基于紅外熱像法的艦船外殼材料疲勞壽命分析①

武立華， 胡星宇

(1.綏化學(xué)院農(nóng)業(yè)與水利工程學(xué)院，黑龍江 綏化 152000;2.廣州工商學(xué)院基礎(chǔ)教學(xué)部，廣東 廣州 510850)

0 引 言

疲勞和斷裂是目前工程結(jié)構(gòu)失效最主要的形式之一。美國測試和材料協(xié)會將疲勞一詞定義為某一點或某些點在干擾循環(huán)應(yīng)力作用的基礎(chǔ)上，同時加之一定數(shù)量的循環(huán)擾動之后產(chǎn)生裂縫，在不可逆的損傷的材料中發(fā)生局部永久性的結(jié)構(gòu)演變[1-3]。隨著我國艦船技術(shù)的發(fā)展、艦船數(shù)量的增多，船體外殼因疲勞而斷裂的事故頻頻發(fā)生，工程上急需一種能夠高效準(zhǔn)確的預(yù)測材料疲勞參數(shù)的方法。紅外熱像法通過測量由材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生晶界滑移位錯等變化引起的能量變化進(jìn)而反映到材料表面溫度場的差異。紅外熱像法相比于傳統(tǒng)方法具有所需試驗試樣少，耗時少，實時性，準(zhǔn)確性等優(yōu)點[2]，能夠大幅度節(jié)省人力財力，并得到較為準(zhǔn)確的實驗數(shù)據(jù)，因此目前被研究人員所重視。采用紅外熱像法測量艦船外殼常用材料FV520B不銹鋼的疲勞極限和疲勞壽命等參數(shù)。

1 疲勞紅外熱像法相關(guān)理論

1.1 熱彈塑性基本理論

假若材料為各項同性，且處于彈性范圍內(nèi)，此時應(yīng)變以及熱應(yīng)力兩者的關(guān)聯(lián)性能夠采用公式(1)進(jìn)行表達(dá)：

(1)

式中：Δσ表示主應(yīng)力和的改變，Δε表示主應(yīng)變和的改變程度，且兩者均為常數(shù)，v為泊松比，E代表彈性模量值，ΔT代表溫度變化量，α代表線性膨脹系數(shù)值。

另外，假設(shè)該材料與外界不產(chǎn)生熱交換，可利用公式(2)對彈性體的可逆熱力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行描述：

(2)

式中：K是體積模量，ρ是單位密度值，T代表絕對溫度值，Cv代表比熱容值。

式(2)中，Δε代表體積改變量，若在彈性體中體積沒有產(chǎn)生改變，即Δε=0，則在Cv穩(wěn)定下，結(jié)合公式(1)、(2)可得熱彈性效應(yīng)表達(dá)式(3)：

(3)

由公式(3)可得出理想的彈性變形是完全可逆的，其本質(zhì)是晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了平衡的暫時性破壞，并沒有明顯的不可逆平衡變動，彈性體產(chǎn)生的彈性能相當(dāng)于金屬在新平衡狀態(tài)時比原平衡狀態(tài)提高的能量，隨著金屬回到原平衡狀態(tài)，這部分能量發(fā)生了耗散。經(jīng)過變形后金屬自由能并沒有發(fā)生改變，微觀組成也沒有產(chǎn)生改變。由此可知彈性變形過程對該試樣的疲勞損傷發(fā)生過程無作用。

熱塑性效應(yīng)指出塑性應(yīng)變能是材料在疲勞破壞中機械能耗的主體，絕大部分通過熱耗散的形式散發(fā)出去，進(jìn)而引起材料表面溫度的升高，并維持著溫度場的平衡[4]。

1.2 紅外熱像技術(shù)的能量理論

由疲勞演變溫度三段論原理可以發(fā)現(xiàn)，相較于溫度開始上升以及最后溫度快速提升的階段而言，穩(wěn)定溫升區(qū)能夠占到疲勞壽命之中的絕大部分，因此在觀察時只需要對穩(wěn)定溫升階段進(jìn)行統(tǒng)計記錄，由此可將能量參數(shù)φ改變?yōu)椋?/p>

