最小值的计算符号，

32、∨定义为满足运算的计算符号；

33、对数据集3中的所有点按照公式(4)和(5)进行计算后，最终获得数据集4，数据集4为{(x1,y1,m1j)，(x2,y2,m2j)…(xn,yn,mnj)}；

34、步骤4：计算弹性扭曲张量ki；

35、选取数据集3任意一点i的旋转矩阵gi，由于三维旋转矩阵构成so(3)群，则可根据李群李代数的映射法则得到对应群元的李代数，再根据李代数的物理意义，由如下公式(6)和(7)可以计算得到该点i的旋转矢量ωi；

36、

37、

38、其中，定义为点i的旋转矩阵gi对应的李代数，

39、ωi定义为点i的旋转矢量，所述的旋转矢量其物理意义是以ωi的单位方向矢量为轴旋转|ωi|弧度；

40、对数据集3中所有点按照公式(6)和(7)进行计算后，获得数据集5，数据集5为：{(x1,y1,ω1)，(x2,y2,ω2)…(xn,yn,ωn)}；

41、选取数据集5中任意一点i的旋转矢量ωi，并选取数据集4中该点i的连通判定参数mij，定义任意一点i的弹性扭曲张量为ki，并设定连通判定参数mij＝0两点不参与计算这一点i处的弹性扭曲张量ki，则ki由如下公式(8)、(9)、(10)和(11)得到；

42、

43、

44、

45、

46、其中，定义为点i处弹性扭曲张量ki的分量，

47、定义为点i处旋转矢量ωi的分量，

48、s定义为ebsd实验的扫描步长，

49、h定义为ebsd实验数据图中x方向上数据点的个数，

50、z定义为ebsd实验数据图中xoy平面上数据点的个数，

51、[,]定义为满足[a,b]＝ab-ba运算的计算符号，即李括号运算符，

52、公式(9)、(10)和(11)中，j＝1、2、3，

53、公式(9)、(10)和(11)中，若mij＝0则点i与点j不参与计算这一点i处的弹性扭曲张量ki，即

54、对数据集5中所有点按照公式(8)、(9)、(10)和(11)进行计算后，获得数据集6，数据集6为{(x1,y1,k1)，(x2,y2,k2)…(xn,yn,kn)}；

55、步骤5：计算位错密度张量αi；

56、选取数据集6中的任意一点i的弹性扭曲张量ki，定义任意一点i的位错密度张量为αi，则αi由如下公式(12)得到；

57、

58、对数据集6中的所有点按照公式(12)进行运算，获得数据集7，数据集7为{(x1,y1,α1)，(x2,y2,α2)…(xn,yn,αn)}；

59、步骤6：计算向错密度张量θi；

60、选取数据集6中的任意一点θ的弹性扭曲张量ki，定义任意一点i的向错密度张量为θi，则θi由如下公式(13)、(14)、(15)和(16)得到；

61、

62、

63、

64、

65、其中，公式(14)、(15)和(16)中j＝1、2、3，k＝1、2、3；

66、对数据集6中的所有点按照公式(13)、(14)、(15)和(16)进行计算获得数据集8，数据集8为{(x1,y1,θ1)，(x2,y2,θ2)…(xn,yn,θn)}；

67、步骤7：计算待测区域平均总位错密度αave及平均总向错密度θave；

68、选取数据集7中任意一点的位错密度张量αi及数据集8中的任意一点i的向错密度张量θi，定义任意一点i的总位错密度为任意一点i的总向错密度为则由如下公式(17)和(18)得到；

69、

70、

71、对数据集7和8中的所有点按照公式(17)和(18)进行计算获得数据集9，数据集9为

72、选取数据集9中所有点的总位错密度及总向错密度定义待测区域的平均总位错密度为αave、平均总向错密度为θave，则αave、θave由如下公式(19)和(20)得到；

73、

74、

75、由于位错及向错密度与材料强度成正相关关系，因此，通过对待测合金材料平均总位错及向错密度的计算可实现对待测合金材料力学性能的检测。

76、进一步地，所述的n范围为100≤n≤10000000。

77、进一步地，公式(5)所述的规定值为弧度。

78、进一步地，所述的合金材料为铁合金、镁合金、铝合金或钛合金。

79、进一步地，所述的铁合金为q系、nm系单相或多相铁合金。

80、进一步地，所述的镁合金为az系、am系、zk系单相或多相镁合金。

81、进一步地，所述的铝合金为3000系、5000系、7000系单相或多相铝合金。

82、进一步地，所述的钛合金为tc系、tb系单相或多相钛合金。

83、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

84、传统通过力学实验检测待测合金材料力学性能的方法不仅工序复杂而且耗时耗力，此外需要对材料形状进行加工或是进行破坏性试验，以满足设备测试要求，因此存在检测时间长，检测成本高，不适用于贵金属或者不规则形状合金材料的检测。本发明打破现有技术无法选取有效参数和对相关参数与材料力学性能建立准确的关系的技术瓶颈，提出了基于海量ebsd实验数据的计算方法对待测合金材料的力学性能实现无损检测，在众多影响合金力学性能的较多参数中，通过大数据筛选，精准选取向错、位错密度、物相结构等相关参数，并确定了相关参数与材料力学性能的关系，适用于单相或者多相合金的性能检测，对于合金检测具有普适性应用，且准确性较高。与现有技术相比，本发明在依靠电脑计算可以在数秒内完成对合金材料力学性能的检测，因此本发明具有节省时间，节约成本，更适合企业产业化生产等优点。传统通过计算模拟检测待测合金材料力学性能的方法因为无法选取有效的参数和无法建立准确的关系式所以存在准确率低，泛用能力差等缺点。本发明提出的方法通过选择位错密度、向错密度以及物相等参数，并对有关参数进行科学的修订后，将各自独立的参数有效建立相互影响关系，最终确定相关参数之间的定量关系，能够科学精准反映合金的力学性能，在简化工艺、降低检测时间和生产成本的情况下，提高了对合金材料力学性能检测的准确性，适用于各类单相及多相合金材料的力学性能检测。综上：本发明对单相或者多相合金的力学性能检测具有普适性，针对不同合金，通过选取有效参数、科学修订参数、确定参数之间的影响关系以及指标间的定量计算等方面的协同配合，能够实现对合金力学性能的精准检测，相关力学性能检测的准确性与现有技术相当。