（固体力学专业论文）基于红外成像技术快速测定金属材料和电阻焊点结构的疲劳极限.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 疲劳分析对于确定各种交通工具的耐久性十分重要。疲劳试验设计是评估过程的 关键，是疲劳分析的重要组成部分。这就要求在确定疲劳极限时要有假高的准确性，于 此同时还要考虑到实用性和经济性。传统的疲劳实验方法是采用光滑试样，在单轴、 恒幅的应力条件下确定疲劳寿命。这种方法绘制出的王兹尔( w o l h e r ) 曲线最少需要 1 8 根试样，周期长达3 0 天，即使以步进试验法也需要将其中一部分试样运行到千万 次以上的循环次数，试验周期长，消耗大。 疲劳损伤的原因是塑性变形，塑性变形会使金属显微结构发生重大且不可逆的变 化，其中包括点缺陷浓度和位错结构变化，引起表面微观形貌的变化。从不可逆热力 学过程来看，这些微结构的变化使得疲劳过程中有大量的热量产生。在微观上热量是 由内摩擦引起的。在宏观上，裂纹尖端处的能量要快速释放，使试样表面温度急剧上 升。这样就将疲劳损伤与温升联系起来。因为耗散能很小，疲劳过程中温度的测量需 要较高的精度。随着先进测温技术的应用，人们开始利用红外热像仪手段来记录疲劳 过程中的热耗散现象。红外热像仪的测温特点满足了疲劳过程温度测量的特殊要求。 本文中利用红外成像技术，以单试样受台阶式应力增值，测量有限次循环的耗散 能，对应于施加试样应力曲线上的拐点揭示疲劳损伤机制，快速确定了不同载荷比下 q 2 3 5 钢和不锈钢焊接构件的疲劳极限。这种方法与传统方法比较具有无接触、实时、 快速、低成本等优点。 关键词：红外成像；热耗散；电阻点焊；疲劳极限 基于红外成像技术快速测定金属材料和电阻焊点结构的疲劳极限 f a t i g u el i m i te v a l u a t i o no f m e t a l sa n dw e l d i n gs p o ts t r u e t t t r eu s i n ga n i n f i x e d t h e r m o g r a p h i et e c h n i q u e a b s t r a c t t h e f a t i g u ea n a l y s i sp l a y s 趾i m p o r t a n tr o l ei nd e t e r m i n i n gt h ed u r a b i l i t yo f v e h i c l e s a s t h ev i t a lc o m p o n e n to ff a t i g u ea n a l y s i s ，f a t i g u et e s t i n gi st h ek e yi na p p r a i s i n gp r o c e s s i n 出! t c r m i n 吨t h ef a t i g u el i m i t , i tr e q u i r e s 缸e x t 弛m e l yh ig ：ha c c u r a c y ，雒w e l l 罄p r a c t i c a l i t y a n de c o n o m y t h el x a d i t i o n a le x p e r i m e n t a lm e l d a o dc o r r e l a t e st h ef a t i g u el i f eo fas m o o t h s p e c i m e nu a d e rc o n s e n ta m p l i t u d es ( a e s sc o n d i t i o n s i tc o s t s1 8s a m p l e sa n d3 0 d a y st op l o t t h ew o l h e ra 山m e v e nb y u s i n gas t e pt os t e pm e t h o d , t h i sp r o c e d u r ei l e c d st oc i r c u l a t es o l n l s a m p l e st e nm i l l i o nt i m e s 1 1 扯c a u s eo ff a t i g u ed a m a g ei sp l a s t i cd e f o r m a t i o nw h i c hl e a d sm e t a l l i cm i e r o s m a e t u r e t oi r r e v e r s i b l ec h a n g e s ，s u c ha sp o i n td e f e c t i o n , s m l e t u l - ed i s l o c a t i o na n dq u a n t i t ye h ”g e t h e s ee h a a g e sc o u l df o r ms 旺r f h c ed e f e c t i o n s i ni r r e v e r s