CN1869639A - 用红外热像进行疲劳分析与检测的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用红外热像进行疲劳分析与检测的方法，对待测试件进行不同载荷水平下的循环加载，所加载荷由低向高增加，最低载荷不低于使试件有温升的最小载荷值，每一载荷水平下，加载的循环次数大于使试件升温稳定的加载循环次数，用红外热像仪测得待测试件在不同载荷下不同时刻的表面温度，对所测得的数据处理后，得到斜率不同的两条直线，该两条直线的交点所对应的横坐标值即为待测试件的疲劳极限。用红外热像仪测得待测试件在不同载荷下不同时刻的表面温度后，即可得到该试件的疲劳极限，而且由于对数据中至少两个在疲劳极限之上的数据和至少两个疲劳极限之下的数据分别进行线性拟合，使分析结果更加准确、适用范围更广。
Description
技术领域
本发明涉及一种试件的疲劳分析方法，具体指一种用红外热像进行疲劳分析与检测的方法。
背景技术
强度、刚度和疲劳是对工程结构和机械使用的三个基本要求，确定结构和机械疲劳寿命的方法主要有两类：试验法和试验分析法。传统试验法，确定疲劳寿命依赖于大量试验，它直接通过与实际情况相同或相似的大量试验来获取所需要的疲劳数据。这种方法可靠，但往往耗时长、需用试件多，致使疲劳分析工作周期长、试验成本较高，其可行性受到很大制约。试验分析法是依据材料的疲劳性能，对照结构所受到的载荷历程，按分析模型来确定结构的疲劳寿命。虽然降低了疲劳分析对于大量试验的依赖性，但其分析结果的可靠性常常太差。而其他一些利用试验测量裂纹应力强度因子，然后进行材料疲劳破坏特性分析的方法，是和微观力学紧密联系在一起的，不适合直接应用于工程和工业设计。
近年来，红外热像技术已被应用于疲劳分析研究中，红外热像技术在疲劳破坏研究中的最初应用是通过观测构件表面温度变化来确定裂纹位置。通过记录循环加载过程中试件的表面温度变化，分析给定试件的疲劳特征参数。并且，意大利学者A.Risitano将上述的利用红外热像图确定材料疲劳极限的方法申请了专利，命名为Risitano法。但是在Risitano法的处理过程中，没有考虑非疲劳效应如粘性产生的温度变化
发明内容
针对上述状况，本发明的目的在于提供一种考虑到粘性对温度的影响使测量结果更加准确的用红外热像进行疲劳分析与检测的方法。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案为：
一种用红外热像进行疲劳分析与检测的方法，对待测试件进行不同载荷水平下的循环加载，所加载荷由低向高增加，最低载荷不低于使试件有温升的最小载荷值，每一载荷水平下，加载的循环次数大于使试件升温稳定的加载循环次数，用红外热像仪测得待测试件在不同载荷下不同时刻的表面温度，对所测得的数据处理后，得到不同应力水平下温升与循环次数的关系曲线，对该关系曲线二次处理，得到试件上最大载荷与温升的关系数据，对数据中至少两个在疲劳极限之上的数据和至少两个疲劳极限之下的数据分别利用最小二乘法进行线性拟合，得到斜率不同的两条直线，该两条直线的交点所对应的横坐标值即为待测试件的疲劳极限。
进一步，根据不同应力水平下温升与循环次数的关系曲线得到载荷与试件温度稳定时的循环次数的关系曲线，估计待测试件的疲劳寿命。
进一步，根据上述载荷与试件温度稳定时的循环次数的关系曲线得到应力与试件温度稳定时的循环次数的关系曲线，从而得到试件的热点应力分布和演化规律。
进一步，所述待测试件为工件及构件。
进一步，所述每一载荷水平下加载的循环次数大于使试件升温稳定的加载循环次数的20％。