φ=ΔTs·Nf

(4)

試驗采取階梯加載形式進(jìn)行，此時能夠在最快的時間內(nèi)得到σa對應(yīng)的ΔTs，利用上式(4)預(yù)測材料疲勞壽命，由數(shù)對(Nf，σa)，最后用最小二乘擬合數(shù)據(jù)對可以得到試件完整S-N(應(yīng)力-壽命)曲線。

2 實驗研究

2.1 試驗材料試件

FV520B是一類馬氏體沉淀硬化不銹鋼，有強度大、硬度大及較高耐腐蝕性等特點，并且焊接性能也非常好。它有更好的抗晶間和點狀腐蝕性能，因此其通常被應(yīng)用到海洋或者是工業(yè)領(lǐng)域中，由于銹蝕率很低，常用作艦船外殼材料[5-7]。

FV520B的屈服極限約為750MPa，其化學(xué)組成如表1。

表1 FV520B不銹鋼化學(xué)成分(%)

試驗采用構(gòu)件樣式為板式，其尺寸如圖1所示。

圖1 試件尺寸(mm)

圖2 實驗裝置儀器及其分析系統(tǒng)

2.2 實驗過程

利用熱像技術(shù)進(jìn)行疲勞極限和S-N曲線測量時，兩次實驗操作即可完成。首次試驗采取375MPa應(yīng)力持續(xù)加載形式，先記錄初始溫度值，后自動計數(shù)，每1kN記錄一個數(shù)值，一直加載到斷裂時記載每個循環(huán)周期的數(shù)值。另一次試驗材料采用分級加載的形式進(jìn)行，從100MPa開始，每隔50MPa進(jìn)行一次，直到400MPa，且每5kN測量一次溫度，測量10組。在此，每一次加載完成后都要有8～10min的散熱時間，冷卻恢復(fù)到初始值，以確保下級加載試驗正常運行[8-9]，而后將所得最大溫度值減掉初始溫度值，便可得出最大穩(wěn)定溫升,儀器及分析系統(tǒng)見圖2，效果圖見圖3。

圖3 試件疲勞斷裂后的效果圖

2.3 持續(xù)加載實驗結(jié)果分析

在375MPa的應(yīng)力下，連續(xù)加載樣品試件，并以不同階段的不同間隔記錄數(shù)據(jù)。在溫升三段原理的基礎(chǔ)上，由于初始以及最終的升溫階段比重很小，表明升溫情況較為平穩(wěn)。部分占用幾乎占總數(shù)的90%，由此能夠看出，過渡階段以及初始快速加熱階段的間隔并不大，此時相隔2000N就將數(shù)據(jù)記載一次。當(dāng)溫升期處于穩(wěn)定狀態(tài)時，可調(diào)整為每5000N記載一次。將此數(shù)據(jù)在Matlab中進(jìn)行處理，溫度上升曲線如圖4所示。

圖4 溫升曲線圖

可以在圖4中看出明顯的穩(wěn)定溫升階段占到整個曲線的絕大部分，滿足溫度三段基本原理。

依據(jù)能量積累原理和極限能假設(shè)可知，當(dāng)試件單位體積的能量積累到一定值時，材料將會產(chǎn)生斷裂，因此，溫升與周次的積分φ(能量參數(shù))可借助近似公式(4)計算得到：

φ=297823×18.1=5390597

連續(xù)加載條件下試件表面的熱點熱像圖如圖5所示。

圖5 連續(xù)加載下試件表面熱點熱像圖

從熱點熱像圖可以看出，在初始和最后的快速溫升過程中上升速率和上升跨度較大，但是在中間穩(wěn)定溫升階段溫度變化并不明顯。這也直觀的驗證了溫度三段論理論。從熱像圖中可以發(fā)現(xiàn)，在中間位置溫度升高的更快，因此可以確定板型材料在中間位置更容易發(fā)生斷裂，疲勞微裂紋最早發(fā)生于中間位置。