i b l et l a e r m o c l y l 】a m i ep o i n t , t h e s e c h a n g e so fm i c r o s l r u c t u r ed e l i v e r yal a r g ea m o u n to fh e a td u r i n gf a t i g u ep r o c e s s i n m i c r o s c o p i cv i e w ，i n n e rf r i c t i o ni st h ec a l , l 靶o fh e a t 0 山盯诵辩i nm a c r o s c o p i cv i e w , h e a t d i s s i p a t i n gi nt h ef i l e a , s u r r o u n dc r a c ki r i pi n l l k e $ t h es l l t f a c , et e m p e r a t u r er i s i n gq u i c k l y t h e r e i sac o r r e l a t i o nb e t w e e nf a t i g u ed a m l t g e ：a n dt e m p e r a t u r ei n c r e m e n t s b e c a u s eo ft h et i n y d i s s i p a t i o n , t e m p e r a t u r em c a s u l r e m c n tn e e d sah i g hp r e c i s e n e s s w i t hl t a ed e v e l o p m e n to f t e m t m a t u r em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y , i n f l a t e dt h e r m o g r a p h i es y s t e mi sb e c o m i n gal e a d i n g m e t h o dt or e c o r dd i s s i r ，a t i o n , a n di ts a t i s f i e sa l lr e q u i r e m e n t so f t e m p e r a t u r em c a s t t r c m c n t t h e p a p e ra i m st oi l l u s l x a t ean 删m e t h o d o l o g yo ff a t i g u el i m i te v a l u a t i o no fm e t a l sa n d w e l d i n gs p o tb ya n a l y z i n gt h ei a 仕i m i cd i s s i p a t i o no ft h ee x t e r n a ls u r f a c ed u r i n gt h e a p p l i c a t i o no fl i m i t e c lc y c l eb yc y c l el o a d i n g c o m p a r e dt ot r a d i t i o n a lt e s t i n gt e c h n i q u e s ， t h e r ea r es o m ea d v a n t a g e so fi n f r a r e dt h e r m o g r a p ht e e l m i q u e 丛an o n 1 ) ，即热斑迹。采用红外热像仪对其进行全方位监测，可得到热像图，从而判 断其疲劳损伤状况。徐军【邶1 笱对3 只航天生保用4 2 l 氧气瓶进行全寿命疲劳试验。在 疲劳试验前进行3 1 5 咿a 水压试验，同时记录i r c e 和i r h e 结果，分析此三气瓶均存在 简体与瓶肩处a 和简体接近瓶底b 处的应力集中区域，并在疲劳试验过程中进行热图监 测。 红外成像技术能够通过探测不同状况下的物体表面的温度场，量场等相关信息， 科学研究和生产实践当中还会发挥巨大的作用，这些相关的阔题有待在日后的科研活 动中得到近一步的解决。 基于红外成像技术快速测定金属材料和电阻焊点结构的疲劳极限 3 热力学背景 由连续损伤介质构成的集合体在热力学中称为一个爿甄。一个热力学系统的状态变 量是一种可以测量的物理实体。状态变量在t 时刻的数值大小对于唯一的决定在f 时刻 的能量密度的数值是必要的，但不一定是充分的( 仅对可逆的过程。才是。唯一”的决 定该热力学系统) 。如果一个状态变量不是以前发现的那些状态变量的函数，他们就被 称为基本的状态变量。例如，应变是可观测的，它反映着系统“胀”，“缩”与畸变的 状态过程，通过应变的变化可以改变物体的内能，因此人们确信应变张量是描述固体介 质热力学状态的基本状态变量。当应变保持为常值时，借助于一个纯加热的热力学过程 也可以改变固体的内能，因而反映着系统“冷”、“热”的状态程度，并且可以进行测 量的物理量一温度加以表征。