رصد الكراك في اختبار التعب الرنين من العينات الملحومة باستخدام ارتباط الصورة الرقمية
Summary
يتم استخدام ارتباط الصورة الرقمية في اختبارات التعب علي اله اختبار الرنين للكشف عن الشقوق المجهرية ورصد انتشار الكراك في العينات الملحومة. الشقوق علي سطح العينة تصبح مرئية كزيادة السلالات.
Abstract
يتم تقديم اجراء باستخدام ارتباط الصورة الرقمية (DIC) للكشف عن الشقوق علي العينات الملحومة اثناء اختبارات التعب علي آلات اختبار الرنين. ويقصد به ان يكون اجراء عمليا وقابلا للتكرار لتحديد الشقوق المجهرية في مرحله مبكرة ورصد انتشار الكراك اثناء اختبارات الإرهاق. وهو يتالف من القياسات الميدانية سلاله في لحام باستخدام DIC. تؤخذ الصور في فترات دوره الحمولة الثابتة. تصبح الشقوق مرئية في حقل السلالة المحسوبة كسلالات مرتفعه. وبهذه الطريقة ، يمكن رصد العرض كله من عينه صغيره الحجم للكشف عن أين ومتى يبدا الكراك. في وقت لاحق ، فمن الممكن لرصد تطور طول الكراك. ونظرا لان الصور الناتجة يتم حفظها ، فان النتائج قابله للتحقق منها وقابله للمقارنة. يقتصر الاجراء علي الشقوق التي تبدا علي السطح ويهدف إلى اختبارات التعب تحت ظروف المختبر. من خلال تصور الكراك ، والاجراء المعروض يسمح المراقبة المباشرة من الشقوق ماكرومن تشكيلها حتى تمزق العينة.
Introduction
اللحامات هي عرضه بشكل خاص للاضرار التعب. وعاده ما يتم تحديد خصائص التعب علي العينات صغيره الحجم التي يمكن اختبارها بكفاءة. اثناء الاختبارات ، يتم تطبيق تحميل دوري. في نهاية المطاف سوف الكراك بدء وتنمو لحجم المجهري. ثم سينمو الصدع وينتشر من خلال العينة. يتم تشغيل الاختبار عاده حتى تفشل العينة بالبالكامل. نتيجة الاختبار هو عدد دورات التحميل حتى فشل التحميل المطبق. وعاده ما يكون هذا الفشل النهائي واضحا. من ناحية أخرى ، بدء الكراك هو أكثر تعقيدا لتحديد. ومع ذلك ، قد يكون من الفائدة في التحقيقات علي المعلمات التي ليست موحده علي سمك العينة أو التي تؤثر علي بدء الكراك علي وجه التحديد (علي سبيل المثال ، الضغوط المتبقية أو العلاجات بعد اللحام).
توجد أساليب مختلفه للكشف عن الشقوق اثناء اختبارات التعب. ابسط هي التفتيش البصرية ، صبغ اختبار الاختراق ، أو تطبيق مقاييس سلاله. طرق أكثر تطورا تشمل التصوير الحراري ، الموجات فوق الصوتية ، أو الدوامة الاختبار الحالي. يمكن تحديد انتشار الكراك باستخدام مقاييس سلاله ملائم ، والانبعاثات الصوتية ، أو طريقه الإسقاط المحتملة.
يستخدم الاجراء المقترح ارتباط الصورة الرقمية (DIC) لتصور السلالات السطحية علي العينة. فانه يسمح الكشف عن تشكيل الشقوق المجهرية اثناء اختبارات التعب. وعلاوة علي ذلك ، يمكن رصد انتشار الكراك علي مدي مده الاختبار. ل DIC ، يتم تطبيق نمط غير منتظم علي سطح العينة ومراقبتها من قبل الكاميرات. من تشويه نمط تحت التحميل ، يتم احتساب سلالات السطح. ستظهر الشقوق كسلالات مرتفعه تتجاوز قيمه عتبه محدده (> 1%) التالي تصبح مرئية.
