低周疲勞試樣裂紋在線檢測法

鄭建軍，張 昭，王 倩，白 瑋

（中國飛機強度研究所 全尺寸飛機結構靜力／疲勞航空科技重點實驗室，西安 710065）

在工程實踐中，常常需要盡早發現結構件初始裂紋的產生并記錄裂紋擴展過程，根據被檢構件材料及結構形式的差異，目前已發展出了多種無損檢測方法［1－2］。不同的無損檢測方法由于其檢測原理和特性的不同而有各自的優缺點，但對于高強度合金材料低周疲勞試樣的在線無損檢測，因其裂紋擴展壽命短、裂紋擴展速率快等特點，常規無損檢測方法的可靠度和準確度都無法達到滿意的效果。

筆者采用了長焦顯微鏡觀測法、銀涂層判別法、聲發射（AE）檢測法［3］和應變片檢測法［4－5］四種方法，通過對比該四種方法在同一試樣中的應用及效果，明確了各方法的優缺點及適用范圍。

1 試樣材料與檢測方法

試樣材料為TC18鈦合金，表面采用剛玉砂吹砂處理，表面粗糙度Ra為3.2。試件形狀及尺寸如圖1所示，長300mm，寬40mm，厚2mm，中心位置直徑6mm 的圓孔。采用500kN Instron8801液壓伺服疲勞試驗機進行試驗。

疲勞試驗最大載荷分別為621 MPa常幅疲勞、807 MPa常幅疲勞及100循環621 MPa載荷，間隔2循環807 MPa載荷，試驗應力比R為0.06，加載頻率為3Hz。

圖1 鈦合金試件形狀及尺寸

長焦顯微鏡觀測法在試驗時，每間隔500循環觀察一次，記錄是否有裂紋產生及裂紋的尺寸；銀涂層判別法為根據涂好的銀粉線接電極后采用專用檢測設備進行在線檢測；AE 檢測法在試樣兩端沿長度方向中心線距孔中心150mm 對稱位置分別接探頭，試驗時連接檢測儀器進行在線檢測；應變片檢測法先在試樣孔邊沿試樣長度方向粘貼應變片，試驗時實時測量應變值，通過對比應變值的變化進行檢測。銀粉線、AE 探頭及應變片在試樣上的分布位置如圖2所示。

圖2 不同檢測方法實施位置

2 四種方法檢測結果與比較

2.1 檢測結果

2.1.1 長焦顯微鏡觀測法

長焦顯微鏡觀測法是目視檢測的一種，其借助于長度尺寸經過標定的具有固定視場的顯微鏡貼于試樣表面進行觀察，當試樣產生裂紋時，隨著加載裂紋尖端會產生開閉動作，通過長焦顯微鏡的觀察即可發現有裂紋產生并記錄裂紋尺寸。

2.1.2 銀涂層判別法

銀涂層判別法是利用韌度很低的銀粉涂于試樣表面形成多條銀粉線，在銀粉線的兩級分別接電極，并實時檢測電極的通斷。試驗初始，銀粉線的兩級應一直保持接通狀態，試驗中當試樣產生裂紋并擴展至銀粉線處時，韌度較低的銀粉線將隨裂紋的產生一同斷裂，檢測電極的通斷即可實時檢測銀粉線斷裂的時間和對應的循環數。如果事先對可能的起裂點至各條銀粉線外邊沿的尺寸進行測量，則銀涂層還可記錄裂紋尺寸與循環數的對應關系。一般情況下，試驗件的材料都為導電的金屬材料，因此還需要在試樣與銀粉線之間涂抹一層絕緣且低韌度的材料。

2.1.3 AE檢測法

AE是當物體或材料內部迅速釋放能量而產生瞬態彈性波的一種物理現象，而AE 信號則表示一個或多個AE事件經傳感器接收并經系統處理后以某種形式出現的電信號。通過檢測設備及檢測系統可以收集和鑒別收集到的電信號，從而能夠從中獲取需要的有價值的信息，為結構件或材料的缺陷判別提供支持。AE檢測結果如圖3所示。

圖3 AE檢測法檢測結果

2.1.4 應變片檢測法

應變片檢測法是在試樣易產生裂紋部位表面粘貼應變片，試驗時實時對比應變片的應變值與載荷循環的規律，可以檢測出試樣應變片粘貼位置附近材料缺陷的產生時間，當應變值出現急劇變動時可認為試樣的裂紋已擴展至應變片附近，通過測量起裂點至應變片最近應變絲的距離可實現循環數與裂紋長度的對應。應變片檢測信號如圖4所示。

