表面裂纹长度的精确测量

表面裂纹长度的精确测量

表面裂纹是工程结构中的一个常见缺陷。许多渗透裂纹也可以追溯到表面裂纹的扩张。因此在材料的疲劳裂纹扩展研究领域,为了确保具有表面裂纹的材料或构件在使用过程中不会发生安全事故,必须可靠地确定其在疲劳条件下表面裂纹扩展速率dc/dN,它是进行剩余寿命评估的一个重要的力学特性指标。精确测量表面裂纹长度是获得dc/dN的关键之一,所以对表面裂纹长度测量技术的研究始终是人们关注的内容,越来越多的测量手段得到应用。本文将表面裂纹长度测量方法归类为直读法、柔度法、电位法、探伤法及光学法,并对每种方法进行简单介绍,比较其优缺点及适用范围,以便于在实际工作中选择应用。1复型薄膜法主要受到限制在光学显微镜下直接读取裂纹长度的方法称为直读法。试验时,需要将观察面抛光成镜面,以减小因表面粗糙造成的读数误差。直读法按观察位置的不同,可分为离位测量法和在位测量法。离位测量即疲劳试验与裂纹长度测量分离独立进行:每循环一定周期,将试样从试验机上卸下,利用显微镜对裂纹长度进行读数。此方法需要停机中断试验,频繁装卸试样,费时且劳动强度大;卸载后裂纹闭合,使得裂纹尖端在显微镜下不易准确测量。文献中介绍的金相剖面法即属于离位测量方法,它只在试样断面上测量裂纹的最终长度,所以数据相对比较准确。复型薄膜法则是一种间接的离位测量方法:将醋酸纤维素薄膜每隔一定周期在待测试样表面粘贴一张,干后取下,在显微镜下对薄膜进行观察就可得到裂纹长度。此方法成本很低,可准确检测几个微米的小裂纹,并能记录多条裂纹的起始位置。缺点是每个试样至少要复20多个膜才能准确确定裂纹长度与循环次数的关系,还要逐个对每个膜所记录的裂纹长度进行测量,因而劳动强度大;某些材料的疲劳寿命还因做复型受到影响,几乎是不做复型的2倍。在位测量通过设计一些夹具将读数显微镜固定在疲劳试验机上,不用中断试验就可直接测量裂纹长度。试验过程中,随着载荷的变化,表面裂纹会一张一合,可准确判断裂纹尖端位置,但是测量精度会受到试验机振动的影响。长焦显微镜则为远距离在位观测提供了一种有利的工具。直读法虽不能实现自动化检测,且由于雾气或腐蚀产物的影响不便用于高温及腐蚀环境中;但由于其简单、直观、成本低,目前还是疲劳试验中最常用的方法之一。2裂纹长度的测量材料或构件在外载作用下会产生一定的变形,变形量与对应载荷的比值称为柔度。当材料或构件产生裂纹或裂纹扩展时,其柔度也会发生变化,其它条件不变时,柔度的变化可以用来检测裂纹长度,柔度法测量表面裂纹长度就是根据这个原理来实现的。柔度法一般利用裂纹张开位移来间接测量裂纹长度,因而有些文献也称其为刀口张开位移法。通过线弹性断裂力学得出其计算裂纹长度的公式为:a/W=C0+C1U+C2U2+C3U3+⋯⋯CnUna/W=C0+C1U+C2U2+C3U3+⋯⋯CnUn式中,a——有效裂纹长度,mm;W——试样宽度,mm;U=1/[1+(BEV/P)1/2];BEV/P——无量纲柔度;B——试样的有效厚度,mm;E——试样材料的弹性模量,MPa;V——COD规张开位移,mm;P——试验载荷,N。使用柔度法进行裂纹长度测量时,首先应求出给定试样的柔度系数。不同形状的试样,其柔度系数不同。疲劳试验的载荷-位移曲线有时是非线性的,应通过其直线段来计算柔度,见图1。柔度法可以拓展为频率法:当载荷、系统质量、试验材料及试样尺寸固定时,系统的共振频率就是试样柔度的函数,那么就可以建立共振频率与裂纹长度的关系,就可以使用频率来检测裂纹的长度。柔度法可以用于高温及腐蚀环境中,操作简单,容易实现数据的实时同步连续采集,自动化程度较高。但其计算公式中涉及的变量较多,它们的误差将直接影响柔度法的测量精度,因而柔度法对这些变量的测量精度及仪器的灵敏度要求较高。3试验过程中采用交流法和其他手段法来确定裂纹长度电位法是基于金属构件的导电性来测量裂纹长度的。电流通过金属构件时产生电位差:U=IR。电流I恒定时,电位差U仅取决于构件的电阻R,当构件裂纹扩展时,其R会发生变化,导致U也发生变化。通过事先标定的电位差与裂纹长度的对应关系,可测量表面裂纹长度。电位法按激励源类型的不同,分为直流法和交流法。直流法使用直流电流,装置比较简单,标定时可直接使用Johnson公式;但不可避免地产生热漂移和放大器的直流漂移等问题,对工频干扰和噪声的抑制能力也较差,工作环境要求较严,在试验过程中要特别注意绝缘问题。