采用上述方法，用红外热像仪测得待测试件在不同载荷下不同时刻的表面温度后，即可得到该试件的疲劳极限，而且由于对数据中至少两个在疲劳极限之上的数据和至少两个疲劳极限之下的数据分别利用最小二乘法进行线性拟合，使分析结果更加准确，并且适用于各种材料各种形状的工件及构件，适用范围更广，并且可进一步估计试件的疲劳寿命和试件的热点应力分布。
附图说明
图1为试件疲劳破坏过程中表面温度变化示意图；
图2为不同载荷作用下试件表面温度变化示意图；
图3为利用稳定阶段温度确定材料疲劳极限示意图；
图4为利用初始温升梯度确定材料疲劳极限的示意图；
图5为红外热像仪采集的试件表面温度图象示意图；
图6为不同应力水平下温升与循环次数关系曲线；
图7为应力水平与试件温升关系图；
图8为对数据分别进行线性拟合后的结果图。
具体实施方式：
下面具体说明本发明：
材料的疲劳是个能量耗散的过程，温度变化是研究疲劳过程的重要参量，它不仅能够确定疲劳损伤的位置，并且能够直观的监测其演化过程。热量耗散的多少不仅反映了材料不同破坏过程的差异，也体现了材料破坏过程的不可逆特征。
研究人员从大量的实验中总结出：材料疲劳过程中温度变化可以分为三个特征明显阶段如图1所示，ΔT为实验过程中试件在循环载荷作用下表面最高温度T和室温T0之差。实验发现，在载荷频率一定的条件下，当载荷超过材料的疲劳极限σ0时，温度变化分为以下几个阶段：
第一阶段——初始温升阶段(Phase1)。这一阶段由于试件和环境的温差较小，对流过程中的热量损失比较少，大部分热量耗散用于提高试样的温度，试件表面温度上升较快，直至温度稳定。其温度上升的时间，和破坏时的循环周次相比，只占整个疲劳寿命的很小一部分。通常，在载荷不接近屈服极限的时候，它在试件整个寿命中占有的比例不会超过10％。
第二阶段——温度稳定阶段(Phase2)。这一阶段，由于试件的热量耗散和试件与环境的热量交换大致相当，因此温度变化相对缓慢，温度相对稳定。温度稳定阶段时间的长短，由于载荷的不同，会变化很大。载荷越大(大于疲劳极限时)，材料达到稳定阶段时温度值越高，而时间越短如图2所示。当施加的载荷接近材料屈服极限时，温度稳定的这个阶段时间非常有限或者几乎没有。载荷越高，第一阶段温度上升的速率和第二阶段稳定时的温度值相应越高。
第三阶段——温度快速升高阶段(Phase3)。这一阶段试件中裂纹进入扩展阶段，由于裂尖的能量快速释放，导致裂尖温度快速上升。温度在很短时间内快速上升，直至发生破坏。
1986年，Curti等人通过对调质铁试件进行疲劳实验，并利用红外热像仪记录下其温度变化规律，结合大量的实验结果，提出了一种快速确定材料疲劳极限的新方法。实验表明，当在高于疲劳极限的载荷作用下，材料疲劳破坏过程中温度稳定阶段的温度值和载荷大小有近似的线性关系。那么，材料的疲劳极限可以通过绘制不同载荷水平下温度稳定阶段的温度值(图3)或初始阶段温升梯度(图4)与载荷之间变化的曲线来确定，疲劳极限应力就是曲线与载荷横轴的交点。
根据上述规律，本发明采用以下方法，在室温(22℃)下空气介质中，将试件固定于试验机上，该试验机选用力创100KN高频疲劳试验机，试件选用普通钢试件，首先估计使试件有温升的载荷水平的下限值，然后对同一试件进行不同载荷水平下的循环加载，通过试验机在试件上加载，加载条件为拉--拉变幅对称循环载荷，试验过程中取平均载荷10KN，幅值由4KN，按1KN的增量依次增加到8KN，再按0.5KN的增量增加到10.5KN，当幅值达到10.5KN后试件断裂，每一载荷水平下，加载的循环次数要大于使试件升温稳定的的加载循环次数，一般取大于使试件升温稳定的加载循环次数的20％，加载频率为共振频率133.6Hz；每一定载荷加载循环完毕，使试件恢复到室温，再进行下一载荷值的循环加载。加载过程中，采用ThermalCAMTME65红外热像仪分别采集不同载荷水平下不同时刻的热像图如图5，从而获得试件表面不同载荷水平下不同时刻的温度；
