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摘要：综合利用红外热成像技术和疲劳断口分析技术检测CFRP板加固钢板疲劳试验中的疲劳裂纹扩展取得了很好的效果。红外热成像技术通过分析裂尖温度场来探测裂纹的扩展，无法检测CFRP板覆盖下的裂纹。为此，采用变应力幅循环荷载可以形成规则的疲劳条纹，然后根据断口上疲劳辉纹与裂纹扩展速率和应力强度因子幅的关系，得到在CFRP板下的裂纹扩展速率。疲劳试验结果表明：红外热成像可以得到很精确的应力分布图及裂尖位置，从而准确测定裂纹长度；变应力幅循环荷载形成很清晰的疲劳裂纹条带，可以测量得到裂纹长度和扩展速率。两种方法的相互配合使用在试验中取得到了很好的效果。
关键词：无损检测，疲劳裂纹，CFRP加固钢板，热成像技术，断口分析
精确地测定疲劳裂纹长度的重要性在于裂纹长度是评定材料断裂力学性能的重要试验参数。应用无损检测技术（NDT）检测疲劳裂纹越来越广泛，如磁粉、渗透、超声、射线和电磁等检测技术。特别是近年来，红外热波成像检测技术得到了很大发展，它采用红外热像仪连续观测和记录物体表面的温场变化，并对序列热图结果进行运算和处理，以实现对物体内部异性结构的探测和定量表征。具有精确度高，实时连续监测，不需要对试件进行预处理，不对结构受力行为产生影响等优点。
同时疲劳辉纹与裂纹扩展速率之间的关系已取得了很多可以实际运用的成果，利用疲劳断口的特征形貌来定量的得到疲劳裂纹长度，裂纹扩展速率，疲劳寿命，甚至估计疲劳荷载及材料的循环疲劳断裂韧性都成为可能。
CFRP板加固钢结构疲劳裂纹是一项很有前景的新兴加固技术，需要大量的疲劳试验来研究加固结构疲劳裂纹的扩展问题，利用合适的疲劳裂纹检测手段是非常重要的。本文在CFRP板粘贴加固双边缺口钢板轴心受拉疲劳试验中，考虑到在CFRP板覆盖下的钢板温度变化，红外热像仪无法探测，同时在裂纹萌生阶段无法应用疲劳断口分析。因此结合采用红外热波成像检测技术和金属疲劳断口分析各自的优势来检测疲劳裂纹。
1理论分析
1.1热成像技术
红外热波成像检测技术是建立在电磁辐射和热传导理论基础上的一门无损探伤技术，主要是根据被探测物体的温度场来确定缺陷的存在和形状。因此，其在数学上是求解与导热问题有关的微分方程的几何反问题，即根据红外信号重建缺陷信息。反问题求解的输入为材料参数、加热参数、温度空间分布以及温度随时间的变化；输出为缺陷尺寸及位置信息。
紅外无损检测按照检测方式可以分为主动式和被动式两大类。主动式检测是利用外部热源作为激励源对试件加热，利用红外热像仪获得不同时刻试件表面的温度分布，以检测材料的内部是否存在缺陷；被动式检测则是利用试件自身的温度分布来检测试件内部的缺陷。
在无其他外界和内部热源条件下，对受疲劳荷载的金属材料由热力学可得式（1）。如图1 所示，在疲劳试验中，在循环拉应力作用下，试件中的疲劳裂纹尖端会产生应力集中效应，其应力值将比周围高出几倍，相应的应力幅也会高出几倍，通过红外热像仪来探测这些温度变化值，然后通过相关软件程序的分析，就可以得到应力集中点即裂尖位置。每循环一定次数用红外热像仪探测一次，通过不同的裂尖位置来确定裂纹长度和扩展情况。
在已检测到裂纹长度在循环次数 作用下由 扩展到 情况下， 中点的裂纹扩展速率可用下式计算：
1.2 疲劳断口分析
疲劳辉纹的宽度和数量是循环荷载水平和循环次数的函数。同时断裂力学分析也认为，宏观疲劳裂纹扩展速率（ ）是裂纹应力强度因子幅的函数。对于普通结构钢，在高周疲劳情况下（裂纹扩展速率数量级在10-4 -10-3mm/cycle），疲劳断口上辉纹的数目和载荷循环次数是一一对应的，辉纹的宽度也将随应力水平和裂纹长度的增加而增加。在此情况下，由断口不同部位上的辉纹宽度计算出的微观裂纹扩展速率可视为与宏观力学试验中测定出的宏观裂纹扩展速率是一致的。因此可借助于断口上的辉纹宽度对试件的疲劳断裂寿命进行估算。