交流法可采取一些技术手段解决高低频干扰问题,信噪比较好;但装置较复杂,技术难度较大。再者,其标定比较繁琐,虽然使用电磁场有限元法和电磁场边界元法可以提高效率,但计算量仍比直流法大得多。在直、交流法的基础上还开发了交替使用直、交流信号的翻转电位法、使用脉冲信号的脉冲电位法以及通过比较多电极电位差从而确定裂纹长度的多电极电位技术,可提高检测的精度与稳定性。下面介绍的断裂片(扩展片)法,也称为“局部电位法”,从原理上来说也属于直流电位法,其测试原理见图2:A—B为恒电流输入端,C—D为电压测量端,根据测出的电位值可检测裂纹长度。断裂片法对各种形状的金属非金属、导体非导体均适用;使用方便,抗干扰能力强,易于实现数据的自动采集和处理;标定简单实用,不同试件选用同一型号断裂片只需标定一次即可;精确度与灵敏度较高。但试验过程中必须确保断裂片与试样同步开裂,且断裂片不能反复使用;因而疲劳试验中对断裂片的消耗较多,费用较高。在断裂片法基础上,又有了利用表面覆盖技术来测量裂纹长度的方法:即在构件上制造出具有耐磨损、耐腐蚀、耐高温、耐疲劳、硬度高、导电并与基体结合牢固等性能的覆层,然后以表面导电覆层作传感器来检测表面疲劳裂纹;通过测量和分析覆层上某些选定点之间的电位差值或电阻值来测量构件表面的裂纹长度。电位法能够用于高温及腐蚀环境中,可以实现自动化检测,在实际工作中得到了广泛的应用。4超声、磁粉法、声发射法目前用于测量表面裂纹长度的探伤法有超声、磁粉、涡流、渗透和声发射等方法。超声法是依据超声波在材料与裂纹中的传播速度不同从而可探测表面裂纹的扩展过程。铁磁材料在磁场中被磁化,根据磁痕的形象和尺寸来检测裂纹特征的方法即磁粉探伤法。常见的漏磁法就是磁粉探伤的一种。涡流法的基础是电磁感应:交变的磁场作用下工件表面会出现涡流,表面裂纹则会干扰涡流场的强度及分布,用涡流探伤仪检测干扰信号就可以知道裂纹长度。渗透法利用毛细现象来观察裂纹图像。一般渗透法在卸载停机时裂纹闭合,尖端细小,渗透剂不易渗入,则提倡加载渗透检测法:即在试样加载过程中进行渗透,在卸载时靠裂纹闭合挤出混合液来显示裂纹图像。这种方法与一般渗透检测相比,虽然图像保持时间短,但操作简便、灵敏度高、渗透时间短、可以连续检测并且结果准确可靠。声发射技术是利用外部条件(力、热、电、磁等)使物体发声,使用高灵敏度的压电传感器接收和采集来自材料裂纹的声发射信号并对信号进行识别、判断和分析,即通过“听”材料裂纹的声音来对长度进行测量。这些技术各有优缺点[23,24,25,26,27,28,29,30]:超声法迅速、方便,计算简单,抗干扰能力强;但需要耦合传感器,被检表面必须光滑,对裂纹的判定依赖于人员的经验,一般只用于检查几何形状较简单的工件。磁粉法使用简单、设备轻便、灵敏度高,但仅限于铁磁材料,检测速度低,检测后还必须作退磁处理。涡流法经济、简便,可自动化检测,在潮湿等恶劣环境下也能进行;但仅限于导体材料,常用于形状规则、表面光洁的工件。渗透法对所有材料都适用,设备简便,结果易解释;但探伤前后必须清洁工件,其探伤液有较大气味,常有一定毒性。声发射技术可以实时连续检测,不受材料、形状及环境的限制;但检测仪器非常灵敏,常因周围噪声干扰使其应用受到限制,一般用于低频疲劳试验。DoubovA于1997年提出的金属磁记忆技术也可用来测量表面裂纹长度,我们将其也归属于探伤法。这种方法通过检测试件表面磁记忆信号的变化规律,建立磁记忆信号峰值与疲劳裂纹长度的关系模型,由于此技术发展较晚,目前还没有得到广泛应用。5表面裂纹长度测量全息照相(摄影)术、散斑照相法和光弹术都是利用光学现象来检测表面裂纹扩展状况的先进检测技术,统称为光学法。全息照相术包括全息记录和全息再现两个过程。其中记录过程可将物体发出的光的振幅和位相同时记录下来。全息术利用同一光源发射的两道光束重叠并相互作用产生全息图像,通过对在不同条件下拍摄的全息照片(图像)进行对比,获得裂纹长度的变化。物体粗糙表面被激光照射会形成散斑,通过对比物体变形前后散斑图的变化来检测表面裂纹长度的方法称为散斑照相法。它比全息法的影响因素更少,性能更可靠。光弹术使用某种光学灵敏材料制成与实物相似的模型,或粘贴在实际构件上,在相应载荷作用下,用偏振光照射便得到因光波的干涉而形成的应力光图;对其进行分析和计算可得知构件表面裂纹的长度。光学法能实现高精度非接触无损测量,对任意形状、任意粗糙表面的物体均可测量。具有实时、直