鋁合金板疲勞微裂紋超聲紅外成像檢測的數(shù)值及實(shí)驗(yàn)研究*

韓夢 尹嘉雯 黃軍科 李偉 魏勤

(江蘇科技大學(xué)理學(xué)院鎮(zhèn)江 212100）

0 引言

金屬板結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，其質(zhì)量問題會(huì)嚴(yán)重影響到設(shè)備的性能和使用安全。在使用過程中，金屬板結(jié)構(gòu)容易受到交變載荷的作用產(chǎn)生疲勞裂紋。疲勞損傷是金屬結(jié)構(gòu)失效的主要原因之一，它的產(chǎn)生首先表現(xiàn)為材料微觀組織結(jié)構(gòu)和彈塑性的變化，繼而萌生微裂紋，并逐漸發(fā)展成宏觀裂紋直至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效[1-2]。如果微裂紋未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，可能會(huì)迅速擴(kuò)展而導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備運(yùn)行癱瘓，造成災(zāi)難性事故。傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)中磁粉和滲透方法可以有效檢測金屬結(jié)構(gòu)表面的開口疲勞微裂紋，但這兩種方法檢測過程繁瑣、耗時(shí)長、成本高以及不適合現(xiàn)場批量檢測[3]。近年來，新型無損檢測方法不斷涌現(xiàn)，紅外成像檢測技術(shù)作為一種快速發(fā)展的檢測方法，可實(shí)現(xiàn)大范圍快速檢測，具有非接觸、無污染、適合在線檢測等優(yōu)點(diǎn)[4]，特別是對于金屬的表面裂紋能夠?qū)崿F(xiàn)有效的檢測。

當(dāng)溫度在絕對零度以上，所有物體都會(huì)向外輻射紅外光，且輻射量隨溫度的升高而增加。紅外成像檢測技術(shù)是通過采集物體所發(fā)射的紅外輻射來檢測其表面溫度分布的技術(shù)。根據(jù)激勵(lì)熱源的方式，該檢測技術(shù)可分為被動(dòng)式與主動(dòng)式。被動(dòng)式紅外成像檢測技術(shù)通常不引入任何外部激勵(lì)，通過檢測被檢材料自身發(fā)出的紅外輻射得到材料表面溫度分布的紅外圖像，其主要應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)測和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。當(dāng)檢測對象自身發(fā)出的熱輻射水平較弱時(shí)，則需要通過引入外部激勵(lì)的方式(如熱燈、超聲、激光)來增強(qiáng)檢測對象表面的熱輻射，使溫度梯度足以被分辨[4]。這些通過外部激勵(lì)的方式都屬于主動(dòng)式紅外成像檢測技術(shù)。相比于其他的激勵(lì)方式，超聲激勵(lì)不受檢測對象的材料和形狀限制，特別是對閉合裂紋缺陷具有選擇性加熱的特點(diǎn)，在缺陷檢測方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

超聲紅外成像檢測技術(shù)是利用振動(dòng)或波動(dòng)在材料缺陷處產(chǎn)生附加熱量，影響其相鄰區(qū)域的溫度分布，并通過紅外成像記錄材料表面的溫度場分布。在20世紀(jì)70年代，Henneke等[5]在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)對待測試件施加高頻率振動(dòng)激勵(lì)，在試件缺陷處產(chǎn)生熱量并影響溫度分布變化，可通過紅外攝像儀確定缺陷位置。Solodov等[6]利用局部缺陷共振頻率作為激勵(lì)頻率，對玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Glass fiber-reinforced polymer,GFRP)板分層缺陷進(jìn)行熱成像檢測，實(shí)驗(yàn)證明在局部共振頻段內(nèi)激勵(lì)會(huì)引起缺陷區(qū)域局部溫度升高。Cavallone等[7]對含有人工校準(zhǔn)裂紋的AISI-304鋼試樣進(jìn)行脈沖式超聲紅外成像檢測，通過檢測結(jié)果可以確定裂紋的長度且最小誤差達(dá)到10%。Seifoori等[8]分別對含有沖擊損傷的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Carbon fiber-reinforced polymer,CFRP)板進(jìn)行超聲紅外成像檢測，再經(jīng)數(shù)字圖像處理來評(píng)估損傷程度，研究表明該方法具有較高的檢測精度，能夠有效地檢測出沖擊損傷的面積。超聲紅外成像檢測技術(shù)同樣受到國內(nèi)研究人員的重視。張淑儀[9]對含有疲勞裂紋的鋁合金試樣進(jìn)行了超聲脈沖激勵(lì)，并用紅外成像檢測得到試樣表面的溫度分布，實(shí)現(xiàn)對裂紋等缺陷的實(shí)時(shí)檢測。Xu等[10]以低功率壓電換能器作為驅(qū)動(dòng)器，通過超聲紅外成像實(shí)驗(yàn)來檢測薄鋁梁上的3個(gè)不同方向上的裂紋，結(jié)果表明該方法能夠有效地檢測出不同方向上的裂紋。Jia等[11]利用超聲激勵(lì)紅外成像技術(shù)檢測混凝土材料中的微裂紋，該方法能夠有效地檢測寬度為0.01～0.09 mm的混凝土裂縫。Dong等[12]研究了疲勞裂紋接觸面粗糙程度對熱量產(chǎn)生以及紅外成像檢測的影響。習(xí)小文等[13]采用超聲紅外成像技術(shù)對航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片裂紋實(shí)施檢測，有效地檢測出航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜曲面葉片上的裂紋缺陷。

