金屬材料沖擊疲勞損傷的渦流熱成像檢測

鄒　涵，楊隨先，曾金晶，蘇志偉

(四川大學 制造科學與工程學院， 成都 610065)

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金屬材料沖擊疲勞損傷的渦流熱成像檢測

鄒涵，楊隨先，曾金晶，蘇志偉

(四川大學 制造科學與工程學院， 成都 610065)

利用沖擊疲勞損傷對材料微觀結構和應力分布的改變導致的材料導熱率和電阻率等參數變化的特性，提出了利用渦流熱成像技術檢測金屬材料沖擊疲勞損傷的無損檢測方法，構建了檢測系統(tǒng)。通過試驗，獲得了飛機剎車片的渦流熱成像圖像。結合對沖擊疲勞損傷引起的塑性變形而導致的材料導熱率和電阻率等的變化的分析，通過圖像處理提取了試件的溫升變化曲線,比對了受損區(qū)域和正常區(qū)域的紅外圖像差異，實現了對沖擊疲勞損傷缺陷的判別。結果表明，渦流熱成像法能夠快速地判斷材料受損位置。

沖擊疲勞損傷；渦流熱成像；金屬材料;無損檢測

沖擊損傷會在零件上引起裂紋并導致零件在使用過程中突然斷裂。開展零件沖擊損傷的無損檢測方法研究,對實現重大裝備的健康檢測和保障裝備的安全運行具有重要的實用價值。

研究表明，零件在沖擊載荷的作用下將引起零件應力分布的改變。如果在沖擊載荷的作用下材料發(fā)生了塑性變形，其尺寸、內部組織結構和性能都會發(fā)生很大的變化。金屬材料發(fā)生塑性變形后，由于內部的空位和位錯等缺陷密度的增加，晶格畸變加劇，使得金屬的電阻率增加，導電性能下降，導磁率下降，導熱系數也略微下降[1-4]。渦流熱成像檢測技術利用導電材料的焦耳熱效應檢測材料的組織不均勻和裂紋等缺陷，具有檢測效率高，單次檢測范圍大的特點，已被應用于零件裂紋缺陷的檢測中[5-14]。

筆者提出利用沖擊損傷對材料的電阻率和導熱系數的改變,運用渦流熱成像方法開展金屬零件沖擊損傷的檢測方法研究,實現了對沖擊疲勞損傷缺陷的判別。

1　沖擊損傷對材料組織和性能的影響

金屬材料表面受到沖擊后，其微觀結構產生了變化，一方面在表層形成了損傷缺陷，使得電子平均自由程變短;另一方面，金屬表層可能混入空氣等雜質，使材料的導熱率下降。

根據物體微觀熱傳導模型，導熱可看作是物質中質點之間的相互作用,即能量較大的質點向能量較小的質點傳輸能量。固體是自由電子和原子組成的，原子被束縛在規(guī)則排列的晶格中。相應的，熱能的傳輸是由兩種作用實現的,即自由電阻的遷移和晶格的振動波。在金屬中，電子對導熱的影響最大。

分子運動理論給出導熱率k為：

(1)

據此可知，金屬材料零件在受到沖擊損傷后,由于電子平均自由程變短使得其熱導率減小。文獻[1]表明，金屬零件受到沖擊損傷后其電阻率增加，導電性能下降。因此，沖擊損傷使得受沖擊點在渦流加熱時由于其材料組織結構的改變、導電率的下降、導熱率的下降等導致沖擊點周圍的溫度場分布異常。這種不均勻的溫度場分布可以被紅外熱成像儀記錄,從中可獲得零件的沖擊損傷信息，判斷出零件的沖擊損傷位置甚至損傷程度。

2　渦流熱成像無損檢測原理

渦流熱成像無損檢測是基于電磁感應原理和紅外熱成像技術的一種無損檢測方法，適用于對導體材料進行缺陷檢測，包括對材料表面或近表面的裂紋、組織部均勻性等進行高效率的無損檢測。根據電磁感應原理，導電材料在交變磁場作用下產生渦流，在導電材料的表面層和近表面層的缺陷會影響感生渦流的大小和分布。由于焦耳效應，感生渦流引起被測試件內的局部發(fā)熱，具體表現為零件缺陷及周邊溫度場的不均勻分布。在對被檢試件施加渦流激勵的同時,利用高精度紅外相機同步試件的溫度場分布等一系列時序圖像，再經后期圖像處理獲得被檢試件的缺陷信息。圖1所示為脈沖渦流熱成像檢測系統(tǒng)組成。