温度是一个在系统空间各点上任何瞬间均为正值的标量函 数，它也是基本的状态变量。内部状态变量是一种不一定能够被直接测定但实际上有 可以像可观测量一样处理、于基本状态变量一道决定不可逆系统的状态。内变量的物理 意义一般十分的广泛，它取决于具体材料的热力学系统的历史和在特定环境条件下的内 部组织与结构状态。在损伤力学的局部状态方法中，通过损伤内变量的变化来刻画这种 不可逆的耗散过程。这些损伤内变量表征了材料内部的微结构( 如错位密度、微裂纹、 孔隙等的相貌) 的演化和发展【4 l j 。尽管在各种材料、各种情况下，损伤的表现形式很多、 很复杂，但它们有一个共同的特点：都是需要耗散能量的不可逆的过程。因此，可以利 用宏观不可逆过程熟力学进行处理。 应用损伤力学的唯象学方法，作为含损伤( 连续的缺陷场) 的连续介质，首先应当 满足连续介质力学的基本方程；同时，损伤作为不可逆的耗散热力学过程，又应当满足 不可逆热力学的基本原理。因此以下介绍的方程主要是指基于连续介质力学和不可逆热 力学，含损伤的连续体应该满足的基本方程。 3 1 连续介质力学基础【4 2 】 3 1 1 质量守恒定律 取体积是r 的物质微团，包围它的表面积是o v 因为体积内质量的减少应等于 通过它的表面损失的质量，所以： v p 七8 v l a a = q 其中，p 是密度，l ，为微团的流速，d 矿为微团的体积微元，刎微团表面的面积微 元。 由奥斯特罗格拉得斯基公式。上式可写为 大连理工大学硕士学位论文 v 刚七v 固v 毋= 9 七固v ) a v = o 其中，v = 幽，是速度v 的散度，算子v = f 去+ _ ，蚤+ j | 委。 由于微团的大小和位置都是任意的，所以物质的各处都应有此关系： 声+ p v = 0( 3 1 ) 该式即为微分形式的连续性方程。 3 1 2 动量守恒方程 设作用在微团表面的应力为口，微团内单位质量的体积力为b ，根据牛顿第二定 律和动量守恒定律可知； 正v o - d a + f r p b d v 一，p 砂d 矿= 上( v 盯+ p b p 功d y = o 上式对于任何的微团都正确，因此物质内处处都有 v 口+ p b = p 痧( 3 2 ) 该式即为微分形式的运动方程。 3 1 3 能量守恒定律 能量守恒定律即热力学第一定律是宇宙间最普遍公认的物理定律，在只考虑有机 械能和热能存在的热力学过程中，它可以表示为 形+ q = k + e( 3 3 ) w 为单位时间内微团的机械能( 单位时间内外力所做的功) ： w = f s v u o a a 七o b v d v 8 vv l ，。 2 上t v ( ，o ) + p b 。u d v = n ( v 盯) 盯：跏+ 矽- 川 3 4 。j ， ( v 盯) 。+ 盯：毒+ p 6 l a y 其中，表示应变张量，表示应变率张量。 z g = i - 0 , “+ ) i ，j = l ，2 ，3 基于红外成像技术快速测定金属材料和电阻焊点结构的疲劳极限 式子3 4 最后的两步成立是考虑到矿是对称张量：即勺= 故 a u ( v , ，一，) = 仃f u ，j 一盯f 巧j = 0 ) 1 盯：v ，= b j = 寺盯f ( m j + ，) = 口：芒 注意，在前面的公式表示中，用了张量符号及其张量求和约定，即 ：勺= 勺 i = 1 2 ，3j = t ，2 ，3 式子3 3 中的q 式单位时间输入的热能： q _ - 一正，q 以= 一以v g d y ( 3 5 ) 其中，q 表示热流密度。 式3 3 中的k 是单位时间内微团的动能。e 是内能 k = 号上记y ( 3 6 ) e 2 j ，蒯矿 ( 3 7 ) 其中，e 表示内能的质量密度。将w 、q 、k 、e 的表达式代入能量守恒方程3 3 得 j v ( p v 帚+ p 垂一v 。盯v 一盯：已一p b v + v q ) d v = 0 由于微团的大小和位置式任意的，因此在物质内处处都有 p v 帚+ j d 毒一v 盯 v t y ：毒一p 6 1 ，+ v q = 0 注意到式3 2 ，上式可表示为 砖一盯：毒+ v q = 0( 3 8 ) 这就是能t i e r 恒方程。上式中v q 是单位体积微团向外输出的热量。微团之所以 能生出热量起因于状态有所变化，包括外部状态变化和内部状态变化。 3 2 不可逆热力学基础【4 2 】 自然界中的每一次物质的运动或状态变化都是一个热力学过程。可逆热力学过程 是指过程的每一步都可在相反的方向进行而不在外界引起其他变化。当运动或是状态 的改变伴有能量耗散时，其热力学过程就是不可逆的。显然，损伤是不可逆热力学过 程。静载下发生的损伤仍可认为是准静态过程：即过程变化得非常缓慢，以至于在每 大连理工大学硕士学位论文 一时刻都认为是平衡状态。 3 2 1 热力学函数和内部状态变量 在热力学中讨论各种态函数，最基本的热力学函数有三种：物理方程、内能和熵。 这里首先讨论耗散过程的状态变量、内能以及由此表示的物态方程。 外部状态变化是指物质发生了粘性或是塑性流动或变形。这种流动或变形要消耗 能量，产生热量。