本文建立了含疲勞微裂紋的鋁合金板有限元模型，為研究超聲紅外成像檢測技術(shù)的激勵(lì)機(jī)制，用有限元模擬聲波在板中傳播，研究聲波與裂紋之間的相互作用，分析裂紋處溫度場變化的影響因素。并搭建了超聲紅外成像檢測裝置，采用超聲振子在6061鋁合金板中激勵(lì)聲波，預(yù)制的疲勞微裂紋在聲波作用下摩擦生熱，用紅外攝像儀檢測板表面的溫度分布，通過圖像處理定量分析裂紋的尺寸。

1 基本原理

1.1 超聲紅外成像技術(shù)的勵(lì)熱機(jī)制

在振動(dòng)或波動(dòng)作用下，材料內(nèi)部產(chǎn)生熱量的相關(guān)機(jī)制主要有摩擦生熱、塑性變形、黏彈效應(yīng)和熱彈效應(yīng)[14]。摩擦生熱是在聲波作用下引起試樣缺陷區(qū)域振動(dòng)，缺陷處接觸面間發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)而摩擦生熱。接觸面間閉合應(yīng)力的大小直接影響摩擦產(chǎn)生熱量的多少。閉合應(yīng)力過高會(huì)限制接觸面間的相對運(yùn)動(dòng)，影響熱量的生成[15]。塑性變形生熱則是應(yīng)力集中位置處(如裂紋尖端)的應(yīng)力超過材料的彈性極限時(shí)發(fā)生塑性變形，這一過程通常伴有熱量的產(chǎn)生。黏彈效應(yīng)是由于材料的黏彈阻尼引起應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系產(chǎn)生的滯后效應(yīng)[16]，將振動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能。在絕熱條件下，彈性體發(fā)生彈性形變時(shí)，熱彈效應(yīng)會(huì)將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，?dǎo)致溫度的上升[17]。由材料的黏彈效應(yīng)和熱彈效應(yīng)產(chǎn)生的附加熱量與被檢材料中有無缺陷無關(guān)。對于金屬材料而言，摩擦而生成的熱量占主導(dǎo)地位[14]，而塑性變形生成的熱量較少。黏彈效應(yīng)和熱彈效應(yīng)引起的能量耗散可以忽略不計(jì)，但在聚合物和復(fù)合材料中該部分熱量影響則比較顯著。

聲波激勵(lì)下試樣中缺陷的接觸界面不斷發(fā)生接觸、碰撞、擠壓，其中由于相互摩擦而產(chǎn)生熱量。根據(jù)接觸面摩擦生熱方程，可得到接觸界面產(chǎn)生熱流的熱流密度為[18]

式(1)中，v(t)、vτ(t)分別為接觸點(diǎn)的相對速度和切向相對速度，μs、μd分別為接觸點(diǎn)處靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)，F(xiàn)N(t)為法向接觸壓力；c為靜摩擦轉(zhuǎn)化為動(dòng)摩擦的速度系數(shù)。由公式(1)可知，由摩擦產(chǎn)生的熱量與接觸界面的相對速度、摩擦系數(shù)和接觸力等參數(shù)有關(guān)。

