基于CCD圖像的疲勞裂紋生長研究

萬雪峰

【摘 要】疲勞損傷是導致機械件失效的主要原因之一。在高溫、高壓、交變載荷、負載環境中零件的使用壽命遠低于其設計壽命。其失效形式主要為疲勞損傷。其過程為疲勞裂紋的萌生，拓展，致使其斷裂失效。利用好的監測手段將損傷發現在裂紋的萌生、拓展階段，并預測其失效時間意義重大。本文將常用的裂紋檢測技術進行介紹和比較，并重點介紹CCD圖像法在疲勞裂紋檢測中的應用和優缺點及其前景。

【關鍵詞】疲勞損傷 裂紋生長 裂紋檢測 CCD圖像法

【Abstract】 Fatigue is one of the main reasons leading to mechanical parts failure.The life of parts far below than its designed life within the terrible environment，where there are high temperature， alternating load，high pressure.Its failure mainly attributes to fatigue damage.First，fatigue cracks generate.then expand，break.It is significant to make use of the means of monitoring the damage found in the crack initiation， expansion stage， and predicts the failure time.This article introduces and compares crack detection Technique.Focus on CCD Image method in the detection of fatigue crack and the advantages and disadvantages and its prospects.

【Keywords】 Fatigue damage； Cracks growth； Crack detection； Method of CCD image

1 疲勞裂紋的生長規律

機械零件的破壞形式多樣，最主要的形式是疲勞失效，其主要表現為的裂紋生長導致零件斷裂，詳細可以分為：疲勞成核，然后微觀裂紋生長，引起宏觀裂紋擴展，最后發生斷裂[1]。其中裂紋的萌生和擴展是兩個關鍵過程。裂紋萌生階段和擴展階段很難進行詳細的劃分，該過程的區分根據檢測儀器的精度不同而不同。疲勞裂紋的擴展分為第Ⅰ階段和第Ⅱ階段。在第Ⅰ階段，萌生很多條微觀裂紋，這些微觀裂紋在繼續施加循環交變載荷的過程中，擴展并互相連結，但絕大多數停止擴展，在這個階段，裂紋的擴展速率很緩慢。在第Ⅱ階段，只剩下一條主裂紋，擴展速率迅速變大。最后斷裂是疲勞破壞的最終階段，它和前兩個階段不同.是在—瞬間突然發生的，但從疲勞的全過程來說，則仍是漸進式的，是裂紋擴展到臨界尺寸，裂紋尖的應力強度因子達到臨界值的結果[2]。由此可見在疲勞裂紋的萌生階段，裂紋規律明顯利于檢測和對疲勞階段的定位，有效的避免零件進入第Ⅱ階段突然失效造成損失。

2 現有疲勞裂紋檢測方法

現有裂紋檢測方法有直讀法、柔度法、電位法、探傷法、光學法[3-10]。

其中光學法：全息照相（攝影）術、散斑照相法和光彈術都是利用光學現象來檢測表面裂紋擴展狀況的先進檢測技術，統稱為光學法[12]。全息照相術包括全息記錄和全息再現兩個過程。其中記錄過程可將物體發出的光的振幅和位相同時記錄下來。全息術利用同一光源發射的兩道光束重疊并相互作用產生全息圖像，通過對在不同條件下拍攝的全息照片進行對比，獲得裂紋長度的變化。物體粗糙表面被激光照射會形成散斑，通過對比物體變形前后散斑圖的變化來檢測表面裂紋長度的方法稱為散斑照相法。它比全息法的影響因素更少，性能更可靠。光彈術使用某種光學靈敏材料制成與實物相似的模型，或粘貼在實際構件上，在相應載荷作用下，用偏振光照射便得到因光波的干涉而形成的應力光圖；對其進行分析和計算可得知構件表面裂紋的長度。

上述方法均為生產中常用的缺陷檢測，為使各方法的優缺點更加直觀，可見表1。

3 實驗

實驗設備如圖（3-1）。

設備參數如下：

疲勞樣機：加載頻率0.8HZ；投影儀型號BENQ jobee GP2 series；分辨率：DMD1280*800；

亮度：200流明；投射比：1.13；聚焦范圍：0.75m-5m；寬高比：16：10；遠心鏡頭：2倍；

焦距330mm；CCD相機：最高頻率250HZ；分辨率2050*2050；計算機型號：THINKPAD-TP0007A；

試件材料為304不銹鋼，詳細尺寸如圖（3-2）。

將試件裝夾好，調整好光路和相機，完成對相機的標定，開始實驗并記錄數據。重復該實驗，以五件試件為一組。最后處理數據得到結論。

4 數據結果

這里以其中一組實驗數據為例如圖（4-1）（4-2）。

5 結語

本文對生產中常用的裂紋檢測技術進行了較詳細的對比，每種技術各有優缺點。其中隨著數字圖像技術的發展而產生的光學法，雖然歷史不長但是其應用條件和測量精度都非常優秀，本實驗室中得到的疲勞裂紋生長規律與金屬的疲勞壽命規律吻合良好，由于采樣間隔不同在循環一定次數后，裂紋長度發生突變可作為識別的條件。該光學測量法系統的精度最高可達到10um/pixel。利用合理算法，精度可以達到0.1像素，系統最終精度可到1um。并且隨著技術的發展，結構光，散斑等技術的應用，光學法不僅可以測量平面缺陷而且可以測量三維缺陷，并重建形貌。

參考文獻：

[1]莫國影，左敦穩，黎向鋒.基于CCD圖像的表面疲勞裂紋檢測方法[J].機械制造與自動化，2008.

[2]莫國影，左敦穩，黎向鋒.基于CCD圖像識別技術在疲勞裂紋檢測中的應用基礎研究[D].南京：南京航空航天大學，2008.

[3]方欽志，張石山，等.疲勞擴展柔度法測量系統研究[J].實驗力學，2000.

[4]王亮，黃新躍，郭廣平.直流電位法檢測高溫合金的疲勞裂紋擴展性能[J].理化檢驗，2011.

[5]劉彤，楊榮根，張曉慧，等.疲勞裂紋深度自動監測系統的研制與應用[J].機械強度，2004.

[6]李曉陽.基于交流電位法的疲勞裂紋長度測量方法與裝置[J].理化檢驗，2015.

[7]張麗娟.表面裂紋長度的測量方法[J].材料開發與應用，2009.

[8]楊波，胡錫寧，等.保險螺母的超聲波表面波原位探傷[J].無損探傷，2015.

[9]吳廣輝，等.基于聲發射技術的水輪機轉輪葉片裂紋檢測[J].電網與清潔能源，2009.

[10]孫向陽.渦流探傷在鐵路接觸線裂紋檢測中的應用[D].西安：西安交通大學，2005.

[11]李建生.磁粉探傷磁化技術與磁化設備[J].無損檢測，2002.

[12]車軍.基于光柵投影的三維測量技術研究與應用[D].南京：南京林業大學，2014.

[13]李中偉.基于數字光柵投影的結構光三維測量技術與系統研究[D].武漢：華中科技大學，2009.

[14]王振.基于光柵投影的三維模型測量系統關鍵技術研究與實現[D].南京：南京航空航天大學，2007.

[15]牛小兵，林玉池，趙美蓉，等.光柵投影三維測量的原理及關鍵技術分析[J].儀器儀表學報，2001.