CN108760546B - 一种基于红外热像技术的疲劳裂纹扩展速率测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于红外热像技术的疲劳裂纹扩展速率测量方法包括如下步骤：对满足所需的几何尺寸及表面粗糙度的试样喷涂黑色哑光漆，以提高试样表面的发射率；安装试样，架设红外热像仪，确定观测区域，对红外图像空间分辨率进行标定；设置疲劳加载参数与红外热像仪采样参数，开始疲劳试验，实时记录疲劳裂纹尖端区域的温度场演化过程；利用二维热传导模型由温度场计算获取相应的热源场，并在热源场中自动识别疲劳裂纹尖端位置；根据疲劳裂纹尖端位置的变化，即可确定裂纹扩展路径，获取各个时刻下的疲劳裂纹长度，进而可计算得到疲劳裂纹扩展速率。该方法测量结果准确、可靠、对测试环境要求低、便于操作，可实现非接触测量、全场测量与自动化测量。

Description

一种基于红外热像技术的疲劳裂纹扩展速率测量方法

技术领域

本发明一种涉及疲劳测试领域，尤其涉及一种基于红外热像技术的疲劳裂纹扩展速率测量方法。

背景技术

在工程实际中，大多数工程材料与结构的服役工况为交变载荷，因而面临着疲劳失效的风险。根据疲劳与断裂理论，服役结构表面的疲劳裂纹尺寸以及裂纹扩展速率是进行结构疲劳损伤评估与剩余疲劳寿命预测的重要参数。为避免含裂纹结构在服役过程中过早地发生疲劳断裂失效，必须及时准确地测量出疲劳裂纹的长度，并计算出相应的疲劳裂纹扩展速率，以便于确定设备的检查周期，保证其服役性能与可靠性。

目前已发展出多种测量疲劳裂纹扩展速率的方法，在实验室及工程实践中使用较多的有直读法、柔度法以及电位法等。直读法通常需借助光学显微镜来观测裂纹尖端位置，进而人工地读取裂纹长度。该方法简单、直观、成本低，但不易实现自动检测，而且在裂纹长度读取中还可能引入人为误差。柔度法是基于构件在裂纹扩展过程中其柔度随裂纹长度发生变化的原理，通过测量裂纹张开位移(COD)来间接地获取裂纹长度。柔度法操作简单，容易实现数据采集与处理的自动化，但其计算公式中涉及的变量较多，因而柔度法对这些变量的测量精度及仪器的灵敏度要求较高。电位法是基于金属材料的导电性来测量裂纹长度的，如常见的断裂片法。该方法可实现自动化检测，但缺点是不能重复使用，因而在疲劳试验中断裂片的消耗较多，试验成本相应增高。

近年来，随着红外热成像技术的快速发展，高精度的制冷型焦平面红外热像仪被广泛地应用于无损检测与疲劳测试领域。本发明借助于新兴的红外热成像技术，开发一种基于热像技术的疲劳裂纹扩展速率测量方法。该方法具有非接触、全场、观测尺度可调节、操作简单、对测试环境要求低等优点，可实时获取材料表面疲劳裂纹长度及裂纹扩展速率数据，自动化程度高，测量结果准确、可靠，可广泛应用于科学研究与工程实践中。

发明内容

本发明主要内容为借助红外热成像技术获取试样表面在特定时刻下的热像图，即表面温度场，然后利用二维热传导模型由温度场计算获取热源场，即试样表面的固有耗散(或耗散能密度)分布。由于疲劳裂纹尖端的塑性功最大，因而产生的能量耗散也最大，那么试样表面热源最大值处即可确定为裂纹尖端位置。根据每个时刻下确定的疲劳裂纹尖端位置，由裂纹尖端的初始位置即可计算获取疲劳裂纹扩展量及裂纹长度。最后根据载荷循环周次N与裂纹长度a之间的关系，即可采用数值方法(如割线法)获取疲劳裂纹扩展速率da/dN数据。

