鋁合金振動(dòng)疲勞同步測量技術(shù)研究

彭艷濤，呂勝利，馬君峰，李斌

(1.中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司 規(guī)劃發(fā)展部，長沙 410200) (2.西北工業(yè)大學(xué) 無人機(jī)特種技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072) (3.中國飛機(jī)強(qiáng)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(xiàn)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(xiàn)了熱耗散的規(guī)律。國內(nèi)外學(xué)者對不同材料所開展的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究表明，熱耗散與材料和加載狀態(tài)存在密切關(guān)系，并與材料的微觀組織演變有關(guān)，利用紅外熱像技術(shù)發(fā)展了預(yù)測材料疲勞極限的方法。駱志高等[1]討論了聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于疲勞裂紋的檢測的可能性，根據(jù)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(jié)合板簧疲勞裂紋試驗(yàn)機(jī)上的實(shí)驗(yàn)分析，得出聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于疲勞裂紋檢測的優(yōu)勢；黃學(xué)斌[2]對紅外監(jiān)測技術(shù)在氨制冷壓力管道不停機(jī)全面檢驗(yàn)、承壓設(shè)備壁厚測量、泄漏檢測或監(jiān)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(jìn)行了總結(jié)，并對影響測量精度的因素進(jìn)行了分析，展望了紅外熱像無損檢測技術(shù)的應(yīng)用前景；喬社娟等[3]提出了一種結(jié)合分流校準(zhǔn)電路和長導(dǎo)線電阻補(bǔ)償算法的策略，根據(jù)應(yīng)變片配橋方式和粘貼形態(tài)的不同，計(jì)算出實(shí)際的長導(dǎo)線電阻阻值與應(yīng)變片靜態(tài)阻值，采用計(jì)算值進(jìn)行應(yīng)變補(bǔ)償取代了傳統(tǒng)各種試驗(yàn)前必須使用高精密校準(zhǔn)儀器對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)；趙士龍等[4]采用紅外成像技術(shù)，獲取鋁箔封口部位的紅外圖像，對所獲的紅外圖像進(jìn)行預(yù)處理，并以環(huán)形對稱 Gabor 小波對其進(jìn)行特征提取，用最近鄰分類器對所獲圖像進(jìn)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(dòng)試驗(yàn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，振動(dòng)疲勞試驗(yàn)擁有了良好的試驗(yàn)基礎(chǔ)，能夠進(jìn)行各種環(huán)境下的振動(dòng)疲勞模擬試驗(yàn)。振動(dòng)疲勞試驗(yàn)主要以通過對環(huán)境激勵(lì)的模擬，在實(shí)驗(yàn)室里得到試件的使用壽命，重點(diǎn)在于如何準(zhǔn)確判斷何時(shí)試件已經(jīng)發(fā)生了破壞。但是，判斷試驗(yàn)中試件發(fā)生振動(dòng)疲勞破壞的方法和標(biāo)準(zhǔn)尚未達(dá)成統(tǒng)一認(rèn)識。目前，在工程實(shí)踐中，大多數(shù)研究都以出現(xiàn)可觀測裂紋時(shí)的時(shí)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(yàn)中停機(jī)觀測的裂紋長度隨機(jī)性也比較大，這些都會(huì)給實(shí)驗(yàn)人員帶來很大困難。從現(xiàn)有的資料來看，大多數(shù)研究是針對疲勞試驗(yàn)測試方法[5-11]，由于振動(dòng)疲勞類型的多樣性和復(fù)雜性，目前對振動(dòng)疲勞試驗(yàn)方法的研究很少，常用振動(dòng)疲勞壽命判斷方法例如直接觀測法、動(dòng)態(tài)應(yīng)變法和固有頻率法，還無法滿足振動(dòng)疲勞試驗(yàn)研究的需求，迫切需要發(fā)展新方法和新技術(shù)。各種光學(xué)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(shè)備等廣泛應(yīng)用于材料表面的分析測試，許多學(xué)者籍此進(jìn)行了材料斷口分析、裂紋擴(kuò)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(xué)者將力學(xué)加載試驗(yàn)機(jī)和顯微觀測設(shè)備整合起來。

本文同時(shí)采用紅外監(jiān)測技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)、顯微測試技術(shù)、應(yīng)變測試技術(shù)等對不同加速度下的鋁合金振動(dòng)疲勞試樣進(jìn)行測量，綜合分析各種測試方法的測試結(jié)果，研究振動(dòng)疲勞損傷的變化情況，以期發(fā)現(xiàn)鋁合金振動(dòng)疲勞的新現(xiàn)象。

