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1、力学断裂理论和应用红外热象技术评估钢的累积损伤摘要：第一个破坏实验由Palmgren and Miner提出以来，从材料的载荷史来预测材料的剩余使用寿命成为了许多的研究人员的研究焦点。每个零件的破坏载荷，特别是超过疲劳极限后，都会使温度升高。温度越高，用的载荷就越大。所以，对于一个没有破坏的材料和机械零件来说，通过TMC图，在实验的开始阶段，在材料表面的最热点找到超过材料的疲劳极限后的载荷和温度之间的关系。通过运用钢样本的热象分析数据，能量影响（等量轴向载荷下，温度的增量）可以用来评估之前载荷下的累积破坏程度。做这个实验用的是在文献中发表过的C40钢的传统疲劳曲线。引言:机械零件的疲劳破坏的出
2、现是因为没有预测零件的剩余寿命和及时的调停维修或替换。通过了解零件的剩余使用寿命可以提高系统的可靠性和预测零件的重复可利用性。NDT实验，包括连续管理系统和所有的结构零件，在科学和社会方面提供了重要的好处。他们提高了零件的可评估性，如果可能，允许替换。热象仪当做远程传感装置来使用，红外传感器检测最开始的裂纹或者确定材料或者零件的疲劳极限而不破坏零件本身，因此适合全领域的管理方法。大多数的破坏实验确定破坏载荷是通过经验或者是实验相关数据，而这些参数受制于没有考虑实际历史能量的影响。第一个破坏实验被【1,2】提出以来，很多关于力学断裂和疲劳破坏的能量分析的实验出现了【3】。在这些实验的基础上，不同
3、的预测疲劳极限和使用寿命的方法建立在【5-10】。最近几年，许多文献表明了试样表面的温度增长率和破坏载荷之间的关系。特别的，实验【11】考虑了能量在固体物体中的消失，通过半导体温差电堆测试出温度的变化。温差电偶【12】在疲劳实验中用来读出温度。辐射温度计【13】用电极模型方法来确定能量转化为热。同样的原理，作者们提出一个物理模型来证明引起断裂的能量的多少通常与载荷状态无关。他们同时还指出，疲劳极限的值与温度增长是巧合。在1984年，热成象分析法用来测试疲劳试验中表面的温度。他们观察到，当施加在疲劳极限之上的巨大载荷时，可以使试样局部破坏。在文献【14,15】的基础上，【16,17】是确定疲劳极
4、限的新方法。实验【18】提出一个使用少量试样的方法来确定疲劳极限。试样被施加不同的载荷，载荷从最小得到最大的都有。分析数据的方法和实验【16】的相同。热象分析法【19-22】用来测试表面温度。这个方法运用两条曲线，一条是压力低于疲劳极限，一条是压力在疲劳极限之上。压力的大小相当于两条曲线的交点。用类似【16】的方法【23】，在机械零件上做实验。方法【24】是改进之后提出的一种重复实验的方法。样本破坏的假设：当消失的能量达到El时，疲劳应力出现。这在【25】中提到，【11】中确认，在【13,27】中使用。从这个假设出发，提出了一个新方法【26,27】来确定材料的疲劳曲线。在相同的条件，通过实验数
5、据进行控制，这是真实的疲劳断裂的情况，能量参数的值和E1一样，在不同最大压力值情况下保持不变（如图3）。在高循环疲劳实验中，表面的最高温度。这允许将稳定温度T2i（图2）和循环破坏次数联系起来。在【28】中提出的是加快Wehler曲线生成的步骤方法。为了给样本施加载荷，他们使用了和【27】相似的步骤。同时他们用样本的电阻来测试样本的表面温度。通过Basquin方程式，他们计算出了疲劳曲线的载荷幅值和随即载荷。以上引用的全部方法都是基于疲劳试验的事实，从热力学来说，在弹性阶段热量的散失与在疲劳时热量的散失相比是微不足道的。Ristan和他的同伴在试验【29,30】提出了一个通过热象仪的方法来确定
