基于热像法的金属疲劳性能分析

论文摘要

工业的发展和进步促使大量新兴材料的产生,而对新材料进行快速利用,认识其疲劳性能是亟待解决的问题。传统的疲劳性能实验方法由于耗时、费力、实验成本较高等原因已不能满足发展的需要。而红外热像法以材料在实验过程中的固有耗散能为指标,利用红外相机测量材料释放出的能量来确定材料的疲劳性能。该方法以其无损、实时、非接触,并且通常仅需2～3根试样就可确定材料的疲劳性能的优点,开始进入研究人员的视野,并得到了进一步的研究。本文正是以红外热像法为手段,以CEDIP公司开发的锁相红外热像采集系统ALTAIR-LI和数据后处理系统ALTAIR为实验工具,通过测量材料内部由于固有耗散能的变化而引起的试件表面温度场分布的差别来确定材料的疲劳裂纹源和其他疲劳性能参数。首先对低碳钢Q235进行了疲劳极限的测定,并测量了预疲劳过程中试样表面温度的变化。然后对含盲孔的Q235平板试样分别进行了力加载模式下的疲劳性能分析和光激励模式下的无损检测分析,指出力加载模式更易于模拟现役设备的实时损伤情况而光激励得到的缺陷效果更好,同时光激励模式对被检设备没有损害。由此完善了红外热像法在测量低碳钢疲劳性能参数方面的试验数据,为红外热像法对其他低碳钢材料和合金钢材料疲劳性能的测定提供了参考。本文还利用红外热像方法对结构件进行了应力测试实验。利用设备的应力测试功能（E-MODE）对十字焊接接头构件在焊趾处的应力集中系数进行测定。并将测得的结果与通过理论计算和有限元软件（ANSYS）模拟得到的应力集中系数进行对比,指出热像法得到的结果是可信的。同时根据热像法在实验中还具有真实反映构件的载荷模式和几何形状的优势,并且热像法是一种方便、快捷、准确的方法,因此在某种程度上势必会得到更多的推广和应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 疲劳概述
• 1.1.1 疲劳断裂破坏的严重性
• 1.1.2 疲劳研究概况
• 1.1.3 疲劳的分类
• 1.1.4 疲劳极限测量方法
• 1.1.5 疲劳寿命预测方法
• 1.2 课题选题背景及研究意义
• 1.3 热像法的国内外研究现状
• 1.3.1 国内研究现状
• 1.3.2 国外研究现状
• 1.4 本文主要内容及意义
• 2 疲劳热像法的基本理论
• 2.1 红外成像技术的相关理论
• 2.1.1 红外辐射的发现及辐射定律
• 2.1.2 红外测温技术的特点
• 2.2 热力学基本理论
• 2.2.1 热力学基本定律
• 2.2.2 不可逆热力学基础
• 2.3 热弹性理论和能量耗散方程
• 2.3.1 热弹性理论
• 2.3.2 能量耗散方程
• 2.4 小结
• 3 基于热像法的Q235钢疲劳性能分析
• 3.1 国内研究成果
• 3.2 本章主要内容
• 3.3 本章小结
• 4 热像法确定十字焊接接头的应力集中系数
• 4.1 焊接材料的介绍
• 4.1.1 热处理工艺的影响
• 4.2 确定焊接接头的应力集中系数
• 4.2.1 热像法测定焊接接头应力集中系数
• 4.2.2 理论计算焊接接头应力集中系数
• 4.2.3 有限元法计算焊接接头应力集中系数
• 4.3 结果分析
• 结论
• 参考文献
• 附录A 预疲劳温度数据
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