精确测量每次循环产生的疲劳辉纹的宽度是非常困难的，所以一般会测量一定循环次数下的裂纹长度增量，然后求得疲劳辉纹宽度，进而得到裂纹扩展速率。由Paris公式（式3）可以知道，裂纹扩展速率跟应力强度因子幅有关，那么在不同的应力强度因子幅和不同的循环荷载次数作用下，裂纹长度增量是不同的，表现在疲劳断口上就是不同的宏观疲劳辉纹条带，如图2所示， 是疲劳裂纹原始长度，在不同应力幅 和 ，循环次数NA和NB作用下，产生了不同的宏观疲劳辉纹宽度 ， ， 。
在不同的裂纹扩展段，裂纹扩展速率可以用下式计算：
在疲劳试验中根据经验一般取 = /2， 为试验的应力幅，NA=3000-5000，NB= NA/2。疲劳长度增量 ， ， 相对于初始裂纹长度 都很小，跟应力幅相比，它们对裂纹扩展速率是很小的，为计算方便可以忽略。由此可以得到：
一般情况下m=3， 一般在5mm以下， 和 均为 /16，那么它们在疲劳断口中会变成一条可以忽略宽度的细线，只要测量细线之间的宽度，即可认为是 的值，从而得到了在 处裂纹扩展速率为：
2试验研究
2.1 试验设置
试验设置如图3所示，试验构件是受拉的双面粘贴CFRP的10mm厚钢板，钢材型号为欧洲标准S355（相当于中国标准Q345D），中间有两个缺口均长30mm，圆孔直径10mm。CFRP板是S&P公司提供的Laminate 200/2000，宽50mm，长800mm，厚1.4mm，两端各预留200mm作为锚固段。
试件类型分为三类：1）钢板试件；2）CFRP板粘贴钢板构件；3）预应力CFRP板粘贴钢板构件（CFRP板控制张拉应力1000MPa）。远场荷载应力幅 为80MPa，应力比为0.4。所用加载频率为15Hz。 试验的步骤是：1）对于钢板构件，采用恒幅加载 ，利用红外热像仪（FLIR Phoenix， 640×512 InSb detector，具有0.01℃的温度分辨率），每隔4500循环次数对缺口位置摄像一次。
2）对于粘贴CFRP板的钢板试件，采用如图2所示变幅加载，在一个循环阶段中取 。同时利用红外热像仪，每隔4500循环次数对缺口位置摄像一次。图4，5中三角形指向为拉应力方向。
在实际测量过程中，热成相技术测量裂纹长度精度可以达到0.0001mm， 而断口分析可以达到0.01mm，这对疲劳裂纹长度的测量已经足够。
图3 试验构件尺寸图和设置图
2.2热成像技术检测裂纹
图4，5为在裂纹扩展阶段试件的温度分布图，也即应力分布图。可以从中清晰的看出应力分布，裂纹裂尖位置及其在疲劳荷载作用下的扩展情况。只要检测出不同图片之间的裂尖位置即可得到裂纹的扩展长度。在图5中，试件中间较暗部分为CFRP板，当裂纹扩展经过CFRP板边缘后，红外热像仪就无法探测到其温度变化，在这以后就需要进行疲劳断口分析。同时随着裂纹的扩展，裂尖的塑性区范围也在不断增大，当全截面进入屈服阶段后，试件会迅速破坏。粘贴CFRP板改善了钢板应力分布，增加了钢板的临界裂纹长度，从而提高了其疲劳寿命。
图4 钢板试件疲劳裂纹裂尖温度演化图（Nf为总疲劳寿命）
图5 CFRP板粘贴钢板试件疲勞裂纹裂尖温度演化图（Nf为总疲劳寿命）
2.3疲劳断口分析
如图6 所示，各疲劳断口平齐，且与拉应力方向垂直。在疲劳裂纹扩展段，钢板厚度没有发生明显的收缩，但在最后断裂区则有明显的厚度收缩，且收缩段随着粘贴CFRP板，预应力CFRP板后不断减少。
图6 试件断口对比分析