6、疲劳极限。在【25】的假设之下，数学模型【31】和实验研究【32,33】用来确定在疲劳实验中能量的扩展。【34,35】是研究在疲劳实验中应力幅之间的关系。理论模型【36】用来确定在疲劳实验中热量的损失。热力学的内部变量模型【37】是用来分析金属中的塑性变形。疲劳裂纹扩展【38】和塑性变形散失的总能量有关。测热分析【39】用来确定热弹性阶段热量的损失。【40】通过热机械模型研究裂纹的扩展。通过红外分析，他们观察到，裂纹扩展阶段由样本的使用期的一小部分组成。Selek et al【41】研究裂纹的开始扩展。【42】研究的是在焊接接头的能量密度。运用红外热像仪，疲劳裂纹的开始和扩展在【43】研究了，
7、【44】中提出和研究了局部应变的消失。相同的问题，红外成像技术在【45】中运用了。在这种复杂的情况下，本文件的目的是制定一个适当的程序在不知道太多的历史负荷的热成像分析材料或结构组件损坏的评价方法。之前说过，在高周疲劳试验的过程中，磁滞弹性能量的变化相对于塑性能量的变化时很小的。所以，样本表面温度的升高可以解释为是材料内部热弹性能量的散失。在这个实验中，作者们提出了一个步骤来评估之前载荷的破坏，并且预测剩余使用寿命。为了达到这个目标，在第一阶段，他们用Risitano方法得到每个标本的钢的疲劳行为的特点。在第二阶段中，他们根据相等材料受到损害前定义的疲劳曲线，以此来评估剩余寿命。最后根据受损的
8、试样，迈因纳理论得到证明是真的。2，研究现状第一套破坏理论，随后翻译成数学模型【2】。这个方法是基于不同载荷产生不同破坏程度的假设。据说，每个负载消耗的能量是一个定值。但是，鉴于每种材料是一种能量的特征值，可以在出现故障前消散，每个周期消耗材料的一部分【11,13,26】。目前，关于Palmgren的理论Miner表述为：D=ri=ni/Ni当ni是当前循环数时，Ni第i个破坏载荷。损害的措施仅仅是周期的比例，与基本假设每个负载周期中所消耗的能量是恒定的，每种材料，特征量的能源消耗将达到失败。消耗的能量积累，因此，导致一个周期比率或损坏的线性总和。当ri=1时，失效发生。压力与周期率曲线简直是
9、一条直线，平行于原始曲线和负荷水平的独立。主要缺点是，它是独立于负荷水平和排列，不考虑负载的联系。之前说过，从【26】提出的假说开始，观察的方法开始，有关压力DRI和增加表面温度DT2i加载标本（或机械部件）（DT2i更高，更大的Dri方面的疲劳极限DR0 - 图2）每个负载频率f和应力比R. DT2i是第二阶段的稳定温度（图1）和固定的R和F，这是一个几乎整个测试时间不变。DT2i取决于最大负荷应力（图2）（不同价值的直接还原铁）在不同的DT2i价值。人们还注意到，在给定的点加载疲劳极限以上的试样表面的温度上升，显示了在第一阶段的持续增长。经过一个周期生理盐水随后要求到达故障NF的数量相比非
10、常低的数字，它达到了稳定的的价值DT2i高原。相反，如果施加的压力是疲劳极限以下，外表面的温度升高到几乎为零。在制订数据阶段，继Risitano方法，最热的点观察和记录，其温度的周期数是在图的绘制。这是点（或小的周边地区），最终骨折。得到的温度变化，在这一点上的轮胎测试时间（DT= T T0），减去初始温度T0（相当于当地温度Ta）标本。图1定性趋势显示的温度（DT= T T0减去初始温度为T0 =钽标本中获得），与以上的疲劳极限的应力循环次数，为增量。图2显示的温度下的增量与循环次数等于应力比R和加载频率f的定性趋势，但不同的以上FATI GUE限制最大应力;较高的DRI，较高的温度稳定的价
11、值试样表面上增加DT2i。后果，疲劳极限温度的增加DT2i或初始热梯度的DN/ DN（图8）绘制载荷曲线找到交叉点之间的曲线DT2i或DN/ DN和疲劳值，可确定X-轴18。的DN/ DN具有相同的趋势作为DT2i（较高的DRI，更高的DN/ DN（图2）。Risitano方法27定义的疲劳曲线（沃勒曲线）使用热成像测量试样表面的温度和评估作为一个整体功能的DT-N曲线的参数U。参数U，是可能的书面全球能量平衡方程验证，是成正比的不可逆的能量转换成热能的形式不同，因此R0Nf DT dN是成正比的能量Q在测试作为热量释放继第一微创。Q是疲劳断裂EL（根据1,11,13），对每一种材料的不断所需
