金屬材料沖擊疲勞損傷的渦流熱成像檢測(cè)

鄒　涵，楊隨先，曾金晶，蘇志偉

(四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)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(cè)

鄒涵，楊隨先，曾金晶，蘇志偉

(四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院， 成都 610065)

利用沖擊疲勞損傷對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)和應(yīng)力分布的改變導(dǎo)致的材料導(dǎo)熱率和電阻率等參數(shù)變化的特性，提出了利用渦流熱成像技術(shù)檢測(cè)金屬材料沖擊疲勞損傷的無(wú)損檢測(cè)方法，構(gòu)建了檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)試驗(yàn)，獲得了飛機(jī)剎車片的渦流熱成像圖像。結(jié)合對(duì)沖擊疲勞損傷引起的塑性變形而導(dǎo)致的材料導(dǎo)熱率和電阻率等的變化的分析，通過(guò)圖像處理提取了試件的溫升變化曲線,比對(duì)了受損區(qū)域和正常區(qū)域的紅外圖像差異，實(shí)現(xiàn)了對(duì)沖擊疲勞損傷缺陷的判別。結(jié)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(wú)損檢測(cè)

沖擊損傷會(huì)在零件上引起裂紋并導(dǎo)致零件在使用過(guò)程中突然斷裂。開(kāi)展零件沖擊損傷的無(wú)損檢測(cè)方法研究,對(duì)實(shí)現(xiàn)重大裝備的健康檢測(cè)和保障裝備的安全運(yùn)行具有重要的實(shí)用價(jià)值。

研究表明，零件在沖擊載荷的作用下將引起零件應(yīng)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(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和性能都會(huì)發(fā)生很大的變化。金屬材料發(fā)生塑性變形后，由于內(nèi)部的空位和位錯(cuò)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(dǎo)電性能下降，導(dǎo)磁率下降，導(dǎo)熱系數(shù)也略微下降[1-4]。渦流熱成像檢測(cè)技術(shù)利用導(dǎo)電材料的焦耳熱效應(yīng)檢測(cè)材料的組織不均勻和裂紋等缺陷，具有檢測(cè)效率高，單次檢測(cè)范圍大的特點(diǎn)，已被應(yīng)用于零件裂紋缺陷的檢測(cè)中[5-14]。

筆者提出利用沖擊損傷對(duì)材料的電阻率和導(dǎo)熱系數(shù)的改變,運(yùn)用渦流熱成像方法開(kāi)展金屬零件沖擊損傷的檢測(cè)方法研究,實(shí)現(xiàn)了對(duì)沖擊疲勞損傷缺陷的判別。

1　沖擊損傷對(duì)材料組織和性能的影響

金屬材料表面受到?jīng)_擊后，其微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(zhì)，使材料的導(dǎo)熱率下降。

根據(jù)物體微觀熱傳導(dǎo)模型，導(dǎo)熱可看作是物質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)之間的相互作用,即能量較大的質(zhì)點(diǎn)向能量較小的質(zhì)點(diǎn)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(yīng)的，熱能的傳輸是由兩種作用實(shí)現(xiàn)的,即自由電阻的遷移和晶格的振動(dòng)波。在金屬中，電子對(duì)導(dǎo)熱的影響最大。

分子運(yùn)動(dòng)理論給出導(dǎo)熱率k為：

(1)

據(jù)此可知，金屬材料零件在受到?jīng)_擊損傷后,由于電子平均自由程變短使得其熱導(dǎo)率減小。文獻(xiàn)[1]表明，金屬零件受到?jīng)_擊損傷后其電阻率增加，導(dǎo)電性能下降。因此，沖擊損傷使得受沖擊點(diǎn)在渦流加熱時(shí)由于其材料組織結(jié)構(gòu)的改變、導(dǎo)電率的下降、導(dǎo)熱率的下降等導(dǎo)致沖擊點(diǎn)周圍的溫度場(chǎng)分布異常。這種不均勻的溫度場(chǎng)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(wú)損檢測(cè)原理