如图6 a ）中，恒幅疲劳荷载作用的纯钢板试件只能观察到金属晶粒由细到粗逐渐变化，没有出现变幅荷载试件断口中的宏观疲劳条纹带。
如图6 b）和c）中由于在裂纹扩展的前一阶段，由于裂纹扩展速率很小，无法形成很清晰的宏观疲劳条带，但慢慢就会出现非常规则的条纹带，断口上细线即为 作用的疲劳条纹带，细线间疲劳条纹带为 作用的裂纹扩展段，与理论分析是一致的。同时可以通过疲劳辉纹走向来判断疲劳起源点，而在a ）中则很难判断了。同时b）和c）中在相同位置宏观条纹宽度是不一样的，从中可以看到预应力对疲劳裂纹扩展的影响。
图7分别为纯钢板试件（热成像仪测得）和粘贴CFRP板钢板试件（疲劳断口分析得到）疲劳裂纹扩展速率和疲劳裂纹长度关系。所测得的裂纹扩展速率数据数量级基本上在10-4 -10-3mm/cycle之间，用断口上疲劳条纹带来计算分析裂纹扩展速率是在工程应用上足够精确的。
图7 疲劳裂纹扩展速率和疲劳裂纹长度关系试验结果
对于粘贴CFRP板的试件，两种测试手段在裂纹扩展至CFRP板边缘前的一段长度里均能检测到裂纹，如图6所示，表1为在这段裂纹长度上两种方法所得的裂纹扩展速率。两者结果之间的差距在15%以下，精确度是满足工程需要的。虽然这只是在有限的裂纹扩展段上的结果，但仍能在一定程度上反映这两种方法的实用性。
表1 两种方法所得裂纹扩展速率比较分析
疲劳裂纹长度（mm） 红外热成相技术（10-4mm/cycle） 断口分析
（10-4mm /cycle） 差值
16.5 3.38983 3.95519 14.30%
17.8 5.08475 4.58466 10.90%
3结论
通过以上理论和试验的综合分析，可以得到以下结论：
1.红外热成像技术和断口分析技术对于检测疲劳试验中的穿透裂纹扩展是有效的方法，可以得到很高的精度，但疲劳裂纹分叉和偏折可能很大程度影响测量结果精度。
2.利用变应力幅形成宏观疲劳裂纹条带分析裂纹扩展，理论简洁，试验容易实现，对疲劳试验是很好的无损探测方法，但其试验参数的选取需要根据试验需要和经验来取。
3.面对越来越复杂的裂纹情况，综合利用各种检测手段，能最大程度发挥各自的优势，得到单一方法无法测得的结果，其相互配合使用值得继续研究。
关键词：无损检测，疲劳裂纹，CFRP加固钢板，热成像技术，断口分析
精确地测定疲劳裂纹长度的重要性在于裂纹长度是评定材料断裂力学性能的重要试验参数。应用无损检测技术（NDT）检测疲劳裂纹越来越广泛，如磁粉、渗透、超声、射线和电磁等检测技术。特别是近年来，红外热波成像检测技术得到了很大发展，它采用红外热像仪连续观测和记录物体表面的温场变化，并对序列热图结果进行运算和处理，以实现对物体内部异性结构的探测和定量表征。具有精确度高，实时连续监测，不需要对试件进行预处理，不对结构受力行为产生影响等优点。
同时疲劳辉纹与裂纹扩展速率之间的关系已取得了很多可以实际运用的成果，利用疲劳断口的特征形貌来定量的得到疲劳裂纹长度，裂纹扩展速率，疲劳寿命，甚至估计疲劳荷载及材料的循环疲劳断裂韧性都成为可能。
CFRP板加固钢结构疲劳裂纹是一项很有前景的新兴加固技术，需要大量的疲劳试验来研究加固结构疲劳裂纹的扩展问题，利用合适的疲劳裂纹检测手段是非常重要的。本文在CFRP板粘贴加固双边缺口钢板轴心受拉疲劳试验中，考虑到在CFRP板覆盖下的钢板温度变化，红外热像仪无法探测，同时在裂纹萌生阶段无法应用疲劳断口分析。因此结合采用红外热波成像检测技术和金属疲劳断口分析各自的优势来检测疲劳裂纹。
1理论分析
1.1热成像技术
