基于紅外熱像法的金屬裂紋擴展研究

肖漢斌,秦佳樂,祝 鋒,羅洋溢,裴雪冬,劉 敏

(武漢理工大學交通與物流工程學院,湖北 武漢 430070)

1 引 言

金屬結構故障通常與其加工工藝、作業工況和使用頻率密切相關[1],疲勞斷裂是金屬結構主要故障之一,而斷裂是金屬材料裂紋萌生和擴展的結果。金屬結構的裂紋缺陷產生原因有很多種,如疲勞損傷、材料應力、異物沖擊以及被鋒利的物體刮擦等[2-4]。因此,在金屬結構裂紋擴展前期找到一種快速檢測裂紋的方法,對避免事故發生和經濟損失具有十分重要的意義[5]。

金屬結構中的裂紋裂紋在緩慢擴展過程中,裂紋尖端會產生應力集中,同時裂紋生長區會消耗大量的塑性功。伴隨著塑性功的耗散,即使是非常緩慢移動的裂紋,金屬構件表面也會產生溫度場和聲發射。基于此,金屬結構裂紋擴展時可以產生足夠強的溫度場來進行測量。

金屬結構溫度場的探測常用的技術為紅外熱像檢測,該技術因其無接觸檢測、檢測范圍大和效率高的特點深受學者的關注和研究。紅外熱像檢測技術具有以下特點[6-8]:(1)無接觸、安全,檢測時在設備的表面而不直接接觸,可以防止在設備卸載過程中帶來的危險；(2)簡單、直觀,紅外熱像技術操作較為簡單,其檢測所得到的結果形象直觀；(3)效率高、范圍廣、檢測的速度快,測量的結果精度高。

目前,國內外學者在紅外熱像檢測方面均取得了較為客觀的成果。Yang B[9]等發現影響試件表面溫度演化的因素,同時研究出疲勞過程中的溫度演化模型。K.S.Bhalla[10]等研究了302不銹鋼Ⅰ型裂紋擴展中的溫度場,計算裂紋的能量通量。Ankang Cheng[11]等根據斷裂過程區累計的釋放應變能與儲存能之間的關系提出了一種基于能量原理的疲勞裂紋擴展預測模型。王浩[12]等利用紅外熱像技術對航空工業發動機的葉片缺陷進行了研究。杜雪雪[13]等利用紅外熱像技術對大型起重機械金屬結構的裂紋進行檢測識別分析。李源[14]利用紅外熱像法計算疲勞耗散能,快速評估疲勞性能參數。王曉鋼[15]利用紅外熱像法研究金屬疲勞的能量耗散,建立了一套疲勞評估體系。樊俊鈴[16]等人利用紅外熱像法建立了快速預測疲勞參數和參與壽命的模型。王為清[17]等對Q235鋼拉伸過程熱塑性效應進行試驗分析。

本文以Q235試件為研究對象,有限元數值分析試件在等速位移單軸拉伸工況下的裂紋擴展情況和表面溫度場演化過程,討論不同塑性功轉化系數η對有數值模擬結果的影響,繪制試件在裂紋擴展過程中的溫度演化云圖、等效塑性應變云圖及損傷云圖,更好的了解試件在試驗過程中的塑性變化。并通過紅外試驗驗證有限元仿真中試件表面溫度演化數據結果的正確。本文的研究顯示在拉伸載荷下試件裂紋擴展過程中伴隨著大量能量釋放,試件表面的溫度有明顯提高。因此紅外檢測可作為一種可行的金屬結構裂紋快速檢測方法。

2 裂紋擴展的熱耦合方程

試件在拉伸過程中的熱效應主要由熱彈性效應、熱塑性效應以及熱傳導組成。當材料發生塑性變形及塑性損傷時,一定伴隨著熱塑性效應,其中大部分塑性功轉換為熱并散失掉。熱量傳遞的三種方式分別為熱傳導、熱對流和熱輻射。

熱彈性部分可以表示為:

(1)

熱塑性部分可以表示為:

(2)

對于密度均勻且各同向性的材料,如果將導熱系數、熱膨脹系數、密度及比熱視為常量,由熱力學第一定律、熱力學第二定律及材料的本構方程,可推導出材料在拉伸變形時耦合的熱傳導方程為:

(3)

式中,ρ為密度；cv為定容比熱；K為材料的熱導率；l為試件厚度。

公式(3)的右側各項即分別為材料變形過程中熱彈性效應、熱塑性效應、熱損失(熱傳導、熱對流和熱輻射)對溫度變化的影響。

3 有限元數值分析

3.1 有限元實現方法

在數值模擬方面,目前對于熱力耦合問題ABAQUS可以提供非耦合傳熱分析、順序耦合熱應力分析、完全耦合熱應力分析及絕熱分析。在拉伸試驗過程中,試件表面的溫度變化主要由力學變形產生,因此有限元分析選擇完全耦合熱應力分析。

3.2 有限元分析過程

利用ABAQUS模擬試件拉伸過程中的表面溫度變化,主要步驟如下:

試件根據GBT228.1-2010采用Q235鋼標準拉伸板件試樣,試樣厚度為2 mm。金屬試樣通過線切割機在試件一側加工一條寬0.5 mm、長4 mm的切縫,模擬初始裂紋,試件的尺寸如圖1所示。

