专利名称：一种金属结构件疲劳损伤的检测方法
技术领域：
本发明涉及安全评估和无损检测技术，特别提供了一种用于金属结构件疲劳损伤的红外图像无损检测方法。
背景技术：
金属结构件在工业领域及航天领域都有着广泛的应用，其工作的安全性、使用寿命和经过一段时间使用后被损伤和出现缺陷的程度一直是人们所关注的主要问题。金属结构件在工况状态下，经常处于交变载荷的应力条件，特别是处于高温、腐蚀介质等的复杂情况下工作的金属结构件，在这种交变应力作用下，会发生疲劳损伤或断裂，通常断裂的应力低于材料的抗拉强度σb，在应力集中部位甚至可以低于屈服强度σs。由于结构件在交变应力作用下，首先产生疲劳损伤，在疲劳裂纹扩展到一定程度后才发生突然破坏，而且疲劳断裂过程在宏观上没有留下明显的塑性变形，因此采用常规的无损探伤无法发现隐藏的疲劳损伤。

发明内容
本发明的目的是提供一种金属结构件疲劳损伤的检测方法，通过该方法可以确定金属结构件在使用后所产生的缺陷及其大小，从而可以通过采取有效措施防止结构件失效的发生，以避免不必要的损失。
本发明提供一种金属结构件疲劳损伤的检测方法，包括在待检测的金属结构件上涂覆红外涂料，并使其处于热屏蔽背景中，其特征在于
(1)在变化的应力条件下，对待测金属结构件进行热成像，一旦待测金属结构件发生疲劳损伤，与疲劳损伤位置相对应的热像上一定会出现热斑迹；(2)通过对待测金属结构件热像上热斑迹与已经获得的该类金属结构件标准热像上热斑迹的比对和分析，确定待测金属结构件疲劳损伤的程度。
本发明金属结构件疲劳损伤的检测方法中，所述的在变化的应力条件下，可以是在工况条件下，即可以在金属结构件的工况条件下，对金属结构件进行在线检测。
本发明金属结构件疲劳损伤的检测方法中，所述热斑迹的比对包括热斑迹的分布状况和发射率的比对。所述的对热斑迹的分析可以通过定制的软件采用计算机进行。
本发明的发明人通过对大量的金属结构件在应力条件下的热像监测发现，其应力集中区经过一定疲劳周期后，产生不可逆的温度增升(大于1℃)，定义为热斑迹，并且发现该部位已经产生了疲劳损伤，最终金属结构件疲劳失效的位置，也正是在由疲劳损伤所产生的热斑迹的位置。本发明正是基于上述发现而产生的，是一种可以在线、实时、有效的对金属结构件进行无损检测的方法。
本发明的优点在于在金属结构件发生疲劳断裂之前，在非破坏情况下就可以检测到金属结构件疲劳损伤的位置和疲劳损伤的程度，特另是可以实现金属结构件的在线检测和早期预报。从而可以通过采取有效措施防止结构件失效的发生，以避免不必要的损失。


图1为不锈钢试棒疲劳损伤A阶段热斑迹图，裂纹长度0mm；图2为不锈钢试棒疲劳损伤B阶段热斑迹图，裂纹长度0mm；图3为不锈钢试棒疲劳损伤C阶段热斑迹图，裂纹长度0.01mm；图4为不锈钢试棒疲劳损伤D阶段热斑迹图，裂纹长度0.02mm；图5为不锈钢试棒疲劳损伤E阶段热斑迹图，裂纹长度0.18mm；图6为不锈钢试棒疲劳损伤F阶段热斑迹图，裂纹长度2.4mm；图7为不锈钢疲劳损伤的红外发射信号强度、疲劳次数和裂纹长度的关系图；图8为12L钢瓶疲劳打压过程中的热图；图9为12L钢瓶泄露处解剖后的断口照片。