基于红外热像技术的疲劳裂纹扩展速率测量方法具体包括如下步骤(见图1)：

步骤(1)试样准备：对试样进行机加工，达到所需的几何尺寸及表面粗糙度。

步骤(2)喷漆处理：在试样表面喷涂一层薄而均匀的黑色亚光漆，以提高试样表面的热辐射率，并保证表面发射率的均匀分布；

步骤(3)安装试样、架设红外热像仪：采用合适的夹具安装好试样，并将红外热像仪架设至合适位置，调整镜头焦距，直至可清晰观察到疲劳裂纹轮廓，确定观测区域ZOI(Zone of Interest)，见图2；

步骤(4)图像像素大小标定：根据测试条件下红外热像图的空间分辨率，确定单个像素点所占的物理尺寸；

步骤(5)设置实验条件开始试验：设定红外热像仪的采样频率及相关测量参数，设定疲劳试验机的加载参数，采用交变载荷对试样进行疲劳加载，并同时开启红外热像仪，同步记录疲劳试样表面的热像图，获取实时温度场。

步骤(6)计算热源场及自动识别裂纹尖端位置：基于原始温度场数据，利用二维热传导模型计算出相应的热源场，并在获取的热源场中自动识别出疲劳裂纹尖端位置，即固有耗散最大值的坐标位置；

步骤(7)计算疲劳裂纹长度及裂纹扩展速率：根据疲劳裂纹尖端像素点位置，由裂纹尖端的初始位置即可计算获取各个时刻的疲劳裂纹长度，并进而计算得到疲劳裂纹扩展速率。

在步骤(1)中，通常采用紧凑拉伸(CT)试样，用于疲劳裂纹扩展试验。

在步骤(3)中，试验机系统、试样及红外测温系统相对位置可参见图2。

在步骤(4)中，试样表面长度为l mm的一条线段在红外热像图中占据n个像素点，那么单个像素所占的实际物理尺寸即l/n mm。

在步骤(6)中，利用Matlab程序读取红外热像系统记录的热像图数据，并对热像图进行相应的滤波处理，以减少白噪声及外界干扰，再利用二维热传导模型由温度场计算获取热源场。采用的二维热传导模型见公式(1)：

式中，公式左侧为描述温度变化的微分算子，右侧为引起温度变化的热源项。其中ρ为材料密度；C为比热容；θ＝T-T₀表示温升值；T为当前温度；T₀为初始温度；t描述时间变量；τ_th为时间常数，可通过优化方法求得；x、y为描述空间两个方向的变量；k为热传导系数；d₁为固有耗散源。该公式中，仅考虑固有耗散源，而不考虑其他热源(如热力耦合源)。

根据上述二维热传导模型计算获取试样表面的热源场，通过Matlab程序自动识别出最大固有耗散源对应的坐标位置，并进行数据记录与保存。如第i个载荷循环周次下，得到裂纹尖端最大热耗散源位置为(X_i,Y_i)。

在步骤(7)中，根据各个循环周次下依次记录的疲劳裂纹尖端位置(X_i,Y_i)，即可获取疲劳裂纹的扩展路径。依据裂纹尖端初始位置(X₀,Y₀)及任意第i个循环周次下的裂纹尖端位置(X_i,Y_i)，即可根据公式(2)计算疲劳裂纹长度a_i，公式(2)见下式：

式中，a₀为疲劳裂纹初始长度。

最后根据载荷循环周次N_i与疲劳裂纹长度a_i的关系，即可采用割线法计算获取疲劳裂纹扩展速率。割线法的原理是，对于给定的疲劳裂纹长度，通过计算a-N曲线上该裂纹长度对应微元段的斜率，即为该裂纹长度下的裂纹扩展速率，见公式(3)：