مع تقدم التقنيات الحسابية ، أصبحت DIC أكثر وأكثر شعبيه للتطبيقات الصناعية والبحثية. وتتوفر عده نظم حاسوبيه للقياس التجاري فضلا عن برامجيات مفتوحة المصدر1. ويوفر الاجراء المقترح استخداما آخر للتكنولوجيا المتاحة بالفعل في عدد متزايد من مرافق البحوث في مجال الهندسة الميكانيكية والمدنية.
بالمقارنة مع عمليات التفتيش البصرية أو اختبار اختراق الصبغة ، فان الاجراء المقترح لا يقوم علي التصور الذاتي ، والذي يعتمد علي تجربه المشغل والهندسة المحلية في اصبع اللحام. حتى مع ارتفاع التكبير قد يكون من الصعب الكشف عن الشقوق في مرحله مبكرة (اي بدء الكراك) ، وخاصه إذا كان الموقع الدقيق غير معروف مقدما. وعلاوة علي ذلك ، باستخدام DIC يتم حفظ النتائج التالي استنساخها وقابله للمقارنة ، في حين ان التفتيش البصري هو ممكن فقط للحظات.
باستخدام قياس الحقل الكامل يسمح الاجراء بمراقبه العرض الكامل للعينه أو طول اللحام. باستخدام مقاييس السلالة ، سيكون من الضروري تطبيق عده مقاييس علي عرض العينة ، لان قياسها مترجمه. والتغييرات في اشاره مقياس سلاله تعتمد علي المسافة والموقف نسبه إلى الكراك. وسوف تعتمد النتيجة علي ما إذا كان الكراك سيبدا بين اثنين من المقاييس أو عن طريق الصدفة امام واحد.
فائده أخرى من DIC هو انه هو البصرية ، وانه يعطي صوره وصفيه للكراك. باستخدام مقاييس السلالة للكشف عن الكراك أو الانبعاثات الصوتية لنمو الكراك ، لا يتم رصد طول الكراك نفسه ولكن يتم تحديده عن طريق التغيرات في سلاله يقاس أو الإشارات الصوتية علي التوالي. علي سبيل المثال ، في شريمه وآخرون2 DIC يسمح لفهم وتفسير إشارات الانبعاثات الصوتية. وقد تؤثر العوامل المؤثرة الأخرى أو الإشارات المسببة للتداخل علي الاشاره المقاسه ، مما يؤدي إلى عدم التيقن ويتطلب تفسيرا متانيا للنتائج.
وقد تم الإبلاغ عن تطبيقات مختلفه من DIC لرصد الشقوق في اختبارات التعب. في كثير من الحالات يستخدم DIC لتقييم حقل السلالة في غيض الكراك3,4,5 وتحديد عوامل كثافة الإجهاد6,7,8 أو الكشف عن اضرار التعب علي المجهرية مقياس9و10. في هذه الحالات ، يتم استخدام الصور المجهرية للتحقيق في مجالات الاهتمام في نطاق بضعة ملليمترات. العينات المختبرة تتكون من المواد الاساسيه تشكيله مع ابعاد في نطاق ملليمتر. وسجلت مناطق قياس أكبر من قبل تافاريس وآخرون11 لتحديد عوامل شده الإجهاد ، من قبل شرامه وآخرون2 لدراسة إشارات الانبعاثات الصوتية ، ومن قبل هاشيمجاد وآخرون12 للتحقيق في الشقوق في الخرسانة الاسفلتيه. Poncelet et al.13 تطبيق DIC للكشف عن بدء الكراك استنادا إلى زيادة السلالة النسبية علي عدد معين من دورات التحميل. أجريت الاختبارات علي العينات مع سطح تشكيله. ملحومه14،15 أو البرازيلي عينات16 ودرست باستخدام DIC لتسجيل تطور سلالات اثناء اختبارات التعب. ولوحظت العينات من الجانب ، والتي تبين تطور الكراك في اتجاه العمق ، علي حافه العينة.