我们对实验中所采集的数据经处理后，得到图6所示不同应力水平下温升与循环次数的关系曲线，图中横坐标表示循环次数，纵坐标为温升值，从下到上的线条分别表示载荷幅值从4KN增加到10.5KN时的温升与循环次数的关系曲线，循环次数＝经历的时间×加载频率，取室温大致为22℃，试件温升＝试件表面最高温度-室温。
不考虑试件破坏时载荷为20.5KN的那条温升曲线，对图6中的数据进行二次处理，得到下表所示结果：
最大载荷与温升的关系数据
| 最大载荷(KN) | 温升值(℃) |
| 141516171818.51919.520 | 1.11.83.14.35.47.18.210.314.2 |
将上述表格中的数据在直角坐标中绘点，同时将载荷变换为应力(应力＝载荷/截面面积)，得到图7所示结果。
对表中前五个在疲劳极限之上的数据和后三个疲劳极限之下的数据分别利用最小二乘法进行线性拟合，得到图8中所示的两条直线，横坐标表示应力、纵坐标表示温度，图中的斜率小的直线是对前五个数据处理后得到的，斜率大的直线是对后三个数据处理后得到的。由图中可看出，两条直线的交点所对应的横坐标即为材料的疲劳极限，从图中可以得出该种材料的疲劳极限约为264MPa。
根据不同应力水平下温升与循环次数的关系曲线得到载荷与试件温度稳定时的循环次数的关系曲线，估计待测试件的疲劳寿命。
根据上述载荷与试件温度稳定时的循环次数的关系曲线得到应力与试件温度稳定时的循环次数的关系曲线，从而得到试件的热点应力分布图。
另外，所述待测试件可选择各种材料、各种形状的工件及构件。
Claims (5)
1、一种用红外热像进行疲劳分析与检测的方法，其特征在于，对待测试件进行不同载荷水平下的循环加载，所加载荷由低向高增加，最低载荷不低于使试件有温升的最小载荷值，每一载荷水平下，加载的循环次数大于使试件升温稳定的加载循环次数，用红外热像仪测得待测试件在不同载荷下不同时刻的表面温度，对所测得的数据处理后，得到不同应力水平下温升与循环次数的关系曲线，对该关系曲线二次处理，得到试件上最大载荷与温升的关系数据，对数据中至少两个在疲劳极限之上的数据和至少两个疲劳极限之下的数据分别利用最小二乘法进行线性拟合，得到斜率不同的两条直线，该两条直线的交点所对应的横坐标值即为待测试件的疲劳极限。
2、如权利要求1所述的用红外热像进行疲劳分析与检测的方法，其特征在于，根据不同应力水平下温升与循环次数的关系曲线得到载荷与试件温度稳定时的循环次数的关系曲线，估计待测试件的疲劳寿命。
3、如权利要求1所述的用红外热像进行疲劳分析与检测的方法，其特征在于，根据上述载荷与试件温度稳定时的循环次数的关系曲线得到应力与试件温度稳定时的循环次数的关系曲线，从而得到试件的热点应力分布和演化规律。
4、如权利要求1所述的用红外热像进行疲劳分析与检测的方法，其特征在于，所述待测试件为工件及构件。
5、如权利要求1所述的用红外热像进行疲劳分析与检测的方法，其特征在于，所述每一载荷水平下加载的循环次数大于使试件升温稳定的加载循环次数的20％。
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