渦流熱成像無(wú)損檢測(cè)是基于電磁感應(yīng)原理和紅外熱成像技術(shù)的一種無(wú)損檢測(cè)方法，適用于對(duì)導(dǎo)體材料進(jìn)行缺陷檢測(cè)，包括對(duì)材料表面或近表面的裂紋、組織部均勻性等進(jìn)行高效率的無(wú)損檢測(cè)。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，導(dǎo)電材料在交變磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生渦流，在導(dǎo)電材料的表面層和近表面層的缺陷會(huì)影響感生渦流的大小和分布。由于焦耳效應(yīng)，感生渦流引起被測(cè)試件內(nèi)的局部發(fā)熱，具體表現(xiàn)為零件缺陷及周邊溫度場(chǎng)的不均勻分布。在對(duì)被檢試件施加渦流激勵(lì)的同時(shí),利用高精度紅外相機(jī)同步試件的溫度場(chǎng)分布等一系列時(shí)序圖像，再經(jīng)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(cè)系統(tǒng)組成。

圖1　脈沖渦流熱成像試驗(yàn)系統(tǒng)示意

3　檢測(cè)系統(tǒng)與檢測(cè)參數(shù)

以某企業(yè)提供的飛機(jī)剎車片為檢測(cè)對(duì)象，分析渦流熱成像技術(shù)對(duì)金屬零件沖擊疲勞損傷檢測(cè)的可行性。飛機(jī)剎車片材料為鎢合金。隨著飛機(jī)起落次數(shù)的增加, 剎車使用次數(shù)的增多，飛機(jī)剎車片在多次沖擊載荷的作用下會(huì)形成累積沖擊疲勞損傷，但不同的沖擊著力點(diǎn)的損傷程度可能不同。圖2所示為飛機(jī)剎車片實(shí)物照片，一共有5片，包括1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件和4個(gè)有不同程度損傷的待測(cè)零件。零件長(zhǎng)寬高為220 mmX30 mmX22 mm。沖擊損傷位于圖2所示位置的上表面，測(cè)試時(shí)激勵(lì)線圈平行置于損傷表面上方，如圖3所示。

圖2　飛機(jī)剎車片實(shí)物照片

圖3　脈沖渦流熱成像試驗(yàn)系統(tǒng)

圖3為搭建的渦流熱成像檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)的渦流激勵(lì)電源為Easyheat224，紅外相機(jī)選用FLIR。檢測(cè)參數(shù)為:記錄時(shí)間6 s;激勵(lì)電流480 A;加熱時(shí)間200 ms;激勵(lì)頻率255 kHz;幀速率為每秒傳輸100幀。

測(cè)試時(shí)采用紅外相機(jī)錄制視頻的方式記錄整個(gè)渦流激勵(lì)加熱和自然降溫的過(guò)程，視頻分辨率為640X240，試驗(yàn)結(jié)果采用avi格式的視頻文件和mat格式的數(shù)據(jù)文件保存。

圖4　被測(cè)試件時(shí)序熱成像圖像

4　圖像處理與分析

渦流熱成像檢測(cè)中獲得的mat格式數(shù)據(jù)文件采用三維陣列數(shù)組存放視頻信息，其每一幀的數(shù)據(jù)為二維陣列。Matlab軟件處理即可獲得被檢試件在某一時(shí)刻的溫度分布圖，進(jìn)而可以獲得試件上特征點(diǎn)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(diǎn)為分析參考點(diǎn)，其局部放大圖見(jiàn)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(cè)試件和標(biāo)準(zhǔn)試件上對(duì)應(yīng)點(diǎn)在渦流加熱與自然冷卻過(guò)程的溫度變化曲線。從圖6可以看出，金屬零件在受到?jīng)_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(cè)過(guò)程中的溫度變化速率也不同，溫度變化速率與其材料的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性的改變具有較為一致的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這種溫度速率的變化與受損程度存在正相關(guān)性。因此，可根據(jù)選取的紅外圖像區(qū)域分析圖像上特征點(diǎn)的溫升變化速率,實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬零件的沖擊疲勞損傷及其程度的判定。

