低周疲勞試樣裂紋在線檢測法

鄭建軍，張 昭，王 倩，白 瑋

（中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所 全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力／疲勞航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710065）

在工程實(shí)踐中，常常需要盡早發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件初始裂紋的產(chǎn)生并記錄裂紋擴(kuò)展過程，根據(jù)被檢構(gòu)件材料及結(jié)構(gòu)形式的差異，目前已發(fā)展出了多種無損檢測方法［1－2］。不同的無損檢測方法由于其檢測原理和特性的不同而有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，但對(duì)于高強(qiáng)度合金材料低周疲勞試樣的在線無損檢測，因其裂紋擴(kuò)展壽命短、裂紋擴(kuò)展速率快等特點(diǎn)，常規(guī)無損檢測方法的可靠度和準(zhǔn)確度都無法達(dá)到滿意的效果。

筆者采用了長焦顯微鏡觀測法、銀涂層判別法、聲發(fā)射（AE）檢測法［3］和應(yīng)變片檢測法［4－5］四種方法，通過對(duì)比該四種方法在同一試樣中的應(yīng)用及效果，明確了各方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。

1 試樣材料與檢測方法

試樣材料為TC18鈦合金，表面采用剛玉砂吹砂處理，表面粗糙度Ra為3.2。試件形狀及尺寸如圖1所示，長300mm，寬40mm，厚2mm，中心位置直徑6mm 的圓孔。采用500kN Instron8801液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。

疲勞試驗(yàn)最大載荷分別為621 MPa常幅疲勞、807 MPa常幅疲勞及100循環(huán)621 MPa載荷，間隔2循環(huán)807 MPa載荷，試驗(yàn)應(yīng)力比R為0.06，加載頻率為3Hz。

圖1 鈦合金試件形狀及尺寸

長焦顯微鏡觀測法在試驗(yàn)時(shí)，每間隔500循環(huán)觀察一次，記錄是否有裂紋產(chǎn)生及裂紋的尺寸；銀涂層判別法為根據(jù)涂好的銀粉線接電極后采用專用檢測設(shè)備進(jìn)行在線檢測；AE 檢測法在試樣兩端沿長度方向中心線距孔中心150mm 對(duì)稱位置分別接探頭，試驗(yàn)時(shí)連接檢測儀器進(jìn)行在線檢測；應(yīng)變片檢測法先在試樣孔邊沿試樣長度方向粘貼應(yīng)變片，試驗(yàn)時(shí)實(shí)時(shí)測量應(yīng)變值，通過對(duì)比應(yīng)變值的變化進(jìn)行檢測。銀粉線、AE 探頭及應(yīng)變片在試樣上的分布位置如圖2所示。

圖2 不同檢測方法實(shí)施位置

2 四種方法檢測結(jié)果與比較

2.1 檢測結(jié)果

2.1.1 長焦顯微鏡觀測法

長焦顯微鏡觀測法是目視檢測的一種，其借助于長度尺寸經(jīng)過標(biāo)定的具有固定視場的顯微鏡貼于試樣表面進(jìn)行觀察，當(dāng)試樣產(chǎn)生裂紋時(shí)，隨著加載裂紋尖端會(huì)產(chǎn)生開閉動(dòng)作，通過長焦顯微鏡的觀察即可發(fā)現(xiàn)有裂紋產(chǎn)生并記錄裂紋尺寸。

2.1.2 銀涂層判別法

銀涂層判別法是利用韌度很低的銀粉涂于試樣表面形成多條銀粉線，在銀粉線的兩級(jí)分別接電極，并實(shí)時(shí)檢測電極的通斷。試驗(yàn)初始，銀粉線的兩級(jí)應(yīng)一直保持接通狀態(tài)，試驗(yàn)中當(dāng)試樣產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展至銀粉線處時(shí)，韌度較低的銀粉線將隨裂紋的產(chǎn)生一同斷裂，檢測電極的通斷即可實(shí)時(shí)檢測銀粉線斷裂的時(shí)間和對(duì)應(yīng)的循環(huán)數(shù)。如果事先對(duì)可能的起裂點(diǎn)至各條銀粉線外邊沿的尺寸進(jìn)行測量，則銀涂層還可記錄裂紋尺寸與循環(huán)數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。一般情況下，試驗(yàn)件的材料都為導(dǎo)電的金屬材料，因此還需要在試樣與銀粉線之間涂抹一層絕緣且低韌度的材料。

