热像法的原理与应用.ppt

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1、热像法的原理与应用大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室——疲劳与无损检测红外热像反映的是物体表面的温度分布，而温度是自然界中物体状态最普适的参数之一。作为一种物体状态的检测手段，红外热像法具有无损、实时及非接触的优点，在科学研究中获得了广泛的应用。疲劳热像法作为热像法最有希望的研究方向之一，在用于快速获取金属疲劳性能(疲劳极限和S-N)方面，更是引起了学术界及工业界的强烈兴趣……——疲劳热像法第一部分疲劳是一个能量耗散的过程。这里所说的能量包括了储能与热耗散，其中储能是材料内部缺陷与损伤状态的体现，可通过材料微观结构的变化来描述，但其大小则需要借助材料

2、的热耗散间接获得。疲劳热像法即借助于红外热像测试系统，通过记录试件在动态载荷作用下的热像数据，并结合疲劳能量方法进行分析，进而对材料或结构本身的疲劳特性进行快速的评估。简言之，疲劳热像法即将热像法应用于疲劳研究中。疲劳热像法的定义金属材料在交变载荷的作用下，由于热弹性&热塑性效应的作用，将会产生温度的波动与上升。温度的变化反映材料表面的应力分布状态，进而对材料的疲劳损伤状态具有描述能力。滞弹性应变能等塑性应变能弹性应变能储能声发射热耗散其他能耗机械能耗能量耗散过程疲劳损伤的疲劳热像法的基本原理疲劳热像法的应用快速获取疲劳参数疲劳极限、S-N曲线、残余疲劳寿命

3、断裂力学应用以实时、直读的方式记录裂纹扩展速率损伤评估与健康监测有望用于重要服役结构的在线安全评估红外热像法技术一种实时、全场及非接触的无损检测手段，最初被用在军事领域。随着人们对材料力学行为与温度变化之间关系认识的不断深入，热像法开始被应用于疲劳断裂研究中。疲劳试验疲劳理论建立与发展的重要基础，在工业生产中具有不可代替的重要性。然而传统疲劳试验方法存在着试验周期长、成本高、数据离散等先天不足。通过新兴的疲劳热像法，有望只通过几根试件，花几天时间便可获取金属材料或构件的疲劳参数。该技术的研究，可用于实现疲劳试验的快速化，提高试验效率，缩短研发周期，从而引起了

4、学者与工程师们的极大兴趣。疲劳热像法的兴起1830固体材料的热弹性效应Kelvin1963固体材料的热塑性效应Dillon&Kratochvil1968红外辐射测量仪器的应用范围研究Belgen1978热辐射应力图像分析技术（SPATE）Mountain&Weber1986快速测定疲劳极限的热像法Risitano1990基于固有耗散的疲劳极限快测法Luong1994利用锁相热像法提取热弹性耗散效应Brémond1994~至今锁相热像法的深入研究Chrysochoos,etal2000~至今热像法在金属疲劳中的研究Liaw,Crupi,etal疲劳热像法的发展

5、史热弹性效应：弹性拉伸载荷将引起材料温度的降低，而弹性压缩载荷将引起材料温度的升高。由于热弹性效应引起的温度变化十分微小，故在很长的时期内并没能引起人们的注意。Km—热弹性系数热弹性效应这里，α是线膨胀系数，ρ是材料密度，Cp是等压比热。热塑性效应指出：塑性应变能是材料在疲劳破坏中机械能耗的主体，绝大部分将以热耗散的形式释放出去，进而引起材料表明温度的升高，并维持着温度场的平衡。热塑性效应弹性效应塑性效应基于应变能耗的疲劳研究20世纪60年代，疲劳能量方法主要集中在热塑性效应的研究。许多学者都尝试在循环滞回能与材料低周疲劳之间建立关系。许多基于应变能耗的疲劳

6、损伤模型被提出,这些模型的共同特点是：以某种形式的应变能表征疲劳损伤，当这种形式的应变能积累到某个极限值时，材料将发生破坏。而一些研究发现，疲劳过程中所消耗的应变能与加载状态有关,并不能直接与疲劳损伤之间建立某种关系。于是人们开始关注于疲劳过程中的能量耗散现象，尝试从非平衡热力学的角度重新认识疲劳问题。意大利学者Risitano等人最早提出了快速测定金属材料疲劳极限的热像法，该方法将疲劳极限定义为周期载荷下引起材料表面平均温度升高的最小应力值。最初的疲劳极限快速法——Risitano法在各级应力水平下加载记录平衡阶段的温升值将数据插入到应力—温升图观察到图中

7、明显的拐点现象通过一线拟合法确定疲劳极限试验步骤疲劳极限法国学者Luong对疲劳耗散过程的热源展开了分析：上式中，热源被分为外热源、热传导、热弹性源及固有耗散源。外热源表示由于一些内部或外界因素所引起的热噪声。热传导将改变试件表面的温度场，使其趋于均匀分布。热弹性源是由材料的弹性效应所引起的可逆的热力学现象。固有耗散源是由材料的非弹性效应所引起的不可逆的热力学现象，它所产生的能量绝大部分会以热耗散的形式释放出去。Luong认为材料的能量耗散与疲劳损伤之间存在着密切联系，可将固有耗散率作为最准确的疲劳指标。改进的疲劳极限快测法——Luong法Luong法对Ri

8、sitano法的改进：利用能量方程进行了较深入的理论