基于CCD圖像的疲勞裂紋生長(zhǎng)研究

萬雪峰

【摘 要】疲勞損傷是導(dǎo)致機(jī)械件失效的主要原因之一。在高溫、高壓、交變載荷、負(fù)載環(huán)境中零件的使用壽命遠(yuǎn)低于其設(shè)計(jì)壽命。其失效形式主要為疲勞損傷。其過程為疲勞裂紋的萌生，拓展，致使其斷裂失效。利用好的監(jiān)測(cè)手段將損傷發(fā)現(xiàn)在裂紋的萌生、拓展階段，并預(yù)測(cè)其失效時(shí)間意義重大。本文將常用的裂紋檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行介紹和比較，并重點(diǎn)介紹CCD圖像法在疲勞裂紋檢測(cè)中的應(yīng)用和優(yōu)缺點(diǎn)及其前景。

【關(guān)鍵詞】疲勞損傷 裂紋生長(zhǎng) 裂紋檢測(cè) CCD圖像法

【Abstract】 Fatigue is one of the main reasons leading to mechanical parts failure.The life of parts far below than its designed life within the terrible environment，where there are high temperature， alternating load，high pressure.Its failure mainly attributes to fatigue damage.First，fatigue cracks generate.then expand，break.It is significant to make use of the means of monitoring the damage found in the crack initiation， expansion stage， and predicts the failure time.This article introduces and compares crack detection Technique.Focus on CCD Image method in the detection of fatigue crack and the advantages and disadvantages and its prospects.

【Keywords】 Fatigue damage； Cracks growth； Crack detection； Method of CCD image

1 疲勞裂紋的生長(zhǎng)規(guī)律

機(jī)械零件的破壞形式多樣，最主要的形式是疲勞失效，其主要表現(xiàn)為的裂紋生長(zhǎng)導(dǎo)致零件斷裂，詳細(xì)可以分為：疲勞成核，然后微觀裂紋生長(zhǎng)，引起宏觀裂紋擴(kuò)展，最后發(fā)生斷裂[1]。其中裂紋的萌生和擴(kuò)展是兩個(gè)關(guān)鍵過程。裂紋萌生階段和擴(kuò)展階段很難進(jìn)行詳細(xì)的劃分，該過程的區(qū)分根據(jù)檢測(cè)儀器的精度不同而不同。疲勞裂紋的擴(kuò)展分為第Ⅰ階段和第Ⅱ階段。在第Ⅰ階段，萌生很多條微觀裂紋，這些微觀裂紋在繼續(xù)施加循環(huán)交變載荷的過程中，擴(kuò)展并互相連結(jié)，但絕大多數(shù)停止擴(kuò)展，在這個(gè)階段，裂紋的擴(kuò)展速率很緩慢。在第Ⅱ階段，只剩下一條主裂紋，擴(kuò)展速率迅速變大。最后斷裂是疲勞破壞的最終階段，它和前兩個(gè)階段不同.是在—瞬間突然發(fā)生的，但從疲勞的全過程來說，則仍是漸進(jìn)式的，是裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸，裂紋尖的應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到臨界值的結(jié)果[2]。由此可見在疲勞裂紋的萌生階段，裂紋規(guī)律明顯利于檢測(cè)和對(duì)疲勞階段的定位，有效的避免零件進(jìn)入第Ⅱ階段突然失效造成損失。

2 現(xiàn)有疲勞裂紋檢測(cè)方法

現(xiàn)有裂紋檢測(cè)方法有直讀法、柔度法、電位法、探傷法、光學(xué)法[3-10]。

其中光學(xué)法：全息照相（攝影）術(shù)、散斑照相法和光彈術(shù)都是利用光學(xué)現(xiàn)象來檢測(cè)表面裂紋擴(kuò)展?fàn)顩r的先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)，統(tǒng)稱為光學(xué)法[12]。全息照相術(shù)包括全息記錄和全息再現(xiàn)兩個(gè)過程。其中記錄過程可將物體發(fā)出的光的振幅和位相同時(shí)記錄下來。全息術(shù)利用同一光源發(fā)射的兩道光束重疊并相互作用產(chǎn)生全息圖像，通過對(duì)在不同條件下拍攝的全息照片進(jìn)行對(duì)比，獲得裂紋長(zhǎng)度的變化。物體粗糙表面被激光照射會(huì)形成散斑，通過對(duì)比物體變形前后散斑圖的變化來檢測(cè)表面裂紋長(zhǎng)度的方法稱為散斑照相法。它比全息法的影響因素更少，性能更可靠。光彈術(shù)使用某種光學(xué)靈敏材料制成與實(shí)物相似的模型，或粘貼在實(shí)際構(gòu)件上，在相應(yīng)載荷作用下，用偏振光照射便得到因光波的干涉而形成的應(yīng)力光圖；對(duì)其進(jìn)行分析和計(jì)算可得知構(gòu)件表面裂紋的長(zhǎng)度。

上述方法均為生產(chǎn)中常用的缺陷檢測(cè)，為使各方法的優(yōu)缺點(diǎn)更加直觀，可見表1。

3 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖（3-1）。

設(shè)備參數(shù)如下：

疲勞樣機(jī)：加載頻率0.8HZ；投影儀型號(hào)BENQ jobee GP2 series；分辨率：DMD1280*800；

亮度：200流明；投射比：1.13；聚焦范圍：0.75m-5m；寬高比：16：10；遠(yuǎn)心鏡頭：2倍；

焦距330mm；CCD相機(jī)：最高頻率250HZ；分辨率2050*2050；計(jì)算機(jī)型號(hào)：THINKPAD-TP0007A；

試件材料為304不銹鋼，詳細(xì)尺寸如圖（3-2）。

將試件裝夾好，調(diào)整好光路和相機(jī)，完成對(duì)相機(jī)的標(biāo)定，開始實(shí)驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)。重復(fù)該實(shí)驗(yàn)，以五件試件為一組。最后處理數(shù)據(jù)得到結(jié)論。

4 數(shù)據(jù)結(jié)果

這里以其中一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例如圖（4-1）（4-2）。

5 結(jié)語

本文對(duì)生產(chǎn)中常用的裂紋檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了較詳細(xì)的對(duì)比，每種技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。其中隨著數(shù)字圖像技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的光學(xué)法，雖然歷史不長(zhǎng)但是其應(yīng)用條件和測(cè)量精度都非常優(yōu)秀，本實(shí)驗(yàn)室中得到的疲勞裂紋生長(zhǎng)規(guī)律與金屬的疲勞壽命規(guī)律吻合良好，由于采樣間隔不同在循環(huán)一定次數(shù)后，裂紋長(zhǎng)度發(fā)生突變可作為識(shí)別的條件。該光學(xué)測(cè)量法系統(tǒng)的精度最高可達(dá)到10um/pixel。利用合理算法，精度可以達(dá)到0.1像素，系統(tǒng)最終精度可到1um。并且隨著技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)光，散斑等技術(shù)的應(yīng)用，光學(xué)法不僅可以測(cè)量平面缺陷而且可以測(cè)量三維缺陷，并重建形貌。

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