圖1　脈沖渦流熱成像試驗系統(tǒng)示意

3　檢測系統(tǒng)與檢測參數

以某企業(yè)提供的飛機剎車片為檢測對象，分析渦流熱成像技術對金屬零件沖擊疲勞損傷檢測的可行性。飛機剎車片材料為鎢合金。隨著飛機起落次數的增加, 剎車使用次數的增多，飛機剎車片在多次沖擊載荷的作用下會形成累積沖擊疲勞損傷，但不同的沖擊著力點的損傷程度可能不同。圖2所示為飛機剎車片實物照片，一共有5片，包括1個標準件和4個有不同程度損傷的待測零件。零件長寬高為220 mmX30 mmX22 mm。沖擊損傷位于圖2所示位置的上表面，測試時激勵線圈平行置于損傷表面上方，如圖3所示。

圖2　飛機剎車片實物照片

圖3　脈沖渦流熱成像試驗系統(tǒng)

圖3為搭建的渦流熱成像檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)的渦流激勵電源為Easyheat224，紅外相機選用FLIR。檢測參數為:記錄時間6 s;激勵電流480 A;加熱時間200 ms;激勵頻率255 kHz;幀速率為每秒傳輸100幀。

測試時采用紅外相機錄制視頻的方式記錄整個渦流激勵加熱和自然降溫的過程，視頻分辨率為640X240，試驗結果采用avi格式的視頻文件和mat格式的數據文件保存。

圖4　被測試件時序熱成像圖像

4　圖像處理與分析

渦流熱成像檢測中獲得的mat格式數據文件采用三維陣列數組存放視頻信息，其每一幀的數據為二維陣列。Matlab軟件處理即可獲得被檢試件在某一時刻的溫度分布圖，進而可以獲得試件上特征點的溫度-試件變化曲線。圖4(a)(e)分別為其中某一受損試件的第1幀、10幀、15幀、25幀、50幀溫度分布圖像。

第125幀為加熱階段圖像，以后為自然降溫階段圖像。在試件表面溫度異常區(qū)域選取圖4(d)所示A、B、C三點為分析參考點，其局部放大圖見圖5。

圖5　第25幀圖像的可疑區(qū)域放大圖

圖6給出了被測試件和標準試件上對應點在渦流加熱與自然冷卻過程的溫度變化曲線。從圖6可以看出，金屬零件在受到沖擊疲勞損傷后其溫度變化速率與未受損傷情況下的溫度變化速率不同，并且在受到不同程度的沖擊疲勞損傷后，其渦流熱成像檢測過程中的溫度變化速率也不同，溫度變化速率與其材料的導電性和導熱性的改變具有較為一致的對應關系，這種溫度速率的變化與受損程度存在正相關性。因此，可根據選取的紅外圖像區(qū)域分析圖像上特征點的溫升變化速率,實現對金屬零件的沖擊疲勞損傷及其程度的判定。

圖6　被測試件與標準件的溫度變化曲線對比

圖7　缺陷零件紅外圖像與標準件紅外圖像相減的差值圖像

圖7所示為將有缺陷零件的圖像與標準試件的圖像進行減運算后的圖像。對比原始圖像可以發(fā)現，經過減運算后獲得的圖像可以更加清晰地看出零件的受損情況。

5　結論

(1) 運用渦流熱成像檢測技術能夠快速有效地檢測金屬零件表面的沖擊疲勞損傷。

(2) 由于沖擊損傷造成金屬材料的導熱性和導電性的改變，降低了導熱率及導電率(提高了電阻率)，使其在加熱階段和自然降溫階段的溫度特征與未受損區(qū)域的溫度特征有明顯差異，具體表現為紅外圖像中溫度分布的不均勻，通過圖像處理可以判別零件是否存在沖擊疲勞損傷。

(3) 通過對可疑區(qū)域的溫升變化情況的分析，在建立足夠多樣本數據的基礎上，有可能實現沖擊疲勞損傷程度的分析。

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Impact Fatigue Damage Detection of Metallic Material by Using Eddy Current Thermography

ZOU Han, YANG Sui-xian, ZENG Jin-jing, SU Zhi-wei

(School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

Eddy current thermography has been applied to detect surface and near surface cracks of metal parts, which have high detection efficiency and capability of large one-time detection area. The heat conduction and resistivity of material can be changed by impact fatigue damage due to the change of microstructure and stress distribution of the material caused by impact fatigue damage. In this paper, eddy current thermography is employed to detect impact fatigue damage of metallic material. A detection system is established. The thermal image sequences of aircraft brake block have been captured with eddy current thermography. The images have been analyzed according to the principle of the change of thermal conductivity and resistivity caused by plastic deformation due to impact fatigue damage. The temperature feature and the deference between damage area and non-damage area have been obtained by processing the infrared images. The results indicate that the impact fatigue damage of metallic material components can be detected qualitatively. The damage area can be identified quickly for metallic material part by using eddy current thermography.

Impact fatigue damage; Eddy current thermography; Metallic material; Nondestructive detection

2015-06-03

國家自然科學基金資助項目(51275325)

鄒涵(1984-)，碩士研究生，研究方向為電磁無損檢測。

楊隨先,教授,E-mail:yangsx@163.com

10.11973/wsjc201603017

TG115.28

A

1000-6656(2016)03-0071-04