1.2 傅里葉變換原理

在紅外成像檢測技術(shù)中，紅外攝像儀用一定的采樣率拍攝被檢材料表面的溫度場得到紅外圖像序列。序列中每幀之間的變化關(guān)系直接對應(yīng)著材料表面溫度場隨時(shí)間的變化關(guān)系，而材料表面溫度場的變化情況又反映著材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征，即缺陷信息。紅外圖像的處理方法有單幀圖像處理和多幀圖像處理。單幀的紅外圖像記錄的是被檢材料表面在某一時(shí)刻的溫度分布，通常受加熱不均勻、外界環(huán)境紅外輻射、材料表面紋理等因素的影響，不能充分反映材料表面在不同時(shí)刻的溫度分布情況。多幀圖像處理可以充分利用紅外攝像儀記錄的信息，能夠更全面地對缺陷信息進(jìn)行表征，實(shí)現(xiàn)對缺陷更精確、更完整的檢測[19]。

傅里葉變換算法，通過對原始紅外圖像序列進(jìn)行傅里葉變換，把時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)，從而提高檢測靈敏度和抗干擾能力。對紅外圖像序列中所有像素點(diǎn)對應(yīng)的表面溫度信號(hào)進(jìn)行離散傅里葉變換[20]，即

式(2)中，T(kΔt)為第k幀紅外圖像中在像素點(diǎn)(x,y)的溫度值；Δt為采樣時(shí)間間隔，即圖像之間的時(shí)間間隔；n為頻率增量(n=0,1,···,N)；Rn、In分別為變換后復(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部。所以，頻率fn處的幅值和相位值分別為

對紅外圖像序列中的每個(gè)像素點(diǎn)均進(jìn)行上述計(jì)算，分別得到紅外圖像的幅值和相位值，并構(gòu)成幅值圖和相位圖。與幅值圖相比，相位圖受環(huán)境反射、輻射率變化、不均勻加熱和表面幾何形貌等因素的影響更小，具有缺陷區(qū)和非缺陷區(qū)之間的良好對比度及更深的探測能力[21]。

2 數(shù)值模擬

2.1 有限元模型

根據(jù)超聲紅外成像檢測的原理，利用ABAQUS有限元軟件建立含微裂紋的鋁合金薄板模型，模型尺寸為370 mm×280 mm×2 mm。在薄板模型上制作一“V”型槽口，在其尖端制作一長20 mm、開口寬度20 μm的V型裂紋，如圖1所示。裂紋接觸面設(shè)置為面面接觸，鋁合金材料參數(shù)以及裂紋面的摩擦系數(shù)如表1所示，其中熱傳導(dǎo)系數(shù)表征熱量傳導(dǎo)的快慢，比熱容表征材料上升單位溫度所需的熱量。

表1 鋁合金材料參數(shù)Table 1 Material properties of aluminum alloy

圖1 試樣模型Fig.1 The model of sample

根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況設(shè)置板模型左右兩端的邊界為位移全約束固定。激勵(lì)位置如圖1中所示，激勵(lì)區(qū)域的中心距裂紋尖端100 mm且位于同一水平線上。根據(jù)超聲振子的工作原理，將超聲振子激勵(lì)等效為在激勵(lì)區(qū)域施加垂直板面的周期性位移邊界條件，即施加周期性正弦位移y=Asin(2πft)，其中f為頻率，A為幅值。模型中f=37.7 kHz，與超聲振子的頻率相同。幅值A(chǔ)可由超聲振子中晶片的數(shù)量、壓電常數(shù)d33和激勵(lì)電壓計(jì)算得到，本模型中A為10 μm。模型中試樣的初始溫度設(shè)置為20°C，試樣周圍的空氣對流換熱系數(shù)為10 W/(m2·K)。

通常，模型網(wǎng)格劃分越細(xì)，求解出的結(jié)果越準(zhǔn)確，但會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量增大、計(jì)算時(shí)間變長?？紤]到計(jì)算成本及結(jié)果的準(zhǔn)確性，模型中對裂紋區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，網(wǎng)格尺寸為1 mm，單元類型為C3D10MT四面體單元，非裂紋區(qū)域采用C3D8RT六面體單元類型。

模型采用動(dòng)態(tài)溫度-位移耦合顯式分析，首先求解在超聲激勵(lì)下裂紋面摩擦生熱導(dǎo)致金屬板局部溫度升高的過程，時(shí)間設(shè)置為10 ms；其次是求解停止激勵(lì)后由于熱傳導(dǎo)導(dǎo)致溫度下降的過程，時(shí)間設(shè)置為50 ms，求解時(shí)間共60 ms。