外部状态变化过程中单位时间内所耗散的功是 o y ：十o p ：p 其中即表示非弹性应力张量，郎表示黏塑性应变张量，即表示引起黏塑性应变张 量，p 的应力张量。 内部状态变化包括因各种原因引起的各种物理的或是化学的变化。内部状态变量用 q ( i = 1 ，2 ，3 ，n ) 表示，用4 表示内部状态变量n 变化了单位值所耗散的能量，又称 之为和内变量q 对偶的力，这种内变耗能率将可以被表示为4 口 内部和外部状态变化所耗散的能量全部转变为热，这种热量处理流失的v q 外，全 部为微团所吸收，引起熵值的增加。如用s 表示单位物质所获得的熵，则对于体积为v 的微团有 l y p 硎= j f y k l o p ：t p j r 。v ：邑+ a 愈i 一飞q c t v t 表示微团的温度。由此可得到 v q = 盯p ：+ 仃矿：毒+ 4 a f p 乃 ( 3 9 ) 将上式代入能量守恒方程式3 8 ，又得到 p 台一( 盯m o - v ) ：芒+ 盯p ：毒户+ 4 & f j d 乃= 0( 3 1 0 ) 这里分析的是一种缓慢的稳定的状态改变过程，属于等温度变化。为了便于理解和 分析，可使用自由能密度函数妒。表示物质的能量状态。自由能密度函数为 庐= p 一乃( 3 1 1 ) 因此 西= 吾一乃一乃 从式3 1 l 和式3 1 2 得出 p = ( 仃一仃矿) ：已一盯，：毒p 一4 p ，一p 珏= 0 ( 3 1 2 ) 自由能是弹性应变e ，温度t ，内变量口的函数。考虑到应变e 与乞及e 。有关自 基于红外成像技术快速测定金属材料和电阻焊点结构的疲劳极限 由能密度函数可写为 = ( 乞，丁，q ) = ( e ，。，t ，q f ) ( 3 1 3 ) 函= 警：抖等：。瑶时等于 比较上式与式子3 1 2 ，可得 a 西 o r - - o r v 邓蔷 疗v 而r 唧2 一p 面 a ( 3 1 4 ) 占= 一 a r a , = - p 学 ， 【，a f 上述方程就是各个状态变量与其对偶变量之间用自由能密度函数表述的物态方 程 3 2 2 热力学第二定律和c 1 8 u s i u s - d u h e m 不等式 对于损伤这种能量耗散问题，除了要满足上述物态方程外，还需要满足热力学第二 定律，即熵值不降低原理。热力学第二定律有多种表达方式： c l a u s i u s 的说法是：热不能自动由低温传到高温。这说明传热过程是不可逆的，只 能自动由高温传到低温，反之不能。 k e l v i n 的说法是：对循环做功的热机从单一热源取出热，使之变为有用功，而不引 起其他的变化，这是不可能的。 c a r a t h e o d o r y 的说法是：在系统任一给定的平衡状态附近，总存在这样的状态，它 不能由给定的平衡态经过绝热过程达到。 上述三种说法是等价的。平衡态熵的定义为： 凼：塑 2 。 熵是对不可逆性作数学分析而找出的一个态函数，可以由这一状态函数的数值来判 断一个热力学过程进行的方向。 热力学第二定律的数学表述是l a u s i u s d u h e m 不等式。比熵增率( 单位时间生出的 熵) 等于供给四周之熵与本身获得的熵之和。熵总是增加的，即熵增率不会小于零。熵 大连理工大学硕士学位论文 的增加原理指出：当物系由一个平衡态经过绝热过程达到另一个平衡态，它的熵永远不 减少。如果过程是可逆的，则熵值是不变的，如果过程是不可逆的，则熵值是增加的。 在假设没有内热源的情况下，熵增原理的数学表述为 驼= 正，手刎+ 上p j = 上( v 号+ p 回d 矿o ( 3 1 5 ) 由此得 孚一驾警+ 西o r丁2 一 g r a n v f ：v 丁：娑为温度梯度，t 表示绝对温度。 定义一个耗散势函数妒 。 西= 磺 移= v q 一皇掣+ p 西o ( 3 1 6 ) 注惫式3 9 ，可知 移：盯，：昂+ 仃，：考+ 4 a ，一掣o 上式中所有的相乘量都是状态变量。在任何情况下，耗散的能量只会增多，不能 减少。一旦上式不成立，状态的微小发展必将散发能量。这一散发的能量又使状态进 一步发展，如此不断循环，不稳定的发展下去，最终导致破坏。 3 2 3 局部热力学方程 在疲劳测试中，我们建立两个假设，一个假设是在准静态下，一个假设是在小扰 动下( s p h ) ，结合第一和第二热力学定律，我们得到局部的热方程【4 3 】： 心于一掷：删= p p 警：却甓讲矿蒜： + 矿罴讲r ， ( 3 1 7 ) 其中t 为绝对温度，e 为s p h 下的应变张量，妒自由能，p 为物体密度，c 为比热， k 为热传导张量，盯为c a u c h y 应力张量，口为内变量矢量。其中各个的热源分别为， 鼠= p 丽o h pe 为热弹性热源，& = 盖嘭为内偶合源，4 = 【仃一p 譬) ：e p 尝d 是耗散源，。是外热能源。 为进行红外图像处理，以进行热源估算，做出了以下一些假设： 基于红外成像技术快速测定金属材料和电阻焊点结构的疲劳极限 材料的密度和比热是常数，与热力学状态无关 与特定的时间导数相关的对流项忽略不计。 热传导张量保持常数，并且在试验期间各向同性。 