基于红外热像法的舰船外壳材料疲劳寿命分析

度大、硬度大及较高耐腐蚀性等特点ꎬ并且焊接性
温度开始上升以及最后温度快速提升的阶段而言ꎬ
能也非常好ꎮ 它有更好的抗晶间和点状腐蚀性能ꎬ
稳定温升区能够占到疲劳寿命之中的绝大部分ꎬ因
因此其通常被应用到海洋或者是工业领域中ꎬ由于
锈蚀率很低ꎬ常用作舰船外壳材料 [５ － ７] ꎮ
此在观察时只需要对稳定温升阶段进行统计记录ꎬ
等优点
[２]
ꎬ能够大幅度节省人力财力ꎬ并得到较为
准确的实验数据ꎬ因此目前被研究人员所重视ꎮ 采
用红外热像法测量舰船外壳常用材料 ＦＶ５２０Ｂ 不
锈钢的疲劳极限和疲劳寿命等参数ꎮ
１ 疲劳红外热像法相关理论
１. １ 热弹塑性基本理论
－ ２ｖ )Δσ
＋ ３αΔＴ
Ｅ
(１)
式中: Δσ 表示主应力和的改变ꎬ Δε 表示主应
图 １ 试件尺寸( ｍｍ)
的时间内得到 σ ａ 对应的 ΔＴ ｓ ꎬ利用上式(４) 预测
量发生了耗散ꎮ 经过变形后金属自由能并没有发
材料疲劳寿命ꎬ由数对( Ｎ ｆ ꎬ σ ａ ) ꎬ最后用最小二
生改变ꎬ微观组成也没有产生改变ꎮ 由此可知弹性
乘拟合数据对可以得到试件完整 Ｓ － Ｎ( 应力 － 寿
变形过程对该试样的疲劳损伤发生过程无作用ꎮ
Ｅ
Δε ｅ ＝ － ＫＴΔ ( σ１ｅ ＋ σ２ｅ ＋ σ３ｅ )
１ － ２μ ｉ
(３)
由公式(３) 可得出理想的弹性变形是完全可
逆的ꎬ其本质是晶体结构发生了平衡的暂时性破
坏ꎬ并没有明显的不可逆平衡变动ꎬ弹性体产生的
假若材料为各项同性ꎬ且处于弹性范围内ꎬ此
弹性能相当于金属在新平衡状态时比原平衡状态
时应变以 及 热 应 力 两 者 的 关 联 性 能 够 采 用 公 式
的热像数据ꎬ并结合相关弹塑性理论进行分析ꎬ进而估算出材料 ＦＶ５２０Ｂ 的疲劳特性ꎮ 红外热像
法可以快速确定材料 ＦＶ５２０Ｂ 的疲劳参数ꎬ利用红外热成像仪测得材料 ＦＶ５２０Ｂ 的表面温升ꎬ通
过疲劳极限快测法相关原理得到舰船外壳材料 ＦＶ５２０Ｂ 的疲劳极限ꎬ与传统的疲劳试验对比有
较好的结果ꎮ 研究结果表明: 红外热像法能够在 较 短 周 期 内 快 速 地 确 定 舰 船 外 壳 常 用 材 料
２０２０
文章编号:１００８ － １４０２(２０２０)０２ － ０１３６ － ０４
基于红外热像法的舰船外壳材料疲劳寿命分析
①
武立华１ ꎬ 胡星宇２
(１. 绥化学院农业与水利工程学院ꎬ黑龙江 绥化 １５２０００ꎻ２. 广州工商学院基础教学部ꎬ广东 广州 ５１０８５０)
摘 要: 借助红外热成像仪测试手段ꎬ通过记录舰船外壳常用材料 ＦＶ５２０Ｂ 在循环应力作用下
热塑性效应指出塑性应变能是材料在疲劳破
命) 曲线ꎮ
２ 实验研究
坏中机械能耗的主体ꎬ绝大部分通过热耗散的形式
散发出去ꎬ进而引起材料表面温度的升高ꎬ并维持
着温度场的平衡 [４] ꎮ
２. １ 试验材料试件
１. ２ 红外热像技术的能量理论
ＦＶ５２０Ｂ 是一类马氏体沉淀硬化不锈钢ꎬ有强
由疲劳演变温度三段论原理可以发现ꎬ相较于
ＦＶ５２０Ｂ 的疲劳极限和 Ｓ － Ｎ ( 应力 － 寿命) 曲线等疲劳性能参数ꎮ
关键词: 舰船外壳ꎻ红外热像法ꎻＦＶ５２０Ｂꎻ疲劳参数
中图分类号: ＴＢ１２５ 文献标识码: Ａ