2.1.3 AE檢測法

AE是當(dāng)物體或材料內(nèi)部迅速釋放能量而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的一種物理現(xiàn)象，而AE 信號(hào)則表示一個(gè)或多個(gè)AE事件經(jīng)傳感器接收并經(jīng)系統(tǒng)處理后以某種形式出現(xiàn)的電信號(hào)。通過檢測設(shè)備及檢測系統(tǒng)可以收集和鑒別收集到的電信號(hào)，從而能夠從中獲取需要的有價(jià)值的信息，為結(jié)構(gòu)件或材料的缺陷判別提供支持。AE檢測結(jié)果如圖3所示。

圖3 AE檢測法檢測結(jié)果

2.1.4 應(yīng)變片檢測法

應(yīng)變片檢測法是在試樣易產(chǎn)生裂紋部位表面粘貼應(yīng)變片，試驗(yàn)時(shí)實(shí)時(shí)對(duì)比應(yīng)變片的應(yīng)變值與載荷循環(huán)的規(guī)律，可以檢測出試樣應(yīng)變片粘貼位置附近材料缺陷的產(chǎn)生時(shí)間，當(dāng)應(yīng)變值出現(xiàn)急劇變動(dòng)時(shí)可認(rèn)為試樣的裂紋已擴(kuò)展至應(yīng)變片附近，通過測量起裂點(diǎn)至應(yīng)變片最近應(yīng)變絲的距離可實(shí)現(xiàn)循環(huán)數(shù)與裂紋長度的對(duì)應(yīng)。應(yīng)變片檢測信號(hào)如圖4所示。

圖4 應(yīng)變片法檢測信號(hào)

四種方法初始裂紋尺寸檢測結(jié)果如表1所示。

2.2 檢測效果比較

2.2.1 初始裂紋檢測效果

長焦顯微鏡觀測法是通過人眼對(duì)試樣危險(xiǎn)部位表面進(jìn)行觀察，而實(shí)際操作中不可能做到不間斷觀察，因此很難準(zhǔn)確捕捉到初始裂紋產(chǎn)生的時(shí)間。而且由于試樣為低周疲勞試驗(yàn)件，試樣的總壽命和裂紋擴(kuò)展壽命都很低，往往當(dāng)發(fā)現(xiàn)裂紋時(shí)裂紋尺寸已經(jīng)較長了。基于此，后續(xù)試樣并未采用長焦顯微鏡觀測法進(jìn)行檢測。

銀涂層判別法原理較簡單，通過測量銀粉線電極的通斷實(shí)現(xiàn)裂紋尺寸的檢測，試驗(yàn)中銀涂層測得了多組裂紋長度值。但銀涂層的使用也有其局限性，只能發(fā)現(xiàn)由銀粉線的粗細(xì)和密度確定的缺陷尺寸。在實(shí)施過程中，銀涂層的工藝較為復(fù)雜，首先需要在試樣表面涂絕緣漆，然后制作銀粉線，最后還要進(jìn)行焊線、接線、檢測等工作；因此，銀涂層檢測法的工作量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他方法。

表1 部分試樣裂紋在線檢測結(jié)果

AE檢測法理論上可以準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展過程，但在實(shí)際操作中，由于外界試驗(yàn)機(jī)、油源、機(jī)械摩擦等噪聲源太多且幅值較高，在常幅疲勞載荷下AE檢測法未能實(shí)現(xiàn)裂紋產(chǎn)生的有效甄別，在間隔超載試樣的試驗(yàn)超載循環(huán)時(shí)可以檢測到AE信號(hào)。