由于辐射热交换引起的外部热供应r 。与时间无关，且平衡温度场t ，验证为： 一瓦= 由疲劳试验引起的温度变化对微观组织状态没有任何影响。这样偶合源既趋于零， 疲劳被考虑为纯耗散机制。 根据上述假设，热传导平衡方程3 1 7 能改写成以下紧凑形式： 、心罢一k v o = j ( 3 1 8 ) 在绝熟的条件下，p c 署七v 口，并且远大于对流的热泄漏，式3 1 8 简化成： p c o 万0 一 ( 3 1 9 ) 这里其中0 = t - t o ，表示温度变化，s = s 0 一碣而代表热弹性效应和耗散引起的总热 量。 在应力很小的时候温升的只是在很小的范围内变化，此时认为材料或是构件只是 在弹性范围之内。当应力增大到一定的值，就会出现突然的温升，认为此时就是突破 了弹性范围，材料或是构件出现了微小的裂纹，达到了塑性阶段，在应力一温升图上 就表现为拐点，以此为材料或是构件的疲劳极限。 当应力小于疲劳极限时，温度变化只是热弹性效应表现出来的。 图3 1 弹性能温度变化示意图 f 嘻3 1r e l a t i o n s h i pb e t w e 缸a ta n da f 当应力大于疲劳极限时，出现微小的裂纹，这时温度变化是由热弹性效应和耗散共 同引起的。 图3 2 微小的裂纹引起的耗散能 f i g3 2 m i c r oc r o c k si nv o l m n ec 眦l l i g i ll o c a ls n e s so rd i s s i l z r 暇l 即e 田 2 5 基于红外成像技术快速测定金属材料和电阻焊点结构的疲劳极限 3 3 热扩散问题的简化 在试件全部标距段确定热源场应当是图像处理的最终目的，如果没有热源分布的定 量信息就不能解决此问题【4 3 】。然而，对于薄扁试件可以作出一些其他的选择。l 、l 和e 符号分别表示试件标距段的长度、宽度和厚度，相应的坐标依次是x 、y 和z ， 3 3 1 二维扩散问题 最初考虑整个试件厚度上的平均源，它代表整个厚度上发生的热源。然后沿这一 厚度积分热方程，便会导致一个二维( 2 d ) 扩散闯题。其中取 7 婶，y ，n = 之l ：f 讧，y ，z ，o d z 心c 詈+ 争s 伍。， 这里，近似值p c ( 衫r n i d ，。_ - - k t 。吖。j + 一以。2 ，时间常数督则表示通过试件表面 z = = 1 = e 2 的热损失。在以前的文献心, 4 4 1 q 1 ，式子( 3 2 0 ) 被广泛地用于估算单调加载或 微循环试验中的热源的二维分布。为计算微分算子，假定在试件表面上测量的温度很接 近于平均温度场p ( 毛】，f ) 。对于疲劳试验，不足以计算出相应的热分布，这种情况下能 进行第二次简化。 我们可假设与每个试件横载面s 相关的平均热源也适合于描述整个截面s 上发生 的情况。横截面s 积分热传导方程，导致一维扩散问题，所以有： 亏= 专盛疋f b 执z 施由 热方程变为： 妒( 詈+ 专) = ； 。， 近似值心专一叫孑+ 警卜一次基于以下假设：在试件横截面边界( y = 1 2 。z = e 2 ) 上的热损失与温度变化成线性关系。为估算式子3 2 1 的左侧项。必须通 大连理工大学硕士学位论文 过试件宽度上的平均温度场来建立热剖面图。为使此方法便于操作，假定这些剖面图接 近于纵向温度分布万( 毛f ) 。此方法已成功地用于跟踪试件横截面此处发生局部应变。 3 3 3 扩散问题的一维简单微分方程 像应力和应变场一样，我们可以设想在进入局部化之前，试件标距段内的任何时 间的热源分布都是均匀的，这符合多轴试验的典型观点。在这种情况下对于对称的线 性边界条件以及相应于均匀温度场的初始条件，通过仅考虑最初的特征函数可以很好 的得到近似的解【4 2 】。热方程能被简化为最终的形式： p c 塑：s d f ( 3 2 2 ) 这里，口是试件标距段的中部的温度变化，这里目被确认为试件的一小中心区域( 典型的 是2 x 2 m m 2 ) 的平均温度。 基于红外成像技术快速测定金属材料和电阻焊点结构的疲劳极限 4 红外成像法测定g 2 3 5 钢疲劳极限的试验 4 1 试验的设备 本试验是在婀s 液压疲劳测试机上完成的。该试验机器的最大载荷范围为1 0 一 2 5 0 k n ，最大加载频率为2 5 h z 。试验过程中完全由自带的计算机软件全方位控制，可 以实现多种加载形式( 多应力水平，多加载频率，多加载波形) 。f i r s 在低频疲劳试 验中有很大的优势。 图4 1u t s 液压疲劳测试机 f 嘻4 1m t $ 8 1 0m a 耐a it e s t i n gs y s t e m s 采用c c d 红外摄像机( c e d i p 公司短波s w ) 进行热图像探测j a d ej 5 5 0 型，i n s b 探测元件中波红外相机，含3 2 0 ) 【2 4 0 个探测元件( 3 0 微米节距) 。热灵敏性在2 5 度下 噪声等效温差小于2 5 = k ( 通常小于2 0 = k ) 。波长响应3 - 5 微米，测量温度范围为5 一1 0 0 。在试验期间，摄像机的镜头轴线保持固定，并垂直于试件的表面。