热像法的原理与应用

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1、 疲劳与无损检测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。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、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于快速获取金属疲劳性能( (疲劳极限和疲劳极限和S-N)S-N)方面，更是引方面，更是引起了学术界及工

2、业界的强烈兴趣起了学术界及工业界的强烈兴趣疲劳是一个能量耗散的过程。这里所说的能量包括了储能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，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的热耗散间接获得。材料的热耗散间接获得。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

3、或结构本身的疲劳特性进行快速的评估。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。简言之，疲劳热像法即将热像法应用于疲劳研究中。 金属材料在交变载荷的作用下，由于热弹性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，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。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声发射其他能耗机械能耗机械能耗能量耗散过程能量耗散过程疲劳损伤的疲劳

4、损伤的快速获取疲劳参数快速获取疲劳参数 断裂力学应用断裂力学应用 损伤评估与健康监测损伤评估与健康监测 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。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、不可代替

5、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。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，从而引起了学者与工程师们的极大兴趣。起了学者与工程师们的极大兴趣。1830 固体材料的热弹性效应 Kelvin1963 固体材料的热塑性效应 Dillon&Kratochvil1

6、968 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 Brmond1994 至今至今 锁相热像法的深入研究 Chrysochoos, et al 2000 至今至今 热像法在金属疲劳中的研究 Liaw, Crupi, et alTTCp 热弹性效应：弹性拉伸载荷将引起材料温度的降低，而热弹性效应：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

7、应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。起人们的注意。TTCp mKCpKm热弹性系数热弹性系数这里，这里，是线膨胀系数，是线膨胀系数，是是材料密度，材料密度，Cp是是等等压压比热。比热。mK热塑性效应指出：塑性应变能是材料在疲劳破坏中机械热塑性效应指出：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。而引起材料表明温度的升高，并维持着温度场的平衡。

8、pcw2vctmcC TKTrww20世纪世纪60年代，疲劳能量方法主要集中在热塑性效应的研究。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损伤模型被提出许多基于应变能耗的疲劳损伤模型被提出,这些模型的共同特点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。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而一些

9、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。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试从非平衡热力学的角度重新认识疲劳问题 。意大利学者意大利学者Risitano等人最早提出了快速测定金属材料疲劳极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。表面平均温度升高的最小应力值。u在各级应力水平下加载在各级

10、应力水平下加载u记录平衡阶段的温升值记录平衡阶段的温升值u将数据插入到应力将数据插入到应力温升图温升图u观察到图中明显的拐点现象观察到图中明显的拐点现象u通过一线拟合法确定疲劳极限通过一线拟合法确定疲劳极限试验步骤试验步骤疲劳极限疲劳极限法国学者法国学者Luong对疲劳耗散过程的热源展开了分析：对疲劳耗散过程的热源展开了分析：上式中，热源被分为外外热源热源、热传导热传导、热弹性源热弹性源及固有耗散源固有耗散源。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

11、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。切联系，可将固有耗散率作为最准确的疲劳指标。420(:):eIvC TrKTD E TS ELuong法对Risitano法的改进：a)a)利用能量方程进行了较深入的理论分析。利用能量方程进行了较深入的理论分析。b)b)仅考虑耗散效应，排除了可逆的热弹性效应。仅考虑耗散效应，排除了可逆的热弹性效应。c) c)采用二线拟合法确定疲劳极限。采用二线拟合法确定疲劳极限。00.050.10.150.20