圖4 應變片法檢測信號

四種方法初始裂紋尺寸檢測結果如表1所示。

2.2 檢測效果比較

2.2.1 初始裂紋檢測效果

長焦顯微鏡觀測法是通過人眼對試樣危險部位表面進行觀察，而實際操作中不可能做到不間斷觀察，因此很難準確捕捉到初始裂紋產生的時間。而且由于試樣為低周疲勞試驗件，試樣的總壽命和裂紋擴展壽命都很低，往往當發現裂紋時裂紋尺寸已經較長了?；诖?，后續試樣并未采用長焦顯微鏡觀測法進行檢測。

銀涂層判別法原理較簡單，通過測量銀粉線電極的通斷實現裂紋尺寸的檢測，試驗中銀涂層測得了多組裂紋長度值。但銀涂層的使用也有其局限性，只能發現由銀粉線的粗細和密度確定的缺陷尺寸。在實施過程中，銀涂層的工藝較為復雜，首先需要在試樣表面涂絕緣漆，然后制作銀粉線，最后還要進行焊線、接線、檢測等工作；因此，銀涂層檢測法的工作量遠遠大于其他方法。

表1 部分試樣裂紋在線檢測結果

AE檢測法理論上可以準確發現裂紋的產生和擴展過程，但在實際操作中，由于外界試驗機、油源、機械摩擦等噪聲源太多且幅值較高，在常幅疲勞載荷下AE檢測法未能實現裂紋產生的有效甄別，在間隔超載試樣的試驗超載循環時可以檢測到AE信號。

應變片檢測法的原理與銀涂層判別法相似，都是通過檢測試樣表面附加設備的通斷來判斷開裂情況，在工程應用中應變片用量較多，應變測量設備使用也較多。因此相較于銀涂層法，應變片檢測法更便于操作和實現，但試驗中在高應變循環載荷下會出現應變片粘貼不牢固的情況。表1中未檢測到初始裂紋的情況均為經過數次循環后應變片松脫從而無法提供有效數據。

2.2.2 裂紋長度記錄效果

長焦顯微鏡觀測法通過目視讀數進行記錄，由于目視讀數需要一定時間，在低周疲勞中，裂紋擴展速率較快，一次讀數的裂紋擴展長度可能達到0.2mm，因此該方法的誤差也較大。銀涂層判別法僅需要記錄銀粉線斷裂時的循環數即可實現裂紋長度與循環數的對應，使用時操作較為簡單。其缺點為由于工藝及尺寸的限制，可讀取裂紋長度的銀粉線數量有限，試驗中僅能讀取固定尺寸的裂紋長度；且在本次試驗中，由于材料應變較高，部分銀粉線在循環高應變下提前斷開，影響了檢測結果。AE 檢測法主要用于發現缺陷產生和裂紋擴展過程，無法進行裂紋尺寸的測量。應變片檢測法由于裂尖塑性區的影響并不能準確判斷裂紋尺寸與循環數的對應關系，而且應變片寬度較寬，實施中也不方便并排粘貼多個應變片。

2.2.3 不同方法的優缺點及適用場合

將四種檢測方法在初始裂紋產生和裂紋尺寸記錄方面的優缺點分別進行分析，并對不同檢測方法的適用場合進行歸納，如表2所示。

表2 不同檢測方法優缺點及適用場合

通過表2分析可知，對于TC18鈦合金低周疲勞初始裂紋監測及裂紋長度測量，四種方法各有優劣，但僅采用一種方法均難以有效得到滿意的檢測結果。根據上述分析，對于此類試樣推薦采用應變片檢測法檢測初始裂紋的產生，如裂紋長度要求精度不高可采用長焦顯微鏡觀測法測量裂紋長度，測量精度要求較高則可采用銀涂層法進行監測，此類試驗不推薦使用聲發射法進行檢測。

3 結語

（1）采用了四種檢測方法在TC18鈦合金低周疲勞試驗中監測初始裂紋產生，測量裂紋尺寸，得到了不同檢測方法的檢測能力及檢測效果。

（2）通過分析不同檢測方法在試驗中的檢測結果，給出了檢測方法組合建議：應變片檢測法檢測初始裂紋的產生，如裂紋長度要求精度不高可采用長焦顯微鏡觀測法測量裂紋長度，測量精度要求較高則可采用銀涂層法進行監測。

［1］仲維暢.中國無損檢測簡史［J］.無損檢測，2012，34（1）：52－56.

［2］耿榮生，景鵬.綠色無損檢測——NDT 技術的未來發展之路［J］.無損檢測，2011，33（9）：1－6.

［3］申雅峰，胡春燕，張磊.聲發射技術在疲勞裂紋監測中的應用［J］.無損檢測，2012，34（8）：34－38.

［4］樊鴻，張盛，王啟智.應變片法確定混凝土動態起裂時間的研究［J］.振動與沖擊，2010，32（1）：153－156.

［5］蔣洪偉.基于電阻應變片的結構健康監測實例［J］.黑龍江水利科技，2012，34（8）：49－51.