وأجريت جميع التجارب المذكورة أعلاه علي أجهزه الاختبار هيدروليك الهيدروليكية مع ترددات الحمل من بضعة هرتز (< 15 هرتز). عاده تمت مقاطعه الاختبارات لتسجيل الصور ل DIC. أخذ فانلاندويت وآخرون17 صورا اثناء اختبار التشغيل وتطبيق الخوارزميات للتعويض عن الاختبارات المختلفة وترددات تسجيل الصور. اجري لورنزينو وآخرون18 اختبارات علي اله اختبار الرنين وصور DIC الملتقطة بكاميرات مجهريه. Kovárík et al.19,20 اجري الاختبارات علي اله اختبار رنين مع تردد 100 هرتز دون انقطاع ، وذلك باستخدام اجراء مشابه جدا لواحد المعروضة هنا. أجريت الاختبارات علي العينات المسطحة المغلفة تحت الأحمال الانحناء. واستخدمت كاميرا واحده وفلاش الناجمة للتقاط الصور من مساحة ~ 20 × 15 ملم. وطبقت تقييمات مختلفه للصدع استنادا إلى حقل السلالة وحقل النزوح.
يتم تطبيق الاجراء المعروض في هذه الورقة علي العينات الملحومة تقديم الشق ، التالي تركيز الإجهاد. ويستخدم نظام 3D DIC مع اثنين من الكاميرات ، والذي يسمح لحساب للخروج من نزوح الطائرة من العينة. يتم تشغيل الكاميرات بينما الاضاءه ثابته. ويستند الكشف الكراك علي حقل سلاله يقاس علي مساحة 55 x 40 مم.
يوفر الاجراء طريقه قويه وقابله للمقارنة للكشف عن الشقوق في اختبارات التعب. وعلاوة علي ذلك ، فانه يوفر سجلا لانتشار الكراك. وهو ينطبق علي آلات اختبار الرنين مع ترددات عاليه التحميل. لا يجب ان تتم مقاطعه الاختبارات للقياسات ، ولا يحتاج اي مشغل إلى ان يكون موجودا اثناء الاختبار. ولذلك يمكن تطبيق الاجراء بكفاءة علي اعداد كبيره من الاختبارات لاسترداد المعلومات المتعلقة ببدء الصدع والانتشار.
Protocol
Representative Results
Discussion
الاجراء المعروض يتكون من استخدام DIC للكشف عن ورصد الشقوق التعب علي العينات الملحومة اختبارها علي اله اختبار رنين دون مقاطعه الاختبار. التحدي الرئيسي في التطبيق هو تردد الحمولة العالية من اله اختبار الرنين. فانه يتطلب أوقات التعرض قصيرة نسبيا التالي الاضاءه العالية للحصول علي الصور للاختبارات DIC. ولذلك ، يجب ان تكون الاضاءه إلى اقصي حد. ومن ناحية أخرى ، قد تتطلب الانعكاسات علي السطح المعدني استخدام فلاتر الاستقطاب ، الأمر الذي سيقلل من كميه الضوء الذي يدخل الكاميرات. وللاستفادة بشكل أفضل من الضوء المتاح ، يمكن توسيع فتحه الأهداف. وهذا سيقلل من عمق التركيز. هو لذلك ضرورية ان يحدد البؤرة تماما في البعد من العينة سطح والخارج من طائره حركه من العينة سوفت لا يتجاوز ال يركز مدي. اعداد الكاميرات والاضاءه يتطلب عناية خاصه.
ومع ذلك ، فان السلالات المحسوبة من قبل DIC قد لا تكون دقيقه جدا (الشكل 6). قد تظهر السلالات المحسوبة ضوضاء عاليه. علي بعض الأوجه المستخدمة ل DIC ، قد لا يتم التعرف علي نمط سبيكل ولن يتم احتساب السلالات. ولكن الاجراء المقترح اثبت انه قوي فيما يتعلق بنوعيه النتائج التي حققتها الهيئة. حتى لو كانت النتائج ليست جيده بما يكفي لتحديد سلالات في لحام علي وجه التحديد ، ينبغي ان يكون لا يزال من الممكن للكشف عن الشقوق.