1 鋁合金振動(dòng)疲勞同步測量方案

1.1 振動(dòng)疲勞試驗(yàn)同步測量系統(tǒng)的搭建

試驗(yàn)中所用鋁合金材料為2024T0，振動(dòng)疲勞試件的標(biāo)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(dòng)疲勞試件尺寸示意圖

鋁合金振動(dòng)疲勞實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，將試驗(yàn)件置于振動(dòng)臺(tái)上，同時(shí)使用聲發(fā)射檢測系統(tǒng)、紅外熱像儀、測試顯微鏡、應(yīng)變檢測系統(tǒng)對試驗(yàn)件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，其中紅外熱像儀和測試顯微鏡從正反兩面監(jiān)測特征部位的試驗(yàn)件表面，得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并同時(shí)記錄下所得數(shù)據(jù)，以便對試驗(yàn)件的性能進(jìn)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(yàn)件在加載時(shí)的性能指標(biāo)變化情況。

圖2 振動(dòng)疲勞同步監(jiān)測實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2 同步測量試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

振動(dòng)疲勞試驗(yàn)環(huán)境為室溫大氣環(huán)境，試驗(yàn)駐波頻率為145 Hz，通過加速度控制試件的應(yīng)變范圍。在試驗(yàn)前對所有試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，并通過少量的預(yù)先試驗(yàn)驗(yàn)證測試結(jié)果的正確性。另外，同一加速度的試件數(shù)量為5根，通過數(shù)據(jù)處理盡可能減小試樣的壽命數(shù)據(jù)分散性。

在鋁合金懸臂梁試件的振動(dòng)疲勞過程中通過聲發(fā)射儀采集聲發(fā)射信號，采用美國PAC公司的PCI-8全數(shù)字聲發(fā)射儀和AEWin for PCI2 E3.10軟件對該材料進(jìn)行損傷在線監(jiān)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(fā)射系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置：固定門檻值60 dB，浮動(dòng)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(yù)觸發(fā)256 μs，長度1 kμs；波形峰值定義時(shí)間(PDT)300 μs，事件定義時(shí)間(HDT)600 μs，閉鎖時(shí)間(HLT)1 000 μs。采用如上參數(shù)進(jìn)行背景噪音濾波，開展聲發(fā)射的信號的同步監(jiān)測試驗(yàn)，用于后期的振動(dòng)疲勞裂紋萌生及擴(kuò)展分析。

考慮到試驗(yàn)加載振動(dòng)頻率過高，在紅外熱成像監(jiān)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(jiān)測參數(shù)及溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析方案。試驗(yàn)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(dòng)疲勞同步測量結(jié)果分析

2.1 聲發(fā)射信號分析

在鋁合金振動(dòng)疲勞過程中，聲發(fā)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(jī)械噪音大多低于100 kHz。本文采用波形濾波和多參數(shù)濾波對鋁合金振動(dòng)疲勞過程中的聲發(fā)射信號進(jìn)行降噪處理。聲發(fā)射幅值、能量和振鈴計(jì)數(shù)可以很好地表征振動(dòng)疲勞的損傷過程，因此本文主要分析經(jīng)過濾波后的幅值、能量、振鈴計(jì)數(shù)參數(shù)特征值。聲發(fā)射信號分析結(jié)果如圖3所示。

(a) 聲發(fā)射計(jì)數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系

(b) 聲發(fā)射能量隨時(shí)間的變化關(guān)系

(c) 聲發(fā)射幅值隨時(shí)間的變化關(guān)系

聲發(fā)射信號參數(shù)隨時(shí)間的變化在整個(gè)振動(dòng)疲勞過程中大概分為兩個(gè)階段：第一階段，參數(shù)特征值變化呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，先達(dá)到最高，隨著時(shí)間的增加，幅值、振鈴計(jì)數(shù)和能量逐漸變密，隨著時(shí)間增加，振鈴計(jì)數(shù)大幅度減小，其幅值和能量密度也減??；第二階段，幅值存在兩個(gè)峰值，試驗(yàn)時(shí)間超過一定時(shí)間后，幅值變化趨于平緩；能量和振鈴計(jì)數(shù)均為“單峰”，隨后能量和振鈴計(jì)數(shù)緩慢增加，直至試驗(yàn)結(jié)束。

