基于CCD图像的疲劳裂纹生长研究

【摘 要】疲劳损伤是导致机械件失效的主要原因之一。在高温、高压、交变载荷、负载环境中零件的使用寿命远低于其设计寿命。其失效形式主要为疲劳损伤。其过程为疲劳裂纹的萌生，拓展，致使其断裂失效。利用好的监测手段将损伤发现在裂纹的萌生、拓展阶段，并预测其失效时间意义重大。本文将常用的裂纹检测技术进行介绍和比较，并重点介绍CCD图像法在疲劳裂纹检测中的应用和优缺点及其前景。

【关键词】疲劳损伤 裂纹生长 裂纹检测 CCD图像法

【Abstract】 Fatigue is one of the main reasons leading to mechanical parts failure.The life of parts far below than its designed life within the terrible environment，where there are high temperature， alternating load，high pressure.Its failure mainly attributes to fatigue damage.First，fatigue cracks generate.then expand，break.It is significant to make use of the means of monitoring the damage found in the crack initiation， expansion stage， and predicts the failure time.This article introduces and compares crack detection Technique.Focus on CCD Image method in the detection of fatigue crack and the advantages and disadvantages and its prospects.

【Keywords】 Fatigue damage； Cracks growth； Crack detection； Method of CCD image

1 疲诹盐频纳长规律

机械零件的破坏形式多样，最主要的形式是疲劳失效，其主要表现为的裂纹生长导致零件断裂，详细可以分为：疲劳成核，然后微观裂纹生长，引起宏观裂纹扩展，最后发生断裂[1]。其中裂纹的萌生和扩展是两个关键过程。裂纹萌生阶段和扩展阶段很难进行详细的划分，该过程的区分根据检测仪器的精度不同而不同。疲劳裂纹的扩展分为第Ⅰ阶段和第Ⅱ阶段。在第Ⅰ阶段，萌生很多条微观裂纹，这些微观裂纹在继续施加循环交变载荷的过程中，扩展并互相连结，但绝大多数停止扩展，在这个阶段，裂纹的扩展速率很缓慢。在第Ⅱ阶段，只剩下一条主裂纹，扩展速率迅速变大。最后断裂是疲劳破坏的最终阶段，它和前两个阶段不同.是在―瞬间突然发生的，但从疲劳的全过程来说，则仍是渐进式的，是裂纹扩展到临界尺寸，裂纹尖的应力强度因子达到临界值的结果[2]。由此可见在疲劳裂纹的萌生阶段，裂纹规律明显利于检测和对疲劳阶段的定位，有效的避免零件进入第Ⅱ阶段突然失效造成损失。

2 现有疲劳裂纹检测方法

现有裂纹检测方法有直读法、柔度法、电位法、探伤法、光学法[3-10]。

其中光学法：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[12]。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。

上述方法均为生产中常用的缺陷检测，为使各方法的优缺点更加直观，可见表1。

3 实验

实验设备如图（3-1）。

设备参数如下：

疲劳样机：加载频率0.8HZ；投影仪型号BENQ jobee GP2 series；分辨率：DMD1280*800；

亮度：200流明；投射比：1.13；聚焦范围：0.75m-5m；宽高比：16：10；远心镜头：2倍；

焦距330mm；CCD相机：最高频率250HZ；分辨率2050*2050；计算机型号：THINKPAD-TP0007A；

试件材料为304不锈钢，详细尺寸如图（3-2）。

将试件装夹好，调整好光路和相机，完成对相机的标定，开始实验并记录数据。重复该实验，以五件试件为一组。最后处理数据得到结论。

4 数据结果

这里以其中一组实验数据为例如图（4-1）（4-2）。

5 结语

本文对生产中常用的裂纹检测技术进行了较详细的对比，每种技术各有优缺点。其中随着数字图像技术的发展而产生的光学法，虽然历史不长但是其应用条件和测量精度都非常优秀，本实验室中得到的疲劳裂纹生长规律与金属的疲劳寿命规律吻合良好，由于采样间隔不同在循环一定次数后，裂纹长度发生突变可作为识别的条件。该光学测量法系统的精度最高可达到10um/pixel。利用合理算法，精度可以达到0.1像素，系统最终精度可到1um。并且随着技术的发展，结构光，散斑等技术的应用，光学法不仅可以测量平面缺陷而且可以测量三维缺陷，并重建形貌。

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