红外摄像机的最 大帧幅率达到每秒2 5 0 个图像( b p m 大采样频率m 戕) = 2 5 0 - z ) 。图像分辨率为6 4 x1 2 8 像素，这相当于空间分辨率约为0 2 聊n 2 每像素，它能使我们观察到试样的整个 标距( 工作) 段削。 大连理工大学硕士学位论文 图4 2c c d 红外摄像机 f i g 4 2 c c dh 哇h 嘲m 岛 整个的试验系统是由红外成像仪，f i r s 疲劳试验机，锁相仪，电脑四部分组成。 图4 3 为系统示意图。 图4 3 试验系统示意图 f 谵4 3 聃w i i i go fe ，c p e i i n l 倒【a l 鲫- 叩 差王丝! ! 成像技术快速测定金属材料和电阻焊点结构的疲劳极限 图4 4 红外成像快速测定疲劳极限试验系统 f i g r 4 4p h o t o g r a p $ cs y s t e mo f i n 丘种dt h e r m o 鲥o h i ce x p e r i m e n t 4 2 试验的材料和式样 试验所用的试件为q 2 3 5 a 级钢，表4 1 给出了q 2 3 5 的化学成分 4 7 1 。表4 2 给出 了其力学性能【4 刀。试验试样如图4 4 所示。试验时把试件表面用黑漆喷涂是为了使它 们的发射率接近一致，这些喷涂改善了被测面的红外发射率并避免外部反射光的干扰。 图4 5q 2 3 5 试样 f i g 4 5 s p e c i m e n 髓o m e u 7 3 0 - 大连理工大学硕士学位论文 表4 1q 2 3 5 化学成分 t a b 4 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f q 2 3 5s t e e l i 元素 cm ns ip s l 化学成邻 o 1 70 5 1o 2 30 0 2 10 0 2 6 表4 2q 2 3 5 力学性能 t a b a 2m e c h a n i c a lp m p e n i o f q 2 3 5s t l 力学性能iqiel 也i 妒f 船 i以。 数值l2 3 1 1 _ l p al4 0 7 l p ai3 0 l5 4 l1 1 7 1 2 9l1 8 8 m p a ( 9 9 9 ) 4 3 试验的过程 ( n ) 图4 6 试验阶段示意图 f 培4 6d r a w i n go f d 掣响e n 叫s t a g e 应力 ( 一p ) 载荷是在心= 一1 和b = o 1 这两种不同载荷比情况下实现的。每次疲劳试验是取 恒定载荷频率f = l s h z ，应力比兄和应力范围仃下( a a 可以从一次试验段到另一次试 验段) 进行的。应力阶段分别为1 2 0 肝a 、1 3 0 m p a 、1 4 0 m p a 、1 5 0 m p a 、1 6 0 m p a 、1 7 0 m p 8 、 1 8 0 1 咿a 、1 9 0 肝a 、2 0 0 咿a 9 个阶段。在每个载荷下对试样加载6 0 0 0 个周期。在4 0 0 0 周 期时用d - m o d e 采样( 耗散能) ，如图4 6 - 3 l 基于红外成像技术快速测定金属材料和电阻焊点结构的疲劳极限 试验图象和数据的实时收集是使用a l t a i r 公司自带的软件a l t a i r - - l i ，此软件可 以实时记录试件在疲劳载荷下动态的耗散能表现，方便试验后的数据处理。 4 4 试验结果整理 将试验采集的数据在后期处理软件a l t a i r 中读出试件某一固定区域的温升，图 4 7 为q 2 3 5 # 1 加载1 4 0 1 4 p 时的耗散温升图象。温升区域的选择是根据试件最后的断 裂情况取得的，取值的区域就是在断裂形成的区域。记录的数据用e x c e l 表格做出曲 线。 图4 7q 2 3 5 # 1 加载1 4 0 m p a 时的温升图象 f i g 4 7d r a w i n go f 钯m p e r a m r e d u r i n gl o a d i n g1 4 0 m p a ( 1 ) 当兄= - 1 加载频率为1 5 h z 的时，应力由1 2 0 m p ，以1 0 m p 为一个步阶，增加 到1 9 0 m p ，记录每次的疲劳耗散温升。下图4 8 是各个阶段的温升图像。 大连理工大学硕士学位论文 0 0 1o cf 1 2 0 m p l0 0 1 。cf 1 3 0 m p l0 0 1 。cf 1 4 0 m p l 0 0 2o cf 1 5 0 m p l 0 0 2 。c 1 6 0 m p l 0 0 6 。c 1 7 0 m p 0 1 2 。c1 1 8 0 m p 0 4 1 。