鋁合金振動疲勞同步測量技術研究

彭艷濤，呂勝利，馬君峰，李斌

(1.中航飛機起落架有限責任公司 規劃發展部，長沙 410200) (2.西北工業大學 無人機特種技術重點實驗室，西安 710072) (3.中國飛機強度研究所 五室，西安 710065)

0 引 言

金屬疲勞是損傷、累積和裂紋形成的過程，這一過程中消耗了能量，在宏觀上表現為熱耗散。熱耗散反映了材料的塑性變形過程，而疲勞不同階段的溫度變化則體現了熱耗散的規律。國內外學者對不同材料所開展的實驗和數值模擬研究表明，熱耗散與材料和加載狀態存在密切關系，并與材料的微觀組織演變有關，利用紅外熱像技術發展了預測材料疲勞極限的方法。駱志高等[1]討論了聲發射技術應用于疲勞裂紋的檢測的可能性，根據疲勞裂紋的信號特征及測試場合，選用合適的疲勞裂紋檢測方法，結合板簧疲勞裂紋試驗機上的實驗分析，得出聲發射技術應用于疲勞裂紋檢測的優勢；黃學斌[2]對紅外監測技術在氨制冷壓力管道不停機全面檢驗、承壓設備壁厚測量、泄漏檢測或監控、液位檢測、保溫層檢測、熱彈性紅外檢測等方面的研究情況進行了總結，并對影響測量精度的因素進行了分析，展望了紅外熱像無損檢測技術的應用前景；喬社娟等[3]提出了一種結合分流校準電路和長導線電阻補償算法的策略，根據應變片配橋方式和粘貼形態的不同，計算出實際的長導線電阻阻值與應變片靜態阻值，采用計算值進行應變補償取代了傳統各種試驗前必須使用高精密校準儀器對整個系統進行校準；趙士龍等[4]采用紅外成像技術，獲取鋁箔封口部位的紅外圖像，對所獲的紅外圖像進行預處理，并以環形對稱 Gabor 小波對其進行特征提取，用最近鄰分類器對所獲圖像進行識別與分類處理，以此提出一種檢測精度和檢測效率高的鋁箔封口密封完整性檢測方法。

隨著振動試驗技術的不斷進步，振動疲勞試驗擁有了良好的試驗基礎，能夠進行各種環境下的振動疲勞模擬試驗。振動疲勞試驗主要以通過對環境激勵的模擬，在實驗室里得到試件的使用壽命，重點在于如何準確判斷何時試件已經發生了破壞。但是，判斷試驗中試件發生振動疲勞破壞的方法和標準尚未達成統一認識。目前，在工程實踐中，大多數研究都以出現可觀測裂紋時的時間作為試件的疲勞壽命，但裂紋的觀測長度具有不確定性。在試驗中停機觀測的裂紋長度隨機性也比較大，這些都會給實驗人員帶來很大困難。從現有的資料來看，大多數研究是針對疲勞試驗測試方法[5-11]，由于振動疲勞類型的多樣性和復雜性，目前對振動疲勞試驗方法的研究很少，常用振動疲勞壽命判斷方法例如直接觀測法、動態應變法和固有頻率法，還無法滿足振動疲勞試驗研究的需求，迫切需要發展新方法和新技術。各種光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、激光表面儀、掃描探針顯微鏡以及紅外設備等廣泛應用于材料表面的分析測試，許多學者籍此進行了材料斷口分析、裂紋擴展，熱耗散分析等方面的研究。另外，為了研究損傷演化過程中表面形貌的變化，有些學者將力學加載試驗機和顯微觀測設備整合起來。

本文同時采用紅外監測技術、聲發射技術、顯微測試技術、應變測試技術等對不同加速度下的鋁合金振動疲勞試樣進行測量，綜合分析各種測試方法的測試結果，研究振動疲勞損傷的變化情況，以期發現鋁合金振動疲勞的新現象。