2.2 模擬結(jié)果

圖2為激勵(lì)10 ms后的溫度云圖，圖中虛線框內(nèi)為溫度升高區(qū)域的局部放大圖。在超聲激勵(lì)下，靠近裂紋尖端處有附加熱量的產(chǎn)生，導(dǎo)致局部溫度的升高，最高達(dá)30.07°C。下面重點(diǎn)分析激勵(lì)時(shí)間，裂紋面摩擦系數(shù)以及裂紋開口寬度對溫度場分布的影響。

2.2.1 激勵(lì)時(shí)間對勵(lì)熱效果的影響

裂紋處的熱量生成與超聲激勵(lì)時(shí)間有著直接關(guān)系。在利用有限元模擬研究超聲激勵(lì)時(shí)間對溫度分布影響時(shí)，模型中的其他參數(shù)均不變，將求解的總時(shí)間設(shè)置為80 ms，其中聲激勵(lì)的時(shí)間設(shè)為30 ms。圖3給出了模擬過程中裂紋表面最高溫度處的溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線。從圖3中可知，在聲波激勵(lì)開始的6 ms內(nèi)溫度隨著激勵(lì)時(shí)間快速上升，溫度達(dá)到30.02°C；之后溫度不再隨時(shí)間上升而是略微下降并逐步趨于平穩(wěn)；在15 ms時(shí)，溫度又開始緩慢升高；當(dāng)時(shí)間為30 ms時(shí)停止激勵(lì)，溫度迅速下降并最終趨于平衡。

圖3 裂紋表面最高溫度處的溫度與時(shí)間之間的關(guān)系Fig.3 The relationship between temperature and time on the crack surface with the highest temperature

2.2.2 裂紋面的動(dòng)摩擦系數(shù)對勵(lì)熱效果的影響

用超聲紅外成像技術(shù)檢測疲勞裂紋時(shí)，裂紋接觸面的摩擦系數(shù)與材料性能以及裂紋產(chǎn)生機(jī)制等因素有關(guān)，裂紋面越粗糙動(dòng)摩擦系數(shù)越大。在其他設(shè)置均相同的情況下，僅改變裂紋接觸面處的動(dòng)摩擦系數(shù)，依次為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7，計(jì)算裂紋區(qū)域的溫度場分布。圖4為不同動(dòng)摩擦系數(shù)條件下超聲激勵(lì)停止時(shí)裂紋面最高溫度的情況。從圖4中可以看出，隨著動(dòng)摩擦系數(shù)增加，裂紋面的最高溫度從27.23°C增加到33.7°C，呈上升趨勢，裂紋面的最高溫度與動(dòng)摩擦系數(shù)之間近似呈線性關(guān)系。

圖4 動(dòng)摩擦系數(shù)對裂紋勵(lì)熱的影響Fig.4 Influence of kinetic friction coefficient on heat generation of crack

2.2.3 裂紋開口寬度對勵(lì)熱效果的影響

裂紋表面間的開口寬度影響著兩表面的接觸程度和相互作用的強(qiáng)弱。在模擬中保持聲波激勵(lì)強(qiáng)度不變和裂紋長度不變，裂紋開口寬度從5 μm等間隔增加到30 μm，計(jì)算裂紋表面處的溫度場分布。聲激勵(lì)停止時(shí)裂紋表面最高溫度與裂紋開口寬度的關(guān)系如圖5所示。由圖可知，裂紋開口寬度的增加導(dǎo)致裂紋面接觸程度降低和摩擦作用減弱，裂紋處的最高溫度逐漸減小，從42.11°C下降到25.88°C。

圖5 開口寬度對裂紋勵(lì)熱的影響Fig.5 Influence of opening width heat generation of crack

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 鋁合金板試樣

實(shí)驗(yàn)選用6061鋁合金薄板，試樣尺寸與模型一致。如圖6(a)試樣照片所示，在試樣邊緣中部加工“V”型槽口，槽寬5 mm，槽深20 mm，V型夾角為70°。槽口尖端預(yù)制一長為10 mm、寬為200 μm的裂紋。在試樣左右兩側(cè)施加周期性應(yīng)力作用，裂紋尖端繼續(xù)擴(kuò)展并形成疲勞裂紋。測量裂紋總長度約為20 mm。圖6(b)為在金相顯微鏡下放大100倍觀察到的疲勞裂紋尖端形貌圖。在拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的交替作用下，裂紋尖端區(qū)域發(fā)生了明顯的塑性變形，結(jié)構(gòu)表面生成了皺褶，裂紋開口寬度約為20 μm。