具体实施例方式实施例用标准疲劳试棒在旋转弯曲疲劳实验机上进行全寿命的疲劳试验，在不同的试验阶段拍摄红外热图，并停机观察裂纹的尺寸。其红外热图结果示于图1～6，并据此获得了红外发射信号强度、疲劳次数和裂纹长度的关系图见图7，图中红外发射信号的强度根据热图中的颜色划分出了三个不同的等级，其中绿色表正常使用，黄色表示可以降低应力使用，红色表示停止使用。
由图7可见，金属疲劳断裂的红外发射基本包括三个阶段，表现为疲劳红外发射增升的第一阶段，这是由于材料在疲劳载荷中的应力——应变滞后效应造成范性区内比其它区域有更多的热量，第二阶段是红外发射平稳的增长时期，它占据疲劳寿命的80％以上，从C到F，开始产生微裂纹(0.01mm)并逐渐扩展。当周向疲劳裂纹超过1.74mm后，疲劳红外发射明显地增加，热图上显示的裂纹处温度显著增高并集中。此时表明其疲劳循环寿命开始进入第三阶段，当主疲劳裂纹之间进一步扩展并连接后，疲劳红外发射增加很快，如图7中曲线G、H，试样很快断裂。从图7曲线还可以看出，每次停机再加载荷后，疲劳损伤产生的红外发射能量经过很短的循环周期后，又达到了上一个周期的红外发射能量水平，随后只要疲劳载荷存在，红外发射能量也在不断地缓慢增长，因此其疲劳损伤的热斑迹自始至终存在于疲劳循环过程中。
对12L压力容器钢瓶进行打压试验，钢瓶壁厚为5mm，在载荷31.5MPa下疲劳打压直至泄露，热图见图8，泄露处断口照片见图9。在瓶体的中部出现了热斑迹，说明存在有疲劳损伤的应力集中区，随着循环次数的增加，热斑迹的颜色发生变化，与图7中获得的色标完全对应。，
权利要求
1.一种金属结构件疲劳损伤的检测方法，包括在待检测的金属结构件上涂覆红外涂料，并使其处于热屏蔽背景中，其特征在于(1)在变化的应力条件下，对待测金属结构件进行热成像，一旦待测金属结构件发生疲劳损伤，与疲劳损伤位置相对应的热像上一定会出现热斑迹；(2)通过对待测金属结构件热像上热斑迹与已经获得的该类金属结构件标准热像上热斑迹的比对和分析，确定待测金属结构件疲劳损伤的程度。
2.按照权利要求1所述的金属结构件疲劳损伤的检测方法，其特征在于所述的在变化的应力条件下，指在工况条件下。
3.按照权利要求1或2所述的金属结构件疲劳损伤的检测方法，其特征在于所述热斑迹的比对包括热斑迹的分布状况和发射率的比对。
4.按照权利要求3所述的金属结构件疲劳损伤的检测方法，其特征在于所述的对热斑迹的分析采用计算机进行。
全文摘要
本发明提供一种金属结构件疲劳损伤的检测方法，包括在待检测的金属结构件上涂覆红外涂料，并使其处于热屏蔽背景中，其特征在于(1)在变化的应力条件下，对待测金属结构件进行热成像，一旦待测金属结构件发生疲劳损伤，与疲劳损伤位置相对应的热像上一定会出现热斑迹；(2)通过对待测金属结构件热像上热斑迹与已经获得的该类金属结构件标准热像上热斑迹的比对和分析，确定待测金属结构件疲劳损伤的程度。本发明的优点在于在金属结构件发生疲劳断裂之前，在非破坏情况下就可以检测到金属结构件疲劳损伤的位置和疲劳损伤的程度，特别是可以实现金属结构件的在线检测。从而可以通过采取有效措施防止结构件失效的发生，以避免不必要的损失。
文档编号G01N3/00GK1598557SQ03134030
公开日2005年3月23日 申请日期2003年9月19日 优先权日2003年9月19日
发明者黄毅, 黄延阳, 黄滨阳 申请人:中国科学院金属研究所, 黄毅