式中，

是裂纹增量为a_i+1-a_i时刻所对应的平均裂纹扩展速率，即裂纹长度为

时的疲劳裂纹扩展速率。

为建立疲劳裂纹扩展速率da/dN与应力强度因子幅值ΔK之间的定量关系，根据疲劳试验设定的应力幅值Δσ，利用裂纹长度

带入线弹性断裂力学公式计算应力强度因子幅值ΔK，最后可得出裂纹扩展速率da/dN与应力强度因子幅值ΔK的关系图。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：

(1)具有非接触、全场测量的优点。相比于传统的接触式测量方法，如采用COD规的柔度法，非接触式测量可避免因接触测量而导致的一系列问题，将测量装置对试样本身力学行为的影响降到最低。全场测量可为使用者带来更为直观的测量结果，并可获取疲劳裂纹扩展路径，有利于研究人员深入分析裂纹扩展路径对疲劳裂纹扩展速率的影响。

(2)具有操作简单、对测试环境要求低、自动化程度高的优点。采用非接触式红外热像测量，实验操作流程简单，环境干扰因素少。通过程序进行热源场计算，可自动识别疲劳裂纹尖端位置，计算获取裂纹长度与裂纹扩展速率数据。整个过程可实现自动化处理，因而工作效率高，从而节省了大量的人力成本，同时也减少了人为误差。

(3)对疲劳裂纹尖端位置的识别能力强，裂纹长度测量精度高。由于采用了热耗散在二维空间内对疲劳裂纹尖端进行定位，从而避免了传统直读法强烈依赖于肉眼识别能力的缺陷，减少了因人为因素而引起的误差，从而提高了裂纹长度测量的准确性与可靠性。

(4)观测尺度具有可调节性，适用于宏观、介观以及微观等不同尺度下的疲劳裂纹扩展速率测量。本方法测量的空间分辨率主要取决于红外相机所配置的光学镜头，采用不同焦距的镜头即可改变成像系统的空间分辨率，进而实现观测尺度的可调节性，因而可极大地方便对具有不同物理尺寸的疲劳裂纹(如宏观裂纹、物理短裂纹等)开展裂纹扩展行为的研究。

附图说明

图1为本发明操作流程图。

图2为本发明实验系统图。

图3为由本方法计算得到的热源场以及疲劳裂纹尖端的定位。

图4为由本方法测得的裂纹长度与柔度法测得的裂纹长度之间的对比。

图5为由本方法测得的裂纹扩展速率与应力强度因子幅值之间的关系。

图6为由本方法测得的裂纹长度与柔度法测得的裂纹长度之间的相对误差。

具体实施方式

本发明基于红外热像技术获取含裂纹试样在交变载荷下疲劳裂纹扩展过程中的表面温度场，然后通过热传导模型将温度场转化为热源场，并在热源场中根据热耗散值准确识别裂纹尖端位置。根据实时确定的裂纹尖端位置与初始裂尖位置的比较，即可确定裂纹长度与裂纹扩展量，进而再根据裂纹长度与循环周次之间的关系采用数值方法(如割线法)计算得到疲劳裂纹扩展速率。

图1为本发明方法的操作流程图。流程图中对本发明按操作先后顺序进行简要概述。为了更好地理解本发明，下面结合实例对本发明作进一步的详细说明。

本发明以疲劳裂纹扩展实验常用的紧凑拉伸(CT)试样为例，对其加载疲劳交变载荷，应力比为R＝0.1。通过红外热像系统观测试样表面裂纹尖端区域的热耗散行为，记录温度场的演化过程。然后利用Matlab程序计算裂纹尖端热源场，并识别、记录裂纹尖端位置，进而获取裂纹扩展路径、裂纹长度以及裂纹扩展速率数据。

下面结合操作流程图，详述具体实施方式如下：

试样准备、喷漆处理。对试样进行机加工，达到所需的几何尺寸及表面粗糙度。将试样表面喷涂一层薄而均匀的黑色亚光漆，以提高试样热辐射率，并保证表面发射率的均匀分布。

安装试样、架设红外热像仪。实验前尽量保证外界环境为恒温条件，如采用空调进行温度控制，以避免环境温度波动对试样表面温度场带来的影响与干扰。采用合适的夹具安装好试样，并将红外热像仪架设至合适的位置，调整镜头焦距，直至可清晰观察到疲劳裂纹轮廓，确定试样表面观测区域ZOI。参见图2。