圖6 鋁合金板試樣Fig.6 Aluminum alloy plate sample

3.2 超聲紅外成像檢測實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)用頻率為37.7 kHz、功率為100 W的超聲振子在鋁合金試樣上激勵(lì)聲波，超聲振子與裂紋尖端位于同一水平線且距離為100 mm。超聲波在板中傳播引起裂紋區(qū)域振動(dòng)，裂紋面相互接觸并摩擦產(chǎn)生熱量。產(chǎn)生的熱量經(jīng)熱傳導(dǎo)傳遞到工件表面，由紅外攝像儀VarioCAM HD(InfraTec)拍攝記錄工件表面的溫度場分布。測得的圖像經(jīng)處理，并定量測量缺陷的相關(guān)尺寸信息。實(shí)驗(yàn)的環(huán)境溫度約為18°C，紅外攝像儀的采樣頻率為30 Hz，拍攝的圖像尺寸為1024×768像素。實(shí)驗(yàn)時(shí)先采集未激勵(lì)聲波的原始紅外圖像作為背景，再記錄聲波激勵(lì)時(shí)試樣表面的紅外圖像。超聲紅外成像檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的原理圖和照片如圖7所示。

圖7 超聲紅外成像檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.7 Experimental system of vibro-thermography

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8(a)為激勵(lì)5 s時(shí)紅外攝像儀拍攝的原始紅外圖像，圖8(b)為通過圖像減法處理去除背景噪聲后得的局部放大圖像。由圖可知裂紋處的溫度經(jīng)超聲激勵(lì)后明顯高于試樣完好處的溫度，升溫最高達(dá)到0.36°C，說明超聲激勵(lì)下在裂紋處產(chǎn)生了附加熱量。圖中較亮的區(qū)域即為裂紋，能夠觀測到裂紋的形狀和位置，但疲勞裂紋部分未被完全顯示。對裂紋長度進(jìn)行測量，結(jié)果約為13 mm。

圖8 紅外圖像Fig.8 Infrared images

為增強(qiáng)缺陷的對比度，對試樣表面溫度場的圖像序列進(jìn)行傅里葉變換，分別提取幅值和相位并繪制成圖像，如圖9所示。由經(jīng)處理的圖像可以看出，缺陷的對比度均得到增強(qiáng)，裂紋清晰可見。雖然相位圖中噪聲較大，但裂紋形狀更加完整，且圖中顯示出了疲勞裂紋尖端部分的形狀特征。在幅值圖和相位圖上分別測量裂紋的長度，裂紋長度分別為16.07 mm和19.14 mm，與實(shí)測裂紋長度相比誤差分別為19.65%和4.3%。

圖9 傅里葉變換后的圖像Fig.9 The images after Fourier transform

在實(shí)驗(yàn)過程中，在保證實(shí)驗(yàn)條件相同的前提下，依次激勵(lì)超聲振子5 s、10 s、20 s、30 s、40 s、50 s，拍攝對應(yīng)的試樣表面溫度場圖像來分析激勵(lì)時(shí)間對裂紋處溫度升高的影響。選取裂紋處的最高升溫作為衡量熱量生成能力的判定標(biāo)準(zhǔn)，不同激勵(lì)時(shí)間下裂紋處的最高升溫如圖10所示。在超聲激勵(lì)下裂紋處的最高升溫在10 s內(nèi)快速上升，之后逐步趨于平穩(wěn)，持續(xù)至30 s后又緩慢上升。

圖10 激勵(lì)時(shí)間對裂紋勵(lì)熱的影響Fig.10 Influence of excitation time heat generation of crack

4 分析與討論

在超聲激勵(lì)下鋁合金板疲勞裂紋的表面相互摩擦產(chǎn)生熱量并導(dǎo)致局部溫度的上升，為紅外成像檢測技術(shù)有效應(yīng)用提供了條件。由公式(1)可知，裂紋處的熱量生成除了與超聲激勵(lì)時(shí)間有著直接的關(guān)系外，在裂紋表面產(chǎn)生的熱流密度與表面間的相對運(yùn)動(dòng)、摩擦系數(shù)等因素也有關(guān)，另裂紋開口寬度對勵(lì)熱效果也有影響。