اللحام بعقب المقدمة هنا لديه اصبع القدم لحام علي نحو سلس نسبيا بالمقارنة مع غيرها من هندسي اللحام. الشقوق من المرجح ان تبدا في عيوب علي طول اصبع القدم لحام مع درجه حاده التالي تركيز الإجهاد العالي. ولسوء الحظ ، قد لا يكون من الممكن تقييم السلالات من قبل DIC في هذه المواقع بالبالضبط لأنه قد لا يتم التعرف علي الأوجه المستخدمة في الحساب. علي سبيل المثال ، يظهر الشكل 5 الكراك الشروع في الجانب الأيسر من العينة ، والجوانب المفقودة في + 25 ملم أفقي/-5 ملم عمودي. ولكن كما هو مبين في المثال ، حتى لو لم يتم تقييم بعض الأوجه فانه لا يزال من الممكن تحديد متى يبدا الكراك ويبدا في النمو. للحامات مع زاوية حاده والشقوق أكثر وضوحا (علي سبيل المثال ، الصلابة الطولية ، واللحام شرائح) فانه قد يساعد علي أماله الكاميرات ~ 15 درجه لزيادة الزاوية إلى سطح اللحام. تم تطبيق الاجراء المقترح علي التصلب الطولي أيضا. علي الرغم من الشق الحاد نسبيا في أخمص القدمين لحام كان من الممكن ان يكشف بشكل موثوق بدء الكراك.
وتفترض الشقوق المجهرية عندما يتم الوصول إلى سلالات من 1 ٪ أو أكثر. في دراسة أجراها Kovárík et al.20, تم تطبيق DIC للكشف عن الشقوق علي الحرارية رذاذ المغلفة, العينات غير المسننة. وذكر ان القيمة الحديه للكشف عن الكراك يمكن ان تحدد في نطاق 0.5 ٪ و 1 ٪ دون التاثير بشكل كبير علي النتائج. وتؤكد هذه القيم بالمقارنة مع علامات الشاطئ (الشكل 4 والشكل 5). سيؤدي انخفاض القيمة إلى الكشف عن الصدع في وقت أبكر ولكنه قد يكون أكثر عرضه للشكوك وينتج نتائج اقل قابليه للمقارنة. وهناك قيمه اعلي تؤدي إلى الاعتراف في وقت لاحق من بدء الكراك ، ولكن النتائج سوف تكون علي الأرجح أكثر قابليه للمقارنة وقابله للتكرار.
قد يؤدي تطبيق دوره التحميل الاولي بشكل ثابت (الخطوة 3.3) تستغرق وقتا طويلا عند تنفيذ العديد من الاختبارات. إذا لم يحدث اي سلالات بلاستيكية في اصبع القدم لحام (الشق) قد يكون أيضا حذف وحاله تفريغ (الخطوة 3.2) تستخدم كمرجع لحسابات سلاله. وبخلاف ذلك ، يمكن استخدام أحدي الصور المكتسبة في بداية الاختبار الديناميكي إذا كانت جوده الصورة كافيه (انظر الشكل 6).
إذا تم اختبار العينات قليله فقط ، لا ينبغي التقليل من وقت الاعداد. قد تتطلب بعض الوقت والحلقات التكرارية لتثبيت واعداد الكاميرات بدقه واجراء المعايرة للحصول علي الصور المناسبة للتقييم DIC.
اعداد العينات ، من ناحية أخرى ، هو سريع وغير مكلفه. العينات تحتاج فقط إلى تنظيف ورش مع اللون لتطبيق الرضفة رقطه. وياتي هذا بتكلفه قليله ويجعل الاجراء المقترح القائم علي DIC عمليه ، وخاصه إذا كان سيتم اختبار عدد كبير من العينات.
وهناك فائده أخرى ، خاصه بالنسبة لمجموعات كبيره من العينات أو الاختبارات التي تجري بين عشيه وضحيها ، وهي ان يتم تشغيل الكاميرات تلقائيا ، والاختبارات لا تحتاج إلى ان تنقطع.