c1 1 9 0 m p ) 图4 8 不同应力下的温升图象 f i & 4 8 c o r r e l a t i o nb c 粕目mt e m p 咖a n ds t 他r 鳓 应力幅值与温升的数值关系如表4 3 表4 3r = - i 时应力与温升关系表 t a b 4 3c o r r e l a t i o no ft h e r m a li n c r e m e n t sa n ds t r e s su n d e rr = - - 1 i 应力幅值( 船) 1 2 01 3 01 4 01 5 0 1 6 01 7 01 8 01 9 0 i 温升( ) 0 0 1o 0 l0 0 1o 0 20 0 20 0 6o 1 2o 4 1 利用表4 3 绘制应力幅值与温升关系曲线4 9 ( a ) ，用m a t l a b 拟合图象4 9 ( b ) 图4 9 ( a ) r = - i 随着应力的温升曲线 f 培4 9 ( a ) r = - lt h e r m a li e n t sw 油s 峨5 - 3 3 - 基于红外成像技术快速测定金属材料和电阻焊点结构的疲劳极限 图4 9 ( b ) m a t l a b 拟合图象 f 嘻4 9 ( b ) m a t l a bc u n 吧 在图4 9 ( b ) 中可以判断出在载荷比为b = 一1 时，疲劳极限为1 7 1 m p a 。 ( 2 ) 当疋= o 1 ，加载频率为1 5 h z 的时，应力幅值与温升的数值关系如表4 4 衰4 4r = o 1 应力与温升关系 t a b 4 4c o r r e l a t i o no ft h e r m a li n c r e m e n t sa n ds t r e s su n d e rr = o 1 i 应力幅值( m p ) 1 2 0 1 3 0 1 4 0 1 5 0 1 6 01 7 01 8 0 1 9 02 0 0 l 温升( k ) o00o 0 0 10 o l0 0 1o 0 3 o 0 7 利用表4 4 绘制应力幅值与温升关系图4 1 0 ( a ) ，m a t l a b 中拟合图象4 1 0 ( b ) 大连理工大学硕士学位论文 图4 1 0 ( a )k = 0 1 试件随着应力的温升曲线 f 培4 1 0 ( a ) r = 0 1 t h m n 山j i l 锄釉协f o r a 即鲥册1 w i t h 蜘 z 、， 葛 束 瘸 直力幅僵( 神- ) 图4 1 0 ( b ) m a t l a b 拟合图象 f i g 4 ! o c o ) m 甜a bc u i v g 在图4 1 0 ( b ) 中可以判断出在载荷比为b = o 1 时，疲劳极限为1 7 3 m p 。图4 1 1 为 q 2 3 5 试件断裂照片。 - 3 5 基于红外成像技术快速测定金属材料和电阻焊点结构的疲劳极限 图4 1 1q 2 3 5 试件断裂照片 f i g 4 11b r e a k i n g - u ps a m p l eo f q 2 3 5 4 5 小结 在图4 9 和图4 1 0 中我们可以看出，应力在1 6 0 咿a 之内耗散能并没有明显的增加，或 是说增加的很慢。当应力增大到图中黑点所示位置( 兄= - i 时1 7 1 m p ，砖= 0 11 7 3 m p a ) 耗散能出现了拐点。随着应力的增大，耗散能也快速的增加。拐点的出现，说明材料组 织内部开始出现微小裂纹，放出大量的热量，使得温升急速的增加。这说明耗散能的出 现与材料显微组织的内部损伤、应变硬化、局部塑性变形有关。最后多数微小裂纹将相 对停止扩展，直到它们局部集中起来，形成一个可探测的宏观裂纹，接着发生断裂。 我们看到传统试验得出的疲劳极限为1 8 8 m p a ，与红外成像试验测出的疲劳极限有一 定的差别，这是因为原始数据的试件进行了热处理，使得材料的疲劳性能更好，疲劳极 限增大。 从不可逆热力学过程来看，疲劳过程中又大量的热量产生，其中大部分的热能是由 内摩擦引起的，即晶体的一部分相对与另一部分的晶内剪切移动时引起的，另外在塑性 变形期间，运动位错将原子震荡，使得能量大部分转换为热。因此，在材料的不同部位， 由于缺陷分布和运动的差异，各材料体积单元中产生的热能不相等，使得试样内部发生 热传导，并且在试样与环境之问产生热交换。另一方面，疲劳损伤的原因是塑性变形， 大连理工大学硕士学位论文 塑性变形会使金属显微结构发生重大且不可逆的变化，包括点缺陷浓度和位错结构、数 量的变化，引起表面微观形貌的变化。在宏观裂纹扩展阶段，一方面裂尖处的能量要快 速释放，使试样表面温度急剧上升，另一方面随着材料塑性变形的快速增加，材料内部 累积的塑性变形能越来越大，进而引起相应的表面微观形貌发生明显变化。这可以从微 观结构来理解：随着循环数的增加，材料内部由于滑移而产生的挤入、挤出量会越来越 大，在其到达一定尺寸后，就会出现裂纹。 基于红外成像技术快速测定金属材料和电阻焊点结构的疲劳极限 5 电阻点焊试件拉伸剪切疲劳极限的试验 5 1 电阻点焊工艺 焊件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电 阻热进行焊接的方法称为电阻焊。电阻焊具有生产效率高、低成本、节省材料、易于 自动化等特点，因此广泛应用于航空、航天、能源、电子、汽车、轻工等各工业部门， 是重要的焊接工艺之一i 鹌】。