應(yīng)變片檢測法的原理與銀涂層判別法相似，都是通過檢測試樣表面附加設(shè)備的通斷來判斷開裂情況，在工程應(yīng)用中應(yīng)變片用量較多，應(yīng)變測量設(shè)備使用也較多。因此相較于銀涂層法，應(yīng)變片檢測法更便于操作和實(shí)現(xiàn)，但試驗(yàn)中在高應(yīng)變循環(huán)載荷下會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變片粘貼不牢固的情況。表1中未檢測到初始裂紋的情況均為經(jīng)過數(shù)次循環(huán)后應(yīng)變片松脫從而無法提供有效數(shù)據(jù)。

2.2.2 裂紋長度記錄效果

長焦顯微鏡觀測法通過目視讀數(shù)進(jìn)行記錄，由于目視讀數(shù)需要一定時(shí)間，在低周疲勞中，裂紋擴(kuò)展速率較快，一次讀數(shù)的裂紋擴(kuò)展長度可能達(dá)到0.2mm，因此該方法的誤差也較大。銀涂層判別法僅需要記錄銀粉線斷裂時(shí)的循環(huán)數(shù)即可實(shí)現(xiàn)裂紋長度與循環(huán)數(shù)的對(duì)應(yīng)，使用時(shí)操作較為簡單。其缺點(diǎn)為由于工藝及尺寸的限制，可讀取裂紋長度的銀粉線數(shù)量有限，試驗(yàn)中僅能讀取固定尺寸的裂紋長度；且在本次試驗(yàn)中，由于材料應(yīng)變較高，部分銀粉線在循環(huán)高應(yīng)變下提前斷開，影響了檢測結(jié)果。AE 檢測法主要用于發(fā)現(xiàn)缺陷產(chǎn)生和裂紋擴(kuò)展過程，無法進(jìn)行裂紋尺寸的測量。應(yīng)變片檢測法由于裂尖塑性區(qū)的影響并不能準(zhǔn)確判斷裂紋尺寸與循環(huán)數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而且應(yīng)變片寬度較寬，實(shí)施中也不方便并排粘貼多個(gè)應(yīng)變片。

2.2.3 不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場合

將四種檢測方法在初始裂紋產(chǎn)生和裂紋尺寸記錄方面的優(yōu)缺點(diǎn)分別進(jìn)行分析，并對(duì)不同檢測方法的適用場合進(jìn)行歸納，如表2所示。

表2 不同檢測方法優(yōu)缺點(diǎn)及適用場合

通過表2分析可知，對(duì)于TC18鈦合金低周疲勞初始裂紋監(jiān)測及裂紋長度測量，四種方法各有優(yōu)劣，但僅采用一種方法均難以有效得到滿意的檢測結(jié)果。根據(jù)上述分析，對(duì)于此類試樣推薦采用應(yīng)變片檢測法檢測初始裂紋的產(chǎn)生，如裂紋長度要求精度不高可采用長焦顯微鏡觀測法測量裂紋長度，測量精度要求較高則可采用銀涂層法進(jìn)行監(jiān)測，此類試驗(yàn)不推薦使用聲發(fā)射法進(jìn)行檢測。

3 結(jié)語

（1）采用了四種檢測方法在TC18鈦合金低周疲勞試驗(yàn)中監(jiān)測初始裂紋產(chǎn)生，測量裂紋尺寸，得到了不同檢測方法的檢測能力及檢測效果。

（2）通過分析不同檢測方法在試驗(yàn)中的檢測結(jié)果，給出了檢測方法組合建議：應(yīng)變片檢測法檢測初始裂紋的產(chǎn)生，如裂紋長度要求精度不高可采用長焦顯微鏡觀測法測量裂紋長度，測量精度要求較高則可采用銀涂層法進(jìn)行監(jiān)測。

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