تقييد الاجراء DIC هو انه كطريقه بصريه يقتصر علي الشقوق السطحية. وعلاوة علي ذلك ، فانه يتطلب ان تكون المنطقة التي سيتم مراقبتها مرئية بواسطة الكاميرات بينما يتم تركيب العينة في اله الاختبار.
واستخدم الاجراء المعروض أساسا للكشف عن بداية الشقوق التقنية. ولكن كما هو موضح ، فانه يسمح أيضا لتقييم النمو الكراك (علي سبيل المثال ، لتحديد معدلات الانتشار الكراك). ستكون النتيجة الطول مرئية علي السطح. ومع ذلك ، لا يمكن الكشف عن انحناء الجبهة الكراك.
واثبت الاجراء انطباقه علي العينات الملحومة التي تقدم طبولوجيا سطحيه معقده نسبيا. وينبغي أيضا ان تكون قابله للتطبيق علي العينات غير الملحومة ، كما ان عدم وجود الشقوق الهندسية ينبغي ان تسهل قياسات DIC. وقد طبق اجراء مماثل في كوفاريك وآخرون20 علي العينات غير المسننة.
وعلاوة علي ذلك ، يمكن أيضا تطبيق هذا الاجراء لاختبارات التعب علي أجهزه الاختبار الهيدروليكية هيدروليك. هنا ، سيكون تردد الاختبار اقل من جهاز اختبار الرنين. الوقت التعرض للكاميرات التالي يمكن ان تكون أطول ، والتي ينبغي ان تسهل اعداد الكاميرا.
في الختام ، يقدم الاجراء المعروض طريقه مباشره لدراسة تطور الشقوق في اختبارات التعب. وهو يتيح الكشف عن الشقوق التقنية ورصد انتشار الكراك (علي سبيل المثال ، لتحديد معدلات انتشار الكراك في اختبارات التعب). وتسهل الطبيعة التوضيحية للنتائج تفسيرها وتقييمها. وتنطبق هذه التقنية علي أجهزه اختبار الرنين ذات ترددات التحميل العالية دون مقاطعه الاختبارات. القياسات مؤتمتة بالبالكامل ، لذا لا حاجه للاشراف المستمر. وهو ينطبق علي العينات الملحومة التي تقدم هندسه معقده نسبيا في المنطقة ذات الاهتمام. علي العينات علي نطاق صغير ، فانه يسمح تغطيه العرض كله من العينة. وعلاوة علي ذلك ، يتميز الاجراء بالاعداد البسيط والمعالجة الاساسيه للبريد ، مما يجعله بديلا عمليا للأساليب الموجودة.
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
بتمويل من المؤسسة المانيه للبحوث والبحوث (DFG) ، 485/4-1 EH.
Materials
| ARAMIS 5M | gom | DIC system including two 5 megapixel cameras and control unit | |
| ARAMIS | gom | v6.3.1-2 | DIC software |
| Calibration object | gom | CP 20 | MV 30 x 24 mm2 |
| Camera objectives, 50 mm | Titanar 2.8 / 50 | ||
| Hydraulic Wedge Grip | MTS | 647.25A02 | |
| Hydraulic Grip Supply | MTS | 685.10 | 10,000 Psi |
| LED lights | Diana LEDscale | KSP0495-0001A | 4 x 16 W LED lights |
| Polarization filters | Schneider-Kreuznach | 52,0 AUF (2 x for cameras) | |
| Polarization filters | Schneider-Kreuznach | 67,0 AUF (4 x for lights) | |
| Resonance testing machine | Schenck | 200 kN resonance testing machine | |
| Resonance testing machine control unit | Rumul | v 2.5.3 | Resonance testing machine control unit and software |
| Spray paint | Black and white spray paint, matt |
Referências
- Belloni, V., et al. Digital image correlation from commercial to FOS software: a mature technique for full-field displacement measurements. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. XLII-2, 91-95 (2018).
- Shrama, K., Clarke, A., Pullin, R., Evans, S. L. Detection of cracking in mild steel fatigue specimens using acoustic emission and digital image correlation. 31st Conference of the European Working Group on Acoustic Emission. , (2014).
