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

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很高的准确性，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(Wolher)曲线最少需要18根试样，周期长达30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Q235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。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题的提出及研究的意义

1.2疲劳研究的发展历史

1.3疲劳破坏机理

1.3.1疲劳裂纹萌生机理

1.3.2疲劳裂纹扩展机理

1.3.3疲劳裂纹的瞬时断裂机理

1.3.4疲劳破坏与静力破坏的本质区别

1.4疲劳过程中热耗散的研究

1.5疲劳试验研究方法

1.6国内外研究状况

1.7本文研究的内容

2红外成像技术

2.1红外成像技术的相关理论

2.1.1红外热波成像检测原理

2.1.2被动热成像理论

2.2红外热检测成像系统简介

2.3外热成像技术的应用进展

2.3.1红外热成像技术在工程方面的应用进展

2.3.2红外热成像技术在疲劳检测方面的应用进展

3热力学背景

3.1连续介质力学基础

3.1.1质量守恒定律

3.1.2动量守恒定律

3.1.3能量守恒定律

3.2不可逆热力学基础

3.2.1热力学函数和内部状态变量

3.2.2热力学第二定律和Clausius—Duhem不等式

3.2.3局部热力学方程

3.3热扩散问题的简化

3.3.1二维扩散问题

3.3.2一维扩散问题

3.3.3扩散问题的一维简单微分方程

4红外成像法测定Q235钢疲劳极限的试验

4.1试验的设备

4.2试验的材料和式样

4.3试验的过程

4.4试验结果整理

4.5小结

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

5.2焊点的母材材料和构件式样

5.3传统升降法测定焊接构件的疲劳极限

5.4红外成像法快速测定焊接构件的疲劳极限

5.5小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