1 鋁合金振動疲勞同步測量方案

1.1 振動疲勞試驗同步測量系統的搭建

試驗中所用鋁合金材料為2024T0，振動疲勞試件的標距長度L=20 mm，寬度B=10 mm，厚度T=3 mm。試件尺寸如圖1 所示。

圖1 鋁合金振動疲勞試件尺寸示意圖

鋁合金振動疲勞實驗裝置如圖2所示，將試驗件置于振動臺上，同時使用聲發射檢測系統、紅外熱像儀、測試顯微鏡、應變檢測系統對試驗件進行實時監測，其中紅外熱像儀和測試顯微鏡從正反兩面監測特征部位的試驗件表面，得到實時數據，并同時記錄下所得數據，以便對試驗件的性能進行多方位多角度的分析。通過多重手段可以更全面、更客觀地了解試驗件在加載時的性能指標變化情況。

圖2 振動疲勞同步監測實驗裝置示意圖

1.2 同步測量試驗參數設定

振動疲勞試驗環境為室溫大氣環境，試驗駐波頻率為145 Hz，通過加速度控制試件的應變范圍。在試驗前對所有試驗設備進行標定，并通過少量的預先試驗驗證測試結果的正確性。另外，同一加速度的試件數量為5根，通過數據處理盡可能減小試樣的壽命數據分散性。

在鋁合金懸臂梁試件的振動疲勞過程中通過聲發射儀采集聲發射信號，采用美國PAC公司的PCI-8全數字聲發射儀和AEWin for PCI2 E3.10軟件對該材料進行損傷在線監測。傳感器布置在試件根部10～15 mm處，傳感器型號為MICRO30S型。聲發射系統參數設置：固定門檻值60 dB，浮動門寬6 dB；前置放大40 dB；模擬濾波1～3 MHz；波形采樣率1 MSPS，預觸發256 μs，長度1 kμs；波形峰值定義時間(PDT)300 μs，事件定義時間(HDT)600 μs，閉鎖時間(HLT)1 000 μs。采用如上參數進行背景噪音濾波，開展聲發射的信號的同步監測試驗，用于后期的振動疲勞裂紋萌生及擴展分析。

考慮到試驗加載振動頻率過高，在紅外熱成像監測中，試件采用表面做單面拋光、單面噴漆涂黑工藝處理方案和試樣夾持端貼橡膠的隔熱處理的策略，并確定紅外熱像儀監測參數及溫度試驗數據處理分析方案。試驗中采用的是FLIR公司Silver 420M紅外熱像儀，該熱像儀的波長范圍3～5 μm，溫度精度25 mk，圖像分辨率320×240 pix，選用鏡頭焦距54 mm。

2 鋁合金振動疲勞同步測量結果分析

2.1 聲發射信號分析

在鋁合金振動疲勞過程中，聲發射信號頻率350 kHz以上的信號基本為噪音信號，鋁合金疲勞損傷大多在350 kHz以下，機械噪音大多低于100 kHz。本文采用波形濾波和多參數濾波對鋁合金振動疲勞過程中的聲發射信號進行降噪處理。聲發射幅值、能量和振鈴計數可以很好地表征振動疲勞的損傷過程，因此本文主要分析經過濾波后的幅值、能量、振鈴計數參數特征值。聲發射信號分析結果如圖3所示。

(a) 聲發射計數隨時間的變化關系

(b) 聲發射能量隨時間的變化關系

(c) 聲發射幅值隨時間的變化關系

聲發射信號參數隨時間的變化在整個振動疲勞過程中大概分為兩個階段：第一階段，參數特征值變化呈現先上升后下降趨勢，先達到最高，隨著時間的增加，幅值、振鈴計數和能量逐漸變密，隨著時間增加，振鈴計數大幅度減小，其幅值和能量密度也減小；第二階段，幅值存在兩個峰值，試驗時間超過一定時間后，幅值變化趨于平緩；能量和振鈴計數均為“單峰”，隨后能量和振鈴計數緩慢增加，直至試驗結束。

聲發射參數在整個振動疲勞過程中的變化與該鋁合金懸臂梁的損傷形式有很大關系。在第一階段結束，聲發射計數、能量密度大幅度減小，幅值也隨之減小。這是因為在微裂紋萌生末期至小裂紋穩定擴展初期，大量的微裂紋合并為主裂紋，裂紋數量減少，其聲發射振鈴計數也隨之減少。在第二階段，隨著試驗時間增大，裂紋穩定擴展，主裂紋產生的能量比微裂紋要大，因此，聲發射能量和幅值、計數也隨之增多，在某個時間點附近，聲發射能量和計數都達到最大，初步判定此階段為裂紋快速擴展初期，裂紋快速擴展導致大量的聲發射信號產生。由此分析可知，該鋁合金懸臂梁振動疲勞損傷過程中，在第一階段結束時，為裂紋萌生期；在第二階段至試驗結束，為宏觀裂紋擴展期。