在聲波激勵(lì)下裂紋面間相互摩擦生熱而引起熱量累積的同時(shí)也伴隨著熱傳導(dǎo)以及與周圍環(huán)境的熱對流。模擬研究中激勵(lì)開始時(shí)裂紋面摩擦而產(chǎn)生的熱量，導(dǎo)致缺陷處的溫度快速升高；裂紋處溫度升高的同時(shí)也加快了該區(qū)域的熱傳導(dǎo)及熱對流的速度。兩種因素導(dǎo)致該區(qū)域溫度產(chǎn)生微小振蕩并趨于平衡。而激勵(lì)后期溫度的緩慢升高，可能是裂紋表面溫度上升對材料性能的影響以及該區(qū)域溫差下降導(dǎo)致熱傳導(dǎo)和熱對流降低引起的。在實(shí)驗(yàn)研究過程中，盡管超聲振子自身也會(huì)產(chǎn)生熱量以及受其他因素的影響造成實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果有所差異，但圖3中模擬的激勵(lì)階段溫度曲線整體趨勢與圖10實(shí)驗(yàn)中的最高升溫曲線大致相符。因此，激勵(lì)時(shí)間是影響檢測結(jié)果的重要因素，在檢測時(shí)應(yīng)選擇能量消耗較少卻使缺陷處的溫度梯度較大的激勵(lì)時(shí)間。

由公式(1)可知，摩擦系數(shù)直接影響接觸界面產(chǎn)生熱流的熱流密度。在相同的激勵(lì)條件下，動(dòng)摩擦系數(shù)越大，兩裂紋面之間相對運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力越大，機(jī)械能轉(zhuǎn)換成熱能的效率就越高。因此，裂紋表面摩擦直接影響超聲紅外成像檢測的效果，這也證明了裂紋接觸面處的摩擦機(jī)制是超聲紅外成像檢測中產(chǎn)生熱量的主要原因。裂紋的開口寬度對勵(lì)熱效果的影響主要是由于裂紋表面在聲波作用下各自振動(dòng)并接觸摩擦產(chǎn)生熱量，裂紋開口寬度越小，因振動(dòng)在裂紋面間產(chǎn)生的法向接觸壓力越大且更容易接觸發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)，由摩擦產(chǎn)生的熱量就越多。在模擬研究中制作的V型裂紋中，從裂紋尖端到開口處裂紋面之間的距離逐漸增大。當(dāng)裂紋面間距離過大(如裂紋開口附近)時(shí)導(dǎo)致未能接觸，也就沒有摩擦熱量生成。在裂紋尖端處，裂紋面之間雖然相互接觸，但面間相對運(yùn)動(dòng)速度近似為零。因此，在模擬時(shí)相同激勵(lì)條件下，最高溫度位置通常不在裂紋尖端，而位于靠近裂紋尖端的區(qū)域。

此外，在超聲紅外成像檢測中，紅外熱像儀所拍攝的原始圖像由于受超聲激勵(lì)產(chǎn)生熱量的多少以及檢測環(huán)境等多因素影響，缺陷區(qū)域像素的對比度較低，難以獲得全面的缺陷表征信息，通常需要對原始圖像進(jìn)行圖像處理來提高缺陷區(qū)域的對比度。本文采用傅里葉變換，處理后所獲得的幅值圖及相位圖中缺陷的對比度均得到增強(qiáng)，尤其相位圖可得到較完整的疲勞裂紋形態(tài)，測量的裂紋長度更接近裂紋的實(shí)際長度。

5 結(jié)論

本文用超聲紅外成像技術(shù)檢測鋁合金薄板的疲勞微裂紋，并用ABAQUS有限元模擬鋁合金板疲勞微裂紋在超聲作用下的表面溫度升高的過程，研究在聲波激勵(lì)下裂紋表面的勵(lì)熱機(jī)制，得到以下結(jié)論：

(1)檢測拍攝的紅外圖像序列經(jīng)傅里葉變換后，幅值圖和相位圖中缺陷對比度均得到了增強(qiáng)，其中相位圖顯示的裂紋較為完整，裂紋長度誤差為4.3%。

(2)聲波激勵(lì)時(shí)間是影響檢測結(jié)果的重要因素。在激勵(lì)初期裂紋處的溫度隨聲激勵(lì)時(shí)間快速上升，而后會(huì)有所下降并達(dá)到平衡。

(3)裂紋表面粗糙度對檢測結(jié)果具有一定影響。裂紋面間的動(dòng)摩擦系數(shù)越大，兩裂紋面之間相對運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力越大，因摩擦生成的熱量就越多。

(4)在一定范圍內(nèi)，裂紋開口寬度越小，裂紋面之間的法向接觸壓力越大且更容易接觸發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)，摩擦生熱效果越好。