2.4 階梯加載實驗結(jié)果分析

可根據(jù)連續(xù)階梯加載方法確認(rèn)不同應(yīng)力水平下的穩(wěn)態(tài)溫升改變情況。該試驗將材料試樣在不同應(yīng)力作用下加載一時間段，每隔7d記錄一次溫度值。穩(wěn)定的主溫升可通過穩(wěn)定狀態(tài)的最高溫度值減去檢測的初始室溫值得到。隨著施加溫度和相應(yīng)應(yīng)力的穩(wěn)定溫度升高，從熱圖像和溫度分布觀察樣品試件的表面溫度基本穩(wěn)定情況上來看，該材料斷裂發(fā)生于穩(wěn)定溫升區(qū)間，所獲得的穩(wěn)定溫升可作為有效數(shù)據(jù)，從而保證結(jié)果的準(zhǔn)確及唯一性。由兩線法的基本原理可知，采用分段直線擬合法繪制應(yīng)力上升曲線，進(jìn)而得出疲勞應(yīng)力極限。

利用階梯加載得出應(yīng)力上升曲線如圖6所示。

圖6 應(yīng)力-溫升曲線

圖7 FV520B的S-N曲線

依據(jù)上述過程可知，曲線轉(zhuǎn)折處的應(yīng)力即為疲勞極限值，采取此形式得到的疲勞極限值為303MPa。通過圖6能夠看出在應(yīng)力值較低的區(qū)間試件材料也會保持著一定的溫升，且不能忽略不計，同時還表明針對FV520B這類材料，兩線法能夠更為精準(zhǔn)地確定材料的疲勞極限值。

2.5 S-N曲線與疲勞極限

通過試驗過程中的疲勞階段對材料表面溫度場的及時監(jiān)測能夠繪制出ΔT-N溫升曲線，并利用溫升曲線ΔT-N得出材料的能量常數(shù)φ，φ=5390597。利用階梯加載方式得到穩(wěn)定的溫升值ΔTs，再利用已有的φ值，代入φ=TsNf便可預(yù)測不同應(yīng)力作用下的疲勞壽命Nf。利用Nf和與之相應(yīng)的應(yīng)力值可繪制出S-N曲線，如圖7所示。

表2 不同疲勞實驗方法結(jié)果對比表

由表2可知紅外熱像法與傳統(tǒng)方法對比誤差為7.66%，誤差在可接受范圍內(nèi)，產(chǎn)生的誤差主要是由熱圖像方法利用的是材料表面上第二階段的穩(wěn)定溫升值作為主要損傷參數(shù)來分析所引起的，這樣，在不同的應(yīng)力幅度作用下，穩(wěn)定溫升的分散程度就相對較小。具備預(yù)估疲勞壽命的殘余樣品的標(biāo)準(zhǔn)偏差和壽命分散相對較小。因此，傳統(tǒng)的實驗結(jié)果在數(shù)值上與熱像法相比偏小。

紅外熱像法在較短時間內(nèi)便可精準(zhǔn)地確定艦船外殼材料FV520B的S-N曲線和相應(yīng)的疲勞極限應(yīng)力等參數(shù)，而且試驗過程中使用試件的數(shù)量也相對較少，避免了材料的浪費。

3 結(jié) 語

紅外熱像法能夠預(yù)測金屬材料試樣在疲勞耗散階段中由于塑性變形所引發(fā)的溫度變化和材料的疲勞應(yīng)力極限和壽命的改變情況，只利用較少的試件即可得出艦船外殼材料的疲勞應(yīng)力極限與疲勞壽命S-N曲線，操作過程簡單、直觀。數(shù)據(jù)處理簡潔靈活，結(jié)果可直接使用。耗費少，穩(wěn)定性較好，與傳統(tǒng)實驗結(jié)果擬合度較高，對比于傳統(tǒng)實驗可以大大節(jié)省試驗成本和時間。

金屬材料的疲勞過程其主要溫升階段絕大部分是由于試件材料塑性變形這一不可逆階段過程所引起的，紅外熱像法通過監(jiān)測材料表面主溫區(qū)數(shù)據(jù)，能夠?qū)ζ趽p傷主要部位進(jìn)行分析預(yù)測，可有效避免操作過程中產(chǎn)生的疲勞破壞等嚴(yán)重現(xiàn)象。在艦船工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中有著重要的理論與實踐意義。