2.2 試件表面溫度場分析

在振動疲勞試驗中，紅外熱像儀實時監測試件表面攝氏溫度變化，通過監測試件周邊環境(藍色框1)、試件標距段(綠色框2)，試件過渡段(橙色框3)及試件根部(灰色框4)的溫度變化，分析試件表面溫度場的變化，如圖4所示。

圖4 鋁合金振動疲勞試件表面溫度場

在試件表面溫度場中，試件過渡段表面溫度最高，其次是標距段，試件根部溫度最低。在整個振動疲勞過程中，溫度變化分為三個階段：第一階段，試件表面溫度迅速攀升至穩定段，在這個階段中，由于大量的微裂紋成核及萌生，產生熱耗散，導致試件表面溫度急劇升高；第二階段，試件表面溫度先緩慢升高然后降低，這個過程中，微裂紋穩定擴展，并且微裂紋逐漸合并為主裂紋，裂紋數量減少，并且隨著時間穩定擴展；第三階段，試件表面溫度緩慢升高維持穩定直至試樣斷裂，溫度急劇降低，這是由于材料形成宏觀裂紋并且快速擴展，最終導致試件表面溫度場發生變化。由此分析可以判定：裂紋萌生主要在第一階段，第二階段為微裂紋擴展合并形成主裂紋，第三階段為宏觀主裂紋快速擴展至試件斷裂失效。試驗過程中典型紅外信號試驗結果如圖5所示。

2.3 振動疲勞過程損傷分析

在鋁合金懸臂梁試件的振動疲勞試驗中，測試共振駐留試驗與非共振試驗的疲勞壽命，二者相差較大。在共振駐留試驗中，最大應變隨著循環次數快速增大，直至宏觀裂紋快速擴展，應變急劇降低，試件失效破壞。而在非共振試驗中，最大應變隨著循環次數緩慢增長，隨著循環次數增大，最大應變減小，宏觀裂紋擴展，最后試件失效破壞，整個試驗過程中，應變沒有明顯急劇變化。二者應變變化歷程曲線如圖6所示。

圖5 共振駐留試驗的典型紅外信號歷程曲線

圖6 最大應變變化歷程曲線對比(共振駐留與非共振試驗)

在振動疲勞過程中，綜合紅外信號、聲發射信號及測試應變試驗結果，結合材料表面顯微形貌圖像進行分析。振動疲勞歷程中各物理量變化趨勢如圖7所示，可以看出：損傷形成、擴展及失效的變化歷程。整個疲勞過程可以分成兩個階段：損傷形成階段和裂紋萌生擴展階段。

(1) 在損傷開始形成階段，溫度升速快，阻尼降速快，此階段占整個疲勞壽命的20%，在疲勞壽命的1/3階段，由材料表面微觀形貌可以觀察到材料表面滑移帶變深、加粗，并且聲發射信號出現峰值，此時的溫度升速減緩。

(2)在微裂紋萌生、擴展，形成宏觀裂紋階段，此階段占整個疲勞壽命的60%，由顯微形貌圖可以看到，微裂紋生成，并且穿過晶壁，此時聲發射出現另一組峰值，并且溫度不再上升，共振頻率開始緩慢的下降；在整個疲勞壽命的90%時，可以觀察到微裂紋在晶粒內部擴展，并且部分微裂紋穿過整個晶粒，此時試驗的阻尼降至最小，溫度開始下降；試驗結束，觀察到材料表面有宏觀裂紋產生，此時的共振頻率下降1%。

圖7 振動疲勞歷程中各物理量變化趨勢

3 結 論

(1) 鋁合金振動疲勞過程中，不同階段應主要考慮采用不同的參數作為判斷依據，疲勞壽命可以看作依賴于應力、頻率、阻尼等參數的函數。

(2) 鋁合金振動疲勞過程中，溫升值隨著加速度增大是非線性的，并且加速度對溫度場的影響較小。

(3) 噪音信號較為復雜，需要通過多種濾波手段處理信號，處理后的聲發射信號可以很好檢測到鋁合金振動疲勞的裂紋萌生和擴展壽命。