两块以上得金属薄板放置于两极之间加压并通以焊接电流 时，板料自身电阻、板料之间接触电阻、板料与电极之间接触电阻的串连等效电阻产 生电阻热，其热量使得板料焊接中心区域的局部全部熔化。断开焊接电流，维持焊接 电流，维持电极压力一定时间，金属冷却结晶后形成点焊熔核，这种工艺过程称为电 阻点焊，如图5 1 。 图5 1电阻点焊原理及熔核示意图 f i g 5 1p r i n c i p l eo f r e s i s t a n c ew c | d i n ga n dn u 艇：e t 点焊焊接循环由四个基本阶段： ( 1 ) 预压阶段电极下降到电流接通阶段，确保电极压紧工件，使工件间有 适当压力。 ( 2 ) 焊接时间焊接电流通过工件，产热形成熔核。 ( 3 ) 维持时间切断焊接电流，电极压力继续维持至熔核凝固到足够强度。 ( 4 ) 休止时间电极开始提起到电极再次开始下降，开始下一个焊接循环。 为了改善焊接接头的性能，有时需要将下列各项中的一个或多个加于基本循环： ( 1 ) 加大预压力以消除厚工件之间的间隙，使之紧密贴合。 1 2 ) 用预热脉冲提高金属的塑性，使工件易于紧密贴合、防止飞溅；凸焊时这样 做可以使多个凸点在通电焊接前与平板均匀接触，以保证各点加热的一致。 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 加大锻压力以压实熔核，防止产生裂纹或缩孔。 ( 4 ) 用回火或缓冷脉冲消除合金钢的淬火组织，提高接头的力学性能，或在不加 大锻压力的条件下，防止裂纹和缩孔。 不锈钢的焊接性能主要表现在以下几个方面：嗍 ( 1 ) 高温裂纹：在这里所说的高温裂纹是指与焊接有关的裂纹。高温裂纹可大 致分为凝固裂纹、显微裂纹、h a z ( 热影响区) 的裂纹和再加热裂纹等。 ( 2 ) 低温裂纹：在马氏体型不锈钢和部分具有马氏体组织的铁素体型不锈钢中 有时会发生低温裂纹。由于其产生的主要原因是氢扩散、焊接接头的约束 程度以及其中的硬化组织，所以解决方法主要是在焊接过程中减少氢的扩 散，适宜地进行预热和焊后热处理以及减轻约束程度。 ( 3 ) 焊接接头的韧性：在奥氏体型不锈钢中为减轻高温裂纹敏感性，在成分设 计上通常使其中残存有5 一1 0 的铁素体。但这些铁索体的存在导致了低 温韧性的下降。在双相不锈钢进行焊接时，焊接接头区域的奥氏体量减少 而对韧性产生影响。另外随着其中铁素体的增加，其韧性值有显著下降的 趋势。己证实高纯铁素体型不锈钢的焊接接头的韧性显著下降的原因是由 于混入碳、氮、氧的缘故。其中些钢的焊接接头中的氧含量增加后生成 了氧化物型夹杂，这些夹杂物成为裂纹发生源或裂纹传播的途径使得韧性 下降。而有一些钢则是由于在保护气体中混入了空气，其中的氦含量增加 在基体解理面( 1 0 0 ) 面上产生板条状c r 2 n ，基体变硬而使得韧性下降。 ( 4 ) 0 相脆化：奥氏体型不锈钢、铁素体不锈钢和双相钢易发生0 相脆化。由 于组织中析出了百分之几的a 相，韧性显著下降。“相一般是在6 0 0 9 0 0 范围内析出，尤其在7 5 左右最易析出。作为防止”相产生的预防型措 施，奥氏体型不锈钢中应尽量减少铁素体的含量。 ( 5 ) 4 7 5 脆化，在4 7 5 附近( 3 7 0 _ - 5 4 0 ) 长时间保温时，使f 旷_ c r 合金 分解为低铬浓度的n 固溶体和高铬浓度的q 固溶体。当q 固溶体中铬 浓度大于7 5 时形变由滑移变形转变为孪晶变形，从而发生4 7 5 脆化。 5 2 焊点的母体材料和构件式样 试验用的点焊试件的母材为不锈钢3 0 1 l 材料，系奥氏体不锈钢中较简单的一种。 该钢的耐腐蚀性能、冷加工成形性和焊接性能均较好。主要用于制造在中等温度下耐 腐蚀而强度要求不高的结构件和焊接件。表5 1 给出了3 0 1 l 的化学成分，表5 2 给出 了其力学性能【4 ”。 基于红外成像技术快速测定金属材料和电阻焊点结构的疲劳极限 表5 13 0 1 l 不锈钢化学成分( ) t a b 5 1c h e m i r a lc o m p o s i t i o no f 3 0 1 l i 元素 c m n s ic rn isp i 试料 0 0 31 4 30 3 51 8 2 09 9 00 0 0 50 0 2 1 表5 23 0 1 l 不锈钢力学性能 t a b 5 2m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f 3 0 1 ls t a i r d e s ss t e e l i 力学性能吒o r 0 2疋 曲哪 i 数值 5 7 9 m p a2 9 4 m p a6 3 5 1 1 4 0 点焊构件试样如图5 2 所示，图5 3 为焊点部位照片。 生吐一 上 l 下f 一卜 _ t 卜叶 丫 叫 图5 2 点焊构件试样图 f i g 5 2s a m p l eo f s p o tw e l d i n gd e s i g n 4 0 - 大连理工大学硕士学位论文 图5 3 焊点部位的照片 f i g 5 3p h o t o g r a p ho f s p o tw e l d i n g 5 3 传统升降法测定焊接构件的疲劳极限 升降