红外热波成像检测技术是建立在电磁辐射和热传导理论基础上的一门无损探伤技术，主要是根据被探测物体的温度场来确定缺陷的存在和形状。因此，其在数学上是求解与导热问题有关的微分方程的几何反问题，即根据红外信号重建缺陷信息。反问题求解的输入为材料参数、加热参数、温度空间分布以及温度随时间的变化；输出为缺陷尺寸及位置信息。
紅外无损检测按照检测方式可以分为主动式和被动式两大类。主动式检测是利用外部热源作为激励源对试件加热，利用红外热像仪获得不同时刻试件表面的温度分布，以检测材料的内部是否存在缺陷；被动式检测则是利用试件自身的温度分布来检测试件内部的缺陷。
在无其他外界和内部热源条件下，对受疲劳荷载的金属材料由热力学可得式（1）。如图1 所示，在疲劳试验中，在循环拉应力作用下，试件中的疲劳裂纹尖端会产生应力集中效应，其应力值将比周围高出几倍，相应的应力幅也会高出几倍，通过红外热像仪来探测这些温度变化值，然后通过相关软件程序的分析，就可以得到应力集中点即裂尖位置。每循环一定次数用红外热像仪探测一次，通过不同的裂尖位置来确定裂纹长度和扩展情况。
在已检测到裂纹长度在循环次数 作用下由 扩展到 情况下， 中点的裂纹扩展速率可用下式计算：
1.2 疲劳断口分析
疲劳辉纹的宽度和数量是循环荷载水平和循环次数的函数。同时断裂力学分析也认为，宏观疲劳裂纹扩展速率（ ）是裂纹应力强度因子幅的函数。对于普通结构钢，在高周疲劳情况下（裂纹扩展速率数量级在10-4 -10-3mm/cycle），疲劳断口上辉纹的数目和载荷循环次数是一一对应的，辉纹的宽度也将随应力水平和裂纹长度的增加而增加。在此情况下，由断口不同部位上的辉纹宽度计算出的微观裂纹扩展速率可视为与宏观力学试验中测定出的宏观裂纹扩展速率是一致的。因此可借助于断口上的辉纹宽度对试件的疲劳断裂寿命进行估算。
精确测量每次循环产生的疲劳辉纹的宽度是非常困难的，所以一般会测量一定循环次数下的裂纹长度增量，然后求得疲劳辉纹宽度，进而得到裂纹扩展速率。由Paris公式（式3）可以知道，裂纹扩展速率跟应力强度因子幅有关，那么在不同的应力强度因子幅和不同的循环荷载次数作用下，裂纹长度增量是不同的，表现在疲劳断口上就是不同的宏观疲劳辉纹条带，如图2所示， 是疲劳裂纹原始长度，在不同应力幅 和 ，循环次数NA和NB作用下，产生了不同的宏观疲劳辉纹宽度 ， ， 。
在不同的裂纹扩展段，裂纹扩展速率可以用下式计算：
在疲劳试验中根据经验一般取 = /2， 为试验的应力幅，NA=3000-5000，NB= NA/2。疲劳长度增量 ， ， 相对于初始裂纹长度 都很小，跟应力幅相比，它们对裂纹扩展速率是很小的，为计算方便可以忽略。由此可以得到：
一般情况下m=3， 一般在5mm以下， 和 均为 /16，那么它们在疲劳断口中会变成一条可以忽略宽度的细线，只要测量细线之间的宽度，即可认为是 的值，从而得到了在 处裂纹扩展速率为：
2试验研究
2.1 试验设置
试验设置如图3所示，试验构件是受拉的双面粘贴CFRP的10mm厚钢板，钢材型号为欧洲标准S355（相当于中国标准Q345D），中间有两个缺口均长30mm，圆孔直径10mm。CFRP板是S&P公司提供的Laminate 200/2000，宽50mm，长800mm，厚1.4mm，两端各预留200mm作为锚固段。
试件类型分为三类：1）钢板试件；2）CFRP板粘贴钢板构件；3）预应力CFRP板粘贴钢板构件（CFRP板控制张拉应力1000MPa）。远场荷载应力幅 为80MPa，应力比为0.4。所用加载频率为15Hz。 试验的步骤是：1）对于钢板构件，采用恒幅加载 ，利用红外热像仪（FLIR Phoenix， 640×512 InSb detector，具有0.01℃的温度分辨率），每隔4500循环次数对缺口位置摄像一次。