聲發(fā)射參數(shù)在整個(gè)振動(dòng)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(guān)系。在第一階段結(jié)束，聲發(fā)射計(jì)數(shù)、能量密度大幅度減小，幅值也隨之減小。這是因?yàn)樵谖⒘鸭y萌生末期至小裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展初期，大量的微裂紋合并為主裂紋，裂紋數(shù)量減少，其聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)也隨之減少。在第二階段，隨著試驗(yàn)時(shí)間增大，裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展，主裂紋產(chǎn)生的能量比微裂紋要大，因此，聲發(fā)射能量和幅值、計(jì)數(shù)也隨之增多，在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)附近，聲發(fā)射能量和計(jì)數(shù)都達(dá)到最大，初步判定此階段為裂紋快速擴(kuò)展初期，裂紋快速擴(kuò)展導(dǎo)致大量的聲發(fā)射信號產(chǎn)生。由此分析可知，該鋁合金懸臂梁振動(dòng)疲勞損傷過程中，在第一階段結(jié)束時(shí)，為裂紋萌生期；在第二階段至試驗(yàn)結(jié)束，為宏觀裂紋擴(kuò)展期。

2.2 試件表面溫度場分析

在振動(dòng)疲勞試驗(yàn)中，紅外熱像儀實(shí)時(shí)監(jiān)測試件表面攝氏溫度變化，通過監(jiān)測試件周邊環(huán)境(藍(lán)色框1)、試件標(biāo)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(dòng)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(biāo)距段，試件根部溫度最低。在整個(gè)振動(dòng)疲勞過程中，溫度變化分為三個(gè)階段：第一階段，試件表面溫度迅速攀升至穩(wěn)定段，在這個(gè)階段中，由于大量的微裂紋成核及萌生，產(chǎn)生熱耗散，導(dǎo)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(gè)過程中，微裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展，并且微裂紋逐漸合并為主裂紋，裂紋數(shù)量減少，并且隨著時(shí)間穩(wěn)定擴(kuò)展；第三階段，試件表面溫度緩慢升高維持穩(wěn)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(kuò)展，最終導(dǎo)致試件表面溫度場發(fā)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(kuò)展合并形成主裂紋，第三階段為宏觀主裂紋快速擴(kuò)展至試件斷裂失效。試驗(yàn)過程中典型紅外信號試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

2.3 振動(dòng)疲勞過程損傷分析

在鋁合金懸臂梁試件的振動(dòng)疲勞試驗(yàn)中，測試共振駐留試驗(yàn)與非共振試驗(yàn)的疲勞壽命，二者相差較大。在共振駐留試驗(yàn)中，最大應(yīng)變隨著循環(huán)次數(shù)快速增大，直至宏觀裂紋快速擴(kuò)展，應(yīng)變急劇降低，試件失效破壞。而在非共振試驗(yàn)中，最大應(yīng)變隨著循環(huán)次數(shù)緩慢增長，隨著循環(huán)次數(shù)增大，最大應(yīng)變減小，宏觀裂紋擴(kuò)展，最后試件失效破壞，整個(gè)試驗(yàn)過程中，應(yīng)變沒有明顯急劇變化。二者應(yīng)變變化歷程曲線如圖6所示。

圖5 共振駐留試驗(yàn)的典型紅外信號歷程曲線

圖6 最大應(yīng)變變化歷程曲線對比(共振駐留與非共振試驗(yàn))

在振動(dòng)疲勞過程中，綜合紅外信號、聲發(fā)射信號及測試應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合材料表面顯微形貌圖像進(jìn)行分析。振動(dòng)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(kuò)展及失效的變化歷程。整個(gè)疲勞過程可以分成兩個(gè)階段：損傷形成階段和裂紋萌生擴(kuò)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(gè)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(fā)射信號出現(xiàn)峰值，此時(shí)的溫度升速減緩。

(2)在微裂紋萌生、擴(kuò)展，形成宏觀裂紋階段，此階段占整個(gè)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(shí)聲發(fā)射出現(xiàn)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(gè)疲勞壽命的90%時(shí)，可以觀察到微裂紋在晶粒內(nèi)部擴(kuò)展，并且部分微裂紋穿過整個(gè)晶粒，此時(shí)試驗(yàn)的阻尼降至最小，溫度開始下降；試驗(yàn)結(jié)束，觀察到材料表面有宏觀裂紋產(chǎn)生，此時(shí)的共振頻率下降1%。

圖7 振動(dòng)疲勞歷程中各物理量變化趨勢

3 結(jié) 論

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

(2) 鋁合金振動(dòng)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(fù)雜，需要通過多種濾波手段處理信號，處理后的聲發(fā)射信號可以很好檢測到鋁合金振動(dòng)疲勞的裂紋萌生和擴(kuò)展壽命。