标定红外热像图、设置试验参数开始试验。首先，对红外热成像的空间分辨率进行标定。在试样表面观测区域拍摄一段长为l mm的线段，其在热像图中占据n个像素点，那么单个像素所占的物理尺寸即可确定为l/n mm。热像图像素大小标定完成后，设置试验机加载参数，如加载频率、载荷幅值、载荷波形、应力比等，并同时设置红外热像仪参数，如采样频率、积分时间等。当试验机与热像仪的参数均设置完成后，即可通过同步控制器同时触发两台设备工作，使试验机疲劳加载与热像数据采集得以同步进行，以保证实时、完整地记录CT试样表面的裂纹扩展过程。

实验数据处理。采用Matlab程序读取红外热像系统观测记录的热像图数据，首先对热像图进行滤波处理，提高图像信噪比，减少外界环境白噪声对力学信号的干扰。然后根据公式(1)：

式中，公式左侧为描述温度变化的微分算子，右侧为引起温度变化的热源项。其中ρ为材料密度，C为比热容；θ＝T-T₀表示温升值；T为当前温度；T₀为初始温度；t描述时间变量；τ_th为时间常数，可通过优化方法求得；x、y为描述空间两个方向的变量；k为热传导系数；d₁为固有耗散源。该公式中，仅考虑固有耗散源，而不考虑其他热源(如热力耦合源)。

通过上述二维热传导方程由温度场计算得到热源场，并从中确定最大固有耗散的坐标位置，该位置即为裂纹尖端位置，如第i个载荷循环周次下，得到裂纹尖端最大热耗散源位置为(X_i,Y_i)，可参见图3。根据裂纹尖端位置，可利用公式(2)：

式中，a₀为疲劳裂纹初始长度。根据各个循环周次下依次记录的疲劳裂纹尖端位置(X_i,Y_i)，即可获取疲劳裂纹的扩展路径。依据裂纹尖端初始位置(X₀,Y₀)及任意第i个循环周次下的裂纹尖端位置(X_i,Y_i)，即可根据公式(2)计算疲劳裂纹长度a_i。

计算得到第i时刻的裂纹长度a_i，在已知第i时刻所对应的循环周次N_i后，即可获取该疲劳裂纹扩展过程中的a-N曲线，如图4中的实线所示。最后，根据由本方法获取的a-N数据，利用公式(3)：

式中，

是裂纹增量为a_i+1-a_i时刻所对应的平均裂纹扩展速率，即裂纹长度为

时的疲劳裂纹扩展速率。

为建立疲劳裂纹扩展速率da/dN与应力强度因子幅值ΔK之间的定量关系，根据疲劳试验设定的应力幅值Δσ，用平均裂纹长度

计算应力强度因子幅值ΔK，见公式(4):

式中ΔP为加载力幅值；B试件厚度；W为试件宽度；

将公式(3)计算得到的裂纹扩展速率da/dN和公式(4)计算得到的应力强度因子幅值ΔK的变化关系见图5所示。

图4表明，由本发明方法测量得到的裂纹长度与传统柔度法(采用COD规)得到的裂纹长度结果十分接近，两者之间的相对误差可由下公式(5)计算:

式中，err_s为在第s个循环周次下，由本方法测量得到的裂纹长度a_es与柔度法测量得到的裂纹长度a_s之间的相对误差。

在计算每个循环周次下的err值，即可获取err-N曲线，如图6所示。该图表明，在疲劳裂纹扩展的大部分循环周次内，相对误差值均低于2％，尤其在裂纹扩展的初始与稳定阶段。在疲劳裂纹扩展的后期，由于裂纹扩展的加速，裂尖塑性区不断增大，这使得柔度法基于线弹性断裂力学的假设条件不再成立，因而可能导致较大的测量误差。而本发明方法为一种实验测量方法，并不依赖于任何断裂力学的假设，因而不论在裂纹扩展的何种阶段，均可给出准确有效的测量结果。