12、的能量成正比，因此，U是一个常数。它是由许多实验数据27，相同的测试条件（R，F）。了解参数U，表示之前到Q成正比，因此到El成正比，可确定每个负载（链接到DT）领导要失败的周期数。图3在NF是失败的周期数显示在定性的方式，作为一个标本的失败，可以用不同的历史负荷达到，但参数UR0Nf DT DN是恒定的。可以达到试样的加载应力超过疲劳极限，整个测试时间（DR1和DR2图3）不断的失败; 另一种方式，可以达到故障加载步骤加载（加强负荷曲线图。3）试样。因此，兴建沃勒曲线，它是必要的，有表面温度信息，或通过加载不同的标本，在不同的应力超过疲劳极限，或更快的方法，通过应用加载到同一标本。这第二个步
13、骤是可能的，因为是无关紧要的非常低的循环次数达到对抗的稳定温度DT2i整个周期数NF在该载荷步，尤其是低应力，试样的破坏。这样，Risitano的方法是一个非常快的方法不一定理论上只有一个标本，以必要的信息，兴建沃勒曲线。在实际应用的方法是使用不小于3标本，装入一个相同的方式，以尽量减少错误分散，疲劳试验的特点。如果使用阶梯负荷达到故障，每个应用的Dri一步，它是可以测量和记录最热的点对应的温度DT2i和他的积分，因此每个NFI =负荷水平的NF值/ DT2i。为简洁起见，读者可以参考18,27的方法中详细描述和实验验证。3。试验准备在这项研究中使用Risitano方法，它是一个过程定义为新的
14、损坏钢，因此，剩余寿命疲劳曲线的步骤是基于以下几点意见：1。率负载R和加载频率f，如果在相同的应力序列的Dri被应用到两个不同的标本相同的条件下，一个完好无损，第二损坏，他们表现出的疲劳试验过程中不同温度增加;2。加载下的疲劳极限DR0，一个完好的标本，它不会显示在表面温度上升（DT2i= 0）。反过来说，如果一个标本，在DR0疲劳极限（等于R，F）中加载显示更大的温度增量比完好的标本（DT2i 0），它被损坏，它会失败。因此，如果以前一个未知的负载历史的一个标本（机械部件），相同的温度的增量DT2i是一个完好的一个，然后将标本是完好的。反过来说，如果第二个标本，平等的条件下测试（R，F）和压
15、力序列的Dri，显示更大的温度增量比完好的标本（DT2D），它被损坏。如之前所说的，它是可能的，以验证是否材料或使用后（机械部件）之间比较疲劳极限之前开始使用后，工作期间被损坏或完好。可以以快捷的方式建立的损害的对抗之间的的完好材料疲劳曲线率和在疲劳曲线获得申请矿工的法律，损坏的标本（机械部件）容易热熔方法，建立新的疲劳极限为这个损坏的标本18,20,23,24。4。实验过程疲劳试验进行了研究上的一个标本和损坏表面的温度升高之间的关系。 C40的钢通常用于机械的应用（化学成分见表1）标本已经完成。材料性能，通过使用标准的静态力学性能测试程序的作者获得，报告表2。在目前的工作，标本（光滑，无缺口
16、）形图所示。 4，控制疲劳载荷试验进行了用称重传感器的100千牛液压伺服英斯特朗8500试验机。在装载过程中，Agema Thermovision900红外线疗法层析系统与Thermovision900 SW/ TE，扫描仪是用来测量。为了增加其发射和避免反射，标本喷上一层薄薄的黑色烤漆（假设发射率E =0.9）。在受控制的正弦负载进行疲劳试验，在两个频率（10赫兹和20赫兹），负载比R =（平均应力为零Drav= SAV /一个）。在每个负载频率3个试样进行了测试。在测试过程中应用的应力振幅博士报告表3。在同一个表，相应的应变和应变能量密度（SED）的平均值。这些值被认为是不变的，在每个周期相同的步骤负荷。完整的测试过程分为两个阶段：1。在第一阶段，材料的热机械特性（TMC）地图，标本进行增加，直到失败的振幅负荷（加紧负载小号），如表3所示。图5显示了为每个10,00
