Page 55 - 《应用声学》2022年第5期

第 41 卷 第 5 期 韩梦等： 铝合金板疲劳微裂纹超声红外成像检测的数值及实验研究 731

的动摩擦系数，依次为 0.3、0.4、0.5、0.6、0.7，计 3 实验研究
算裂纹区域的温度场分布。图 4 为不同动摩擦系
数条件下超声激励停止时裂纹面最高温度的情况。 3.1 铝合金板试样
从图 4 中可以看出，随着动摩擦系数增加，裂纹面 实验选用6061铝合金薄板，试样尺寸与模型一
的最高温度从 27.23 C 增加到 33.7 C，呈上升趋 致。如图 6(a) 试样照片所示，在试样边缘中部加工
◦
◦
势，裂纹面的最高温度与动摩擦系数之间近似呈 “V” 型槽口，槽宽 5 mm，槽深 20 mm，V 型夹角为
线性关系。 70 。槽口尖端预制一长为 10 mm、宽为 200 µm 的
◦
裂纹。在试样左右两侧施加周期性应力作用，裂纹
34
尖端继续扩展并形成疲劳裂纹。测量裂纹总长度约
为20 mm。图6(b)为在金相显微镜下放大 100倍观
32 察到的疲劳裂纹尖端形貌图。在拉应力和压应力的
తᰴພए/Ć 30 交替作用下，裂纹尖端区域发生了明显的塑性变形，

结构表面生成了皱褶，裂纹开口宽度约为20 µm。
28
370 mm
26
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 ࠄᰎҒ ࠄᰎՑ
ү୕୻ጇ஝ Ⴕҷᜈጯ
图 4 动摩擦系数对裂纹励热的影响 10 mm
Fig. 4 Influence of kinetic friction coefficient on 280 mm
20 mm
heat generation of crack
2.2.3 裂纹开口宽度对励热效果的影响
裂纹表面间的开口宽度影响着两表面的接触 (a) ࠄᰎតನ (ଣڏ˞Ꭵᬞܫࡍᦊڏ)
程度和相互作用的强弱。在模拟中保持声波激励
强度不变和裂纹长度不变，裂纹开口宽度从 5 µm
等间隔增加到 30 µm，计算裂纹表面处的温度场 ᜈጯ࠹ቫ
分布。声激励停止时裂纹表面最高温度与裂纹开
口宽度的关系如图 5 所示。由图可知，裂纹开口宽
度的增加导致裂纹面接触程度降低和摩擦作用减
弱，裂纹处的最高温度逐渐减小，从 42.11 C 下降
◦
50 mm
到25.88 C。
◦
(b) Ⴕҷᜈጯ࠹ቫᄊ᧛ᄱ௭ॲ᪫ڏ
45
图 6 铝合金板试样
40
Fig. 6 Aluminum alloy plate sample
తᰴພए/Ć 35 3.2 实验用频率为 37.7 kHz、功率为 100 W 的超声
超声红外成像检测实验装置

30
振子在铝合金试样上激励声波，超声振子与裂纹
25
尖端位于同一水平线且距离为 100 mm。超声波在
20 板中传播引起裂纹区域振动，裂纹面相互接触并摩
5 10 15 20 25 30
न԰ࠕए/µm 擦产生热量。产生的热量经热传导传递到工件表

图 5 开口宽度对裂纹励热的影响 面，由红外摄像仪 VarioCAM HD(InfraTec)拍摄记
Fig. 5 Influence of opening width heat generation 录工件表面的温度场分布。测得的图像经处理，并
of crack 定量测量缺陷的相关尺寸信息。实验的环境温度约