上述实例充分说明了本发明方法在疲劳裂纹长度及裂纹扩展速率度量上的准确性与可靠性。

Claims (1)

1.一种基于红外热像技术的疲劳裂纹扩展速率测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤(1)试样准备：对试样进行机加工，达到所需的几何尺寸及表面粗糙度；

步骤(2)喷漆处理：在试样表面喷涂一层薄而均匀的黑色亚光漆，以提高试样表面的热辐射率，并保证表面发射率的均匀分布；

步骤(3)安装试样、架设红外热像仪：采用合适的夹具安装好试样，并将红外热像仪架设至合适位置，调整镜头焦距，直至可清晰观察到疲劳裂纹轮廓，确定观测区域ZOI(ZoneofInterest)；

步骤(4)图像像素大小标定：根据测试条件下红外热像图的空间分辨率，确定单个像素点所占的物理尺寸；

在该步骤(4)中，试样表面长度为lmm的一条线段在红外热像图中占据n个像素点，那么单个像素所占的实际物理尺寸即l/n mm；

步骤(5)设置实验条件开始试验：设定红外热像仪的采样频率及相关测量参数，设定疲劳试验机的加载参数，采用交变载荷对试样进行疲劳加载，并同时开启红外热像仪，同步记录疲劳试样表面的热像图，获取实时温度场；

步骤(6)计算热源场及自动识别裂纹尖端位置：基于原始温度场数据，利用二维热传导模型计算出相应的热源场，并在获取的热源场中自动识别出疲劳裂纹尖端位置，即固有耗散最大值的坐标位置；

利用Matlab程序读取红外热像系统记录的热像图数据，并对热像图进行相应的滤波处理，以减少白噪声及外界干扰，再利用二维热传导模型由温度场计算获取热源场，所述二维热传导模型见公式(1)，公式(1)如下：

；

式中，公式左侧为描述温度变化的微分算子，右侧为引起温度变化的热源项；其中ρ为材料密度，C为比热容，θ＝T-T表示温升值，T为当前温度，T为初始温度，τ_th为时间常数，k为热传导系数，d为固有耗散；

根据所述二维热传导模型计算获取试样表面的热源场，通过Matlab程序自动识别出最大固有耗散源对应的坐标位置，并进行数据记录与保存；如第i个载荷循环周次下，得到裂纹尖端最大热耗散源位置为(X_i，Y_i)；

根据各个循环周次下依次记录的疲劳裂纹尖端位置(X_i，Y_i)，即可获取疲劳裂纹的扩展路径；依据裂纹尖端初始位置(X₀,Y₀)及任意第i个循环周次下的裂纹尖端位置(X_i，Y_i)，即可根据公式(2)计算疲劳裂纹长度a_i，公式(2)如下：

式中，a为疲劳裂纹初始长度；

步骤(7)计算疲劳裂纹长度及裂纹扩展速率：根据疲劳裂纹尖端像素点位置，由裂纹尖端的初始位置即可计算获取各个时刻的疲劳裂纹长度，并进而计算得到疲劳裂纹扩展速率；在步骤(7)中，根据载荷循环周次N_i与疲劳裂纹长度a_i的关系，即可采用割线法计算获取疲劳裂纹扩展速率；所述割线法是对于给定的疲劳裂纹长度，通过计算a-N曲线上该裂纹长度对应微元段的斜率，即为该裂纹长度下的裂纹扩展速率，见公式(3)，公式(3)如下：

；

式中，

是裂纹增量为ai+1-ai时刻所对应的平均裂纹扩展速率，即裂纹长度为

时的疲劳裂纹扩展速率。

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