2）对于粘贴CFRP板的钢板试件，采用如图2所示变幅加载，在一个循环阶段中取 。同时利用红外热像仪，每隔4500循环次数对缺口位置摄像一次。图4，5中三角形指向为拉应力方向。
在实际测量过程中，热成相技术测量裂纹长度精度可以达到0.0001mm， 而断口分析可以达到0.01mm，这对疲劳裂纹长度的测量已经足够。
图3 试验构件尺寸图和设置图
2.2热成像技术检测裂纹
图4，5为在裂纹扩展阶段试件的温度分布图，也即应力分布图。可以从中清晰的看出应力分布，裂纹裂尖位置及其在疲劳荷载作用下的扩展情况。只要检测出不同图片之间的裂尖位置即可得到裂纹的扩展长度。在图5中，试件中间较暗部分为CFRP板，当裂纹扩展经过CFRP板边缘后，红外热像仪就无法探测到其温度变化，在这以后就需要进行疲劳断口分析。同时随着裂纹的扩展，裂尖的塑性区范围也在不断增大，当全截面进入屈服阶段后，试件会迅速破坏。粘贴CFRP板改善了钢板应力分布，增加了钢板的临界裂纹长度，从而提高了其疲劳寿命。
图4 钢板试件疲劳裂纹裂尖温度演化图（Nf为总疲劳寿命）
图5 CFRP板粘贴钢板试件疲勞裂纹裂尖温度演化图（Nf为总疲劳寿命）
2.3疲劳断口分析
如图6 所示，各疲劳断口平齐，且与拉应力方向垂直。在疲劳裂纹扩展段，钢板厚度没有发生明显的收缩，但在最后断裂区则有明显的厚度收缩，且收缩段随着粘贴CFRP板，预应力CFRP板后不断减少。
图6 试件断口对比分析
如图6 a ）中，恒幅疲劳荷载作用的纯钢板试件只能观察到金属晶粒由细到粗逐渐变化，没有出现变幅荷载试件断口中的宏观疲劳条纹带。
如图6 b）和c）中由于在裂纹扩展的前一阶段，由于裂纹扩展速率很小，无法形成很清晰的宏观疲劳条带，但慢慢就会出现非常规则的条纹带，断口上细线即为 作用的疲劳条纹带，细线间疲劳条纹带为 作用的裂纹扩展段，与理论分析是一致的。同时可以通过疲劳辉纹走向来判断疲劳起源点，而在a ）中则很难判断了。同时b）和c）中在相同位置宏观条纹宽度是不一样的，从中可以看到预应力对疲劳裂纹扩展的影响。
图7分别为纯钢板试件（热成像仪测得）和粘贴CFRP板钢板试件（疲劳断口分析得到）疲劳裂纹扩展速率和疲劳裂纹长度关系。所测得的裂纹扩展速率数据数量级基本上在10-4 -10-3mm/cycle之间，用断口上疲劳条纹带来计算分析裂纹扩展速率是在工程应用上足够精确的。
图7 疲劳裂纹扩展速率和疲劳裂纹长度关系试验结果
对于粘贴CFRP板的试件，两种测试手段在裂纹扩展至CFRP板边缘前的一段长度里均能检测到裂纹，如图6所示，表1为在这段裂纹长度上两种方法所得的裂纹扩展速率。两者结果之间的差距在15%以下，精确度是满足工程需要的。虽然这只是在有限的裂纹扩展段上的结果，但仍能在一定程度上反映这两种方法的实用性。
表1 两种方法所得裂纹扩展速率比较分析
疲劳裂纹长度（mm） 红外热成相技术（10-4mm/cycle） 断口分析
（10-4mm /cycle） 差值
16.5 3.38983 3.95519 14.30%
17.8 5.08475 4.58466 10.90%
3结论
通过以上理论和试验的综合分析，可以得到以下结论：
1.红外热成像技术和断口分析技术对于检测疲劳试验中的穿透裂纹扩展是有效的方法，可以得到很高的精度，但疲劳裂纹分叉和偏折可能很大程度影响测量结果精度。
2.利用变应力幅形成宏观疲劳裂纹条带分析裂纹扩展，理论简洁，试验容易实现，对疲劳试验是很好的无损探测方法，但其试验参数的选取需要根据试验需要和经验来取。
3.面对越来越复杂的裂纹情况，综合利用各种检测手段，能最大程度发挥各自的优势，得到单一方法无法测得的结果，其相互配合使用值得继续研究。