圖6　被測(cè)試件與標(biāo)準(zhǔn)件的溫度變化曲線對(duì)比

圖7　缺陷零件紅外圖像與標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)試件的圖像進(jìn)行減運(yùn)算后的圖像。對(duì)比原始圖像可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)減運(yùn)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(jié)論

(1) 運(yùn)用渦流熱成像檢測(cè)技術(shù)能夠快速有效地檢測(cè)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(dǎo)熱性和導(dǎo)電性的改變，降低了導(dǎo)熱率及導(dǎo)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(xiàn)為紅外圖像中溫度分布的不均勻，通過(guò)圖像處理可以判別零件是否存在沖擊疲勞損傷。

(3) 通過(guò)對(duì)可疑區(qū)域的溫升變化情況的分析，在建立足夠多樣本數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，有可能實(shí)現(xiàn)沖擊疲勞損傷程度的分析。

[1]OMOTOYINBO J A, OLADELE I O, SHOKOYA W. Effect of the degree of plastic deformation on the electrical resistance and thermal conductivity of Al-Mg-Si alloy[J]. Leonardo Electronic Journal of Practices & Technologies, 2014,24:37-50.

[2]LEE W, LIN C. Impact properties and microstructure evolution of 304L stainless steel[J].Materials Science & Engineering A,2001,308:124-135.

[3]GURUGUBELLI S N. The effect of ageing on impact toughness and microstructure of 2024 Al-Cu-Mg alloy[J]. World Acad. Sci., Eng. Technol, 2012,6(2): 608-610.

[4]?ETINARSLAN C S. Effect of cold plastic deformation on electrical conductivity of various materials[J].Materials & design, 2009,30(3):671-673.

[5]BAI L, TIAN S, CHENG Y, et al. Reducing the effect of surface emissivity variation in eddy current pulsed thermography[J]. IEEE Sensor Journal, 2014,14(4):1137-1142.

[6]HE Y Z, PAN M C, LUO F L. Defect characterization based on heat diffusion using induction thermography testing[J]. Review of Scientific Instruments, 2012,83(10):1-10.

[7]TSOPELAS N, SIAKAVELLAS N J. Eddy current thermography in circular aluminum plates for the experimental verification of an electromagnetic-thermal method for NDT[J]. Nondestructive Testing and Evaluation, 2010，25(4):317-332.

[8]HE Y, TIAN G Y, PAN M C, et al. An investigation into eddy current pulsed thermography for detection of corrosion blister[J]. Corrosion Science, 2014, 78(1):1-6.

[9]CHENG L, GAO B, TIAN G Y, et al. Impact damage detection and identification using eddy current pulsed thermography through integration of PCA and ICA[J].IEEE Sensors Journal, 2014,14(5):1655-1663.

[10]YANG S, TIAN G Y, ABIDIN I Z, et al. Simulation of edge cracks using pulsed eddy current stimulated thermography[J]. Journal of Dynamic Systems Measurement and Control, 2011,133(1):10-19.

[11]宋林,楊隨先,李小建,等.曲面零件裂紋缺陷脈沖渦流熱成像檢測(cè)的仿真研究[J].無(wú)損檢測(cè)，2012，34(9)：39-41.

[12]儀向向，曾金晶，楊隨先.基于渦流熱成像的表面缺陷定量分析仿真研究[J].無(wú)損檢測(cè)，2015，37(4)：24-27,75.

[13]胡德洲,左憲章,王建斌,等.脈沖渦流熱成像檢測(cè)激勵(lì)參數(shù)的優(yōu)化[J]，無(wú)損檢測(cè)，2014， 36(8)：23-27.

[14]李托雅,田裕鵬,王平,等.感應(yīng)激勵(lì)紅外熱像無(wú)損檢測(cè)及其在裂紋檢測(cè)中的應(yīng)用[J].無(wú)損檢測(cè)，2014，36(1):15-18.

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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275325)

鄒涵(1984-)，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姶艧o(wú)損檢測(cè)。

楊隨先,教授,E-mail:yangsx@163.com

10.11973/wsjc201603017

TG115.28

A

1000-6656(2016)03-0071-04