红外热成像和金属断口分析技术组合检测疲劳裂纹研究

红外热成像和金属断口分析技术组合检测疲劳裂纹研究

杨军川1，叶华文

杨军川1，叶华文2(四川高速公路建设开发总公司四川成都610000西南交通大学土木工程学院四川成都610031）

摘要：综合利用红外热成像技术和疲劳断口分析技术检测CFRP板加固钢板疲劳试验中的疲劳裂纹扩展取得了很好的效果。红外热成像技术通过分析裂尖温度场来探测裂纹的扩展，无法检测CFRP板覆盖下的裂纹。为此，采用变应力幅循环荷载可以形成规则的疲劳条纹，然后根据断口上疲劳辉纹与裂纹扩展速率和应力强度因子幅的关系，得到在CFRP板下的裂纹扩展速率。疲劳试验结果表明：红外热成像可以得到很精确的应力分布图及裂尖位置，从而准确测定裂纹长度；变应力幅循环荷载形成很清晰的疲劳裂纹条带，可以测量得到裂纹长度和扩展速率。两种方法的相互配合使用在试验中取得到了很好的效果。

关键词：无损检测；疲劳裂纹；CFRP加固钢板；热成像技术；断口分析精确地测定疲劳裂纹长度的重要性在于裂纹长度是评定材料断裂力学性能的重要试验参数。应用无损检测技术（NDT）检测疲劳裂纹越来越广泛，如磁粉、渗透、超声、射线和电磁等检测技术。特别是近年来，红外热波成像检测技术得到了很大发展，它采用红外热像仪连续观测和记录物体表面的温场变化，并对序列热图结果进行运算和处理，以实现对物体内部异性结构的探测和定量表征。具有精确度高，实时连续监测，不需要对试件进行预处理，不对结构受力行为产生影响等优点。

同时疲劳辉纹与裂纹扩展速率之间的关系已取得了很多可以实际运用的成果，利用疲劳断口的特征形貌来定量的得到疲劳裂纹长度，裂纹扩展速率，疲劳寿命，甚至估计疲劳荷载及材料的循环疲劳断裂韧性都成为可能。

CFRP板加固钢结构疲劳裂纹是一项很有前景的新兴加固技术，需要大量的疲劳试验来研究加固结构疲劳裂纹的扩展问题，利用合适的疲劳裂纹检测手段是非常重要的。本文在CFRP板粘贴加固双边缺口钢板轴心受拉疲劳试验中，考虑到在CFRP板覆盖下的钢板温度变化，红外热像仪无法探测，同时在裂纹萌生阶段无法应用疲劳断口分析。因此结合采用红外热波成像检测技术和金属疲劳断口分析各自的优势来检测疲劳裂纹。

1理论分析1.1热成像技术红外热波成像检测技术是建立在电磁辐射和热传导理论基础上的一门无损探伤技术，主要是根据被探测物体的温度场来确定缺陷的存在和形状。因此，其在数学上是求解与导热问题有关的微分方程的几何反问题，即根据红外信号重建缺陷信息。反问题求解的输入为材料参数、加热参数、温度空间分布以及温度随时间的变化；输出为缺陷尺寸及位置信息。

红外无损检测按照检测方式可以分为主动式和被动式两大类。主动式检测是利用外部热源作为激励源对试件加热，利用红外热像仪获得不同时刻试件表面的温度分布，以检测材料的内部是否存在缺陷；被动式检测则是利用试件自身的温度分布来检测试件内部的缺陷。

在无其他外界和内部热源条件下，对受疲劳荷载的金属材料由热力学可得式（1）。如图1所示，在疲劳试验中，在循环拉应力作用下，试件中的疲劳裂纹尖端会产生应力集中效应，其应力值将比周围高出几倍，相应的应力幅也会高出几倍，通过红外热像仪来探测这些温度变化值，然后通过相关软件程序的分析，就可以得到应力集中点即裂尖位置。每循环一定次数用红外热像仪探测一次，通过不同的裂尖位置来确定裂纹长度和扩展情况。

2.3疲劳断口分析如图6所示，各疲劳断口平齐，且与拉应力方向垂直。在疲劳裂纹扩展段，钢板厚度没有发生明显的收缩，但在最后断裂区则有明显的厚度收缩，且收缩段随着粘贴CFRP板，预应力CFRP板后不断减少。

3结论通过以上理论和试验的综合分析，可以得到以下结论：1．红外热成像技术和断口分析技术对于检测疲劳试验中的穿透裂纹扩展是有效的方法，可以得到很高的精度，但疲劳裂纹分叉和偏折可能很大程度影响测量结果精度。

2．利用变应力幅形成宏观疲劳裂纹条带分析裂纹扩展，理论简洁，试验容易实现，对疲劳试验是很好的无损探测方法，但其试验参数的选取需要根据试验需要和经验来取。

3．面对越来越复杂的裂纹情况，综合利用各种检测手段，能最大程度发挥各自的优势，得到单一方法无法测得的结果，其相互配合使用值得继续研究。