- Carroll, J. D., Abuzaid, W., Lambros, J., Sehitoglu, H. High resolution digital image correlation measurements of strain accumulation in fatigue crack growth. International Journal of Fatigue. 57, 140-150 (2013).
- Malitckii, E., Remes, H., Lehto, P., Bossuyt, S. Full-field strain measurements for microstructurally small fatigue crack propagation using digital image correlation method. Journal of Visualized Experiments. (143), e59134 (2019).
- Rabbolini, S., Beretta, S., Foletti, S., Cristea, M. E. Crack closure effects during low cycle fatigue propagation in line pipe steel: An analysis with digital image correlation. Engineering Fracture Mechanics. 148, 441-456 (2015).
- Carroll, J. D., et al. Multiscale analysis of fatigue crack growth using digital image correlation. Proceedings of the XIth International Congress and Exposition on Experimental and Applied Mechanics. , (2008).
- Durif, E., Fregonese, M., Rethore, J., Combescure, A. Development of a digital image correlation controlled fatigue crack propagation experiment. EPJ Web of Conferences. 6, 31012 (2010).
- Maletta, C., Bruno, L., Corigliano, P., Crupi, V., Guglielmino, E. Crack-tip thermal and mechanical hysteresis in Shape Memory Alloys under fatigue loading. Materials Science & Engineering A. 616, 281-287 (2014).
- Rupil, J., Roux, S., Hild, F., Vincent, L. Fatigue microcrack detection with digital image correlation. The Journal of Strain Analysis for Engineering Design. 46 (6), 492-509 (2011).
- Risbet, M., Feissel, P., Roland, T., Brancherie, D., Roelandt, J. M. Digital image correlation technique: application to early fatigue damage detection in stainless steel. Procedia Engineering. 2, 2219-2227 (2010).
- Tavares, P. J., Ramos, T., Braga, D., Vaz, M. A. P., Moreira, P. M. G. P. SIF determination with digital image correlation. International Journal of Structural Integrity. 6 (6), 668-676 (2015).
- Hasheminejad, N., et al. Digital image correlation to investigate crack propagation and healing of asphalt concrete. Proceedings of the 18th International Conference on Experimental Mechanics. , (2018).
- Poncelet, M., et al. Biaxial high cycle fatigue of a type 304L stainless steel: cyclic strains and crack initiation detection by digital image correlation. European Journal of Mechanics / A Solids. 29 (5), 810-825 (2010).
- Corigliano, P., et al. Fatigue assessment of Ti-6Al-4V titanium alloy laser welded joints in absence of filler material by means of full-field techniques. Frattura ed Integrità Strutturale. 43, 171-181 (2018).
- Corigliano, P., Crupi, V., Guglielmino, E., Sili, A. M. Full-field analysis of AL/FE explosive welded joints for shipbuilding applications. Marine Structures. 57, 207-218 (2018).
- Koster, M., Kenel, C., Lee, W., Leinenbach, C. Digital image correlation for the characterization of fatigue damage evolution in brazed steel joints. Procedia Materials Science. 3, 1117-1122 (2014).
- Vanlanduit, S., Vanherzeele, J., Longo, R., Guillaume, P. A digital image correlation method for fatigue test experiments. Optics and Lasers in Engineering. 47, 371-378 (2009).
- Lorenzino, P., Beretta, G., Navarro, A. Application of Digital Image Correlation (DIC) in resonance machines for measuring fatigue crack growth. Frattura ed Integrità Strutturale. 30, 369-374 (2014).
- Kovárík, O., et al. Resonance bending fatigue testing with simultaneous damping measurement and its application on layered coatings. International Journal of Fatigue. 82, 300-309 (2016).
- Kovárík, O., et al. Fatigue crack growth in bodies with thermally sprayed coating. Journal of Thermal Spray Technology. 25 (1-2), 311-320 (2016).
- Friedrich, N., Ehlers, S. A simplified welding simulation approach used to design a fatigue test specimen containing residual stresses. Ship Technology Research. 66 (1), 22-37 (2019).
- Grédiac, M., Hild, F. . Full-field measurements and identification in solid mechanics. , (2013).