圖1 試件形狀

試件在模擬拉伸產熱的過程中,主要用到的材料參數如表1所示。由公式(3)可知,試件在逐步拉伸加載的過程中,熱塑性部分是引起試件表面溫度變化的主要因素,材料的塑性參數將直接影響數值模擬結果。ABAQUS中采用塑性硬化模型來定義材料的塑性,本研究中使用Johnson-Cook模型,它是一種特殊的Isotropic模型,該模型適用于瞬時動態仿真分析。定義材料的失效形式,以及損傷參數,定義好材料屬性后將其指定給部件。

表1 Q235材料室溫性能

本文數值模擬為溫度-位移耦合,結合前文分析,決定采用掃掠網格技術,選用C3D8RT單元,以滿足數值模擬要求。對裂紋擴展路徑上進行網格加密,滿足數值模擬精度要求。

3.3 有限元分析結果

圖2為有限元數值模擬的30 mm/min拉伸速度下溫度演化云圖。由圖中可以看出,隨著裂紋的擴展,試件表面溫度逐步上升直至試件斷裂,在試件斷裂瞬間,試件表面溫度達到最大值。試件表面的最高溫度位于裂紋尖端前方,試件的塑性區為蝴蝶狀的對稱形狀。從圖中可以看出,試件表面的最高溫度位于裂紋尖端前方,隨著裂紋的擴展,試件的溫度向兩端傳遞。

圖2 溫度演化云圖

圖3為試件裂紋擴展過程的等效塑性應變云圖。本次有限元數值模擬模型采用的是彈塑性模型,可以對試件裂紋擴展過程中的塑性變化規律進行模擬。等效塑性應變代表了裂紋開始擴展前和裂紋開始擴展后一秒對材料的累積損傷,其值越大,表示塑性變形程度越高。

圖3 等效塑性應變云圖

圖4為試件裂紋擴展過程的損傷云圖,0表示沒有損失,1表示完全損失,即斷裂。

圖4 損傷云圖

4 有限元和試驗對比驗證

4.1 試驗過程

在電子式萬能試驗機上使用等速位移控制方式對試件進行單軸拉伸試驗,Q235試件的拉伸速度為15 m/min、20 mm/min和30 mm/min。

在拉伸試驗過程中使用浙江紅譜科技X600型紅外熱像儀對試件表面的溫度進行測量,并分別由兩臺計算機記錄紅外數據及拉伸試驗數據,如圖5所示。為使拉伸試件表面具有較高且均勻的表面發射率,在試件表面噴涂一層黑色的薄漆。最后在試驗機上對試件進行加載試驗,直至試件斷裂,如圖6所示。

圖5 試驗設備圖片

圖6 試件斷裂圖片

4.2 有限元及試驗數據對比

圖7為在拉伸速度為15 mm/min、20 mm/min和30 mm/min的試件試驗得到的溫度曲線和有限元數值模擬溫升曲線對比圖。從圖中可以看出,試驗得到的溫度曲線與有限元數值模擬結果較匹配,即可以驗證有限元數值分析的正確性。從圖中可以得到試件拉伸過程中溫度變化分為2個階段,第一階段裂紋擴展前平穩階段,在這個階段試件表面溫度主要受熱彈性影響,由于熱彈性引起的溫度變化較小,因此此階段溫度變化較平穩。第二階段為溫度穩步上升階段,在這個階段試件表面溫度主要受熱塑性影響,試件表面溫度逐步上升,直至試件斷裂。試件斷裂時,試件表面溫度達到最大值。同時從圖中可以看出,拉伸速度越大,溫度上升越高。

圖7 溫升曲線的試驗和數值模擬對比圖

如圖8所示,拉伸速度30 mm/min試驗測得的載荷位移曲線與有限元數值模擬的載合位移曲線吻合良好。此曲線下的區域面積表示輸入到材料中的能量,因此載荷位移曲線的吻合表明輸入到樣本的全局能量匹配良好。即驗證了材料數值模擬參數的正確性。

圖8 拉伸速度30 mm/min載荷位移曲線

圖9為試驗得到的溫度曲線與塑性功轉化系數η分別為0.8、0.9、0.95的有限元數值模擬溫升曲線對比圖,從圖中可以看出塑性功轉化系數η的取值對試件表面的溫度變化有較大的影響,η取值越大,塑性功轉化為熱量越高,試件表面的溫升也越大。對比試驗數據與有限元數值模擬結果,當η取0.9時,試驗結果與數值模擬結果吻合良好。

圖9 試驗與不同η數值模擬對比圖

5 結 論

(1)對含裂紋Q235試件單軸拉伸試驗進行了有限元數值分析,獲得了不同拉伸速度下裂紋擴展過程中試件表面的溫度變化。裂紋擴展過程中試件表面溫度經過平穩階段、溫度穩步上升階段、斷裂后溫度下降階段。拉伸速度越大,試件斷裂時表面溫升越高。

(2)塑性功轉化系數η的取值對試件有限元數值模擬結果的溫度有比較大的影響,對于Q235鋼材,塑性功轉化系數η可取0.9。

(3)試驗結果和有限元數值分析結果的良好匹配,驗證了使用有限元軟件對裂紋擴展過程中的溫度模擬的通用性。