０ 引 言疲ຫໍສະໝຸດ 和断裂是目前工程结构失效最主要的形
式之一ꎮ 美国测试和材料协会将疲劳一词定义为
某一点或某些点在干扰循环应力作用的基础上ꎬ同
提高的能量ꎬ随着金属回到原平衡状态ꎬ这部分能
①
收稿日期:２０１９ － １２ － ２７
基金项目:绥化学院 ２０１８ 年科学技术研究项目( Ｋ１８０２００４) ꎮ
作者简介:武立华(１９９１ － ) ꎬ女ꎬ黑龙江绥化人ꎬ讲师ꎬ硕士ꎬ研究方向:工程管理与工程结构分析ꎮ
第２ 期
１３７
武立华ꎬ等:基于红外热像法的舰船外壳材料疲劳寿命分析
Ｎｉ
０. ５５
Ｃｒ
１３. ９
Ｃｕ
１. ６
Ｎｂ
０. ３５
Ｍｏ
１. ５
Ｆｅ
Ｂａｌ
次温度ꎬ测量 １０ 组ꎮ 在此ꎬ每一次加载完成后都要
有 ８
１０ｍｉｎ 的散热时间ꎬ冷却恢复到初始值ꎬ以确
保下级加载试验正常运行 [８ － ９] ꎬ而后将所得最大温
度值减掉初始温度值ꎬ便可得出最大稳定温升ꎬ仪
器及分析系统见图 ２ꎬ效果图见图 ３ꎮ
第 ３８ 卷 第 ２ 期 佳 木 斯 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 )
２０２０ 年 ０３ 月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊｉａｍｕｓｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ( Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ)
Ｖｏｌ. ３８
Ｍａｒ.
Ｎｏ. ２
变和的改变程度ꎬ且两者均为常数ꎬ ｖ 为泊松比ꎬ Ｅ
代表弹性模量值ꎬ ΔＴ 代表温度变化量ꎬ α 代表线
性膨胀系数值ꎮ
另外ꎬ假设该材料与外界不产生热交换ꎬ可利
用公式(２) 对弹性体的可逆热力学效应进行描述:
上急需一种能够高效准确的预测材料疲劳参数的
方法ꎮ 红外热像法通过测量由材料内部结构发生
(１
ΔＴ ＝
－ ３ＴαＫΔε
ρＣ Ｖ
(２)
式中: Ｋ 是体积模量ꎬ ρ 是单位密度值ꎬ Ｔ 代表
绝对温度值ꎬ Ｃ ｖ 代表比热容值ꎮ
式(２) 中ꎬ Δε 代表体积改变量ꎬ若在弹性体中
体积没有产生改变ꎬ即 Δε ＝ ０ꎬ则在 Ｃ ｖ 稳定下ꎬ结
合公式(１) 、(２) 可得热弹性效应表达式(３) :
ΔＴ ＝ － ＫＴ
时加之一定数量的循环扰动之后产生裂缝ꎬ在不可
逆的损伤的材料中发生局部永久性的结构演
变
[１ － ３]
ꎮ 随着我国舰船技术的发展、舰船数量的增
多ꎬ船体外壳因疲劳而断裂的事故频频发生ꎬ工程
(１) 进行表达:
Δε ＝
晶界滑移位错等变化引起的能量变化进而反映到
材料表面温度场的差异ꎮ 红外热像法相比于传统
方法具有所需试验试样少ꎬ耗时少ꎬ实时性ꎬ准确性
由此可将能量参数 φ 改变为:
φ ＝ ΔＴ ｓ Ｎ ｆ
ＦＶ５２０Ｂ 的屈服极限约为 ７５０ＭＰａꎬ其化学组成
(４)
如表 １ꎮ
试验采取阶梯加载形式进行ꎬ此时能够在最快
Ｃ
< ０. ０７
Ｓｉ
< ０. ０７
Ｍｎ
< １. ０
表 １ ＦＶ５２０Ｂ 不锈钢化学成分( ％ )
Ｐ
< ０. ０３
Ｓ
< ０. ０３
试验采用构件样式为板式ꎬ其尺寸如图 １ 所示ꎮ