基于数字红外热成像的金属板材局部颈缩检测新方法

《Journal of Materials Research and Technology》：A new methodology for detecting localized necking using digital infrared thermography in metal sheets

　　

精确检测局部颈缩对于预测金属板材成形中的成形性至关重要。传统方法主要依赖于通过数字图像相关（Digital Image Correlation, DIC）获得的应变准则，这通常成本高昂且复杂。本研究引入了一种新颖的基于温度的方法，利用数字红外热成像（Digital Infrared Thermography, DIT）来识别金属试样中局部颈缩的起始点。所提出的方法分析了沿试样纵向截面的温度增量剖面的第二空间导数（曲率）的时间演化。颈缩起始点通过应用于该曲率演化中颈缩前和颈缩后区域的两条线性回归的交点来估计。研究人员在1.2 mm厚的H240LA-O3高强度钢板材上，以60、80和100 mm/min的位移速率进行了拉伸试验。结果表明，基于温度的方法与基于应变的时间依赖方法吻合良好，颈缩时间估计的最大偏差为1%。这种局部方法为局部颈缩检测提供了一种鲁棒、非接触且成本效益高的替代方案，并具有扩展到其他成形性测试（如Nakajima和Marciniak测试）的强大潜力。

**论文解读：基于数字红外热成像的金属板材局部颈缩检测新方法**

**研究背景与问题**

在汽车和航空航天等现代制造业中，准确预测和控制金属板材的成形性是设计和验证成形工艺的关键挑战。成形极限曲线（Forming Limit Curve, FLC）是评估传统成形过程中成形性的最广泛使用的工业工具，它规定了导致局部颈缩的板面主应变的关键组合。目前，颈缩瞬间和相应极限应变的标准化测定依赖于ISO 12004-2:2008标准，该标准采用基于应变、位置依赖的方法对事后试样进行分析，试图重建颈缩条件。然而，数字图像相关（Digital Image Correlation, DIC）的广泛应用使得基于颈缩过程中应变或位移局部分析的方法更加准确可靠。尽管基于应变的方法仍是检测颈缩的主流，但它们需要复杂且昂贵的光学系统（如DIC）。这种局限性促使研究人员探索替代的非接触技术，这些技术能以较低的实施成本提供可靠结果。这些方法依赖于监测二次变量（而非直接变形测量）来有效表征塑性失稳的演化。在此背景下，声发射（Acoustic Emission, AE）技术已被探索，但存在噪声敏感、耦合问题和复杂的数据处理等限制。因此，红外热成像（Infrared Thermography, IRT）作为一种更可靠的间接监测塑性变形的替代方案而受到关注。Taylor和Quinney的研究表明，成形过程中大部分塑性功转化为热量，产生可测量的温度梯度。这一原理为利用红外热成像检测塑性失稳提供了基础。尽管已有研究探讨了热-力耦合和瞬态热演化，但专门通过数字红外热成像（Digital Infrared Thermography, DIT）检测局部颈缩的研究仍然有限。Maj和Oliferuk提出了一种基于温度阈值的方法，但其结果在较低位移速率下不一致，且阈值强烈依赖于材料热性能和测试应变率，这限制了其通用性。因此，需要一种更通用且基于物理的方法。

**研究内容与意义**

本研究引入并验证了一种新颖的、基于物理的温度方法，用于在金属板材成形测试中利用数字红外热成像（DIT）识别局部颈缩的起始点。该方法通过分析温度增量剖面沿板材纵向截面第二空间导数（曲率）的时间演化，来区分颈缩前后的行为并估计颈缩起始时间。研究人员在H240LA-O3高强度低合金钢板上进行了拉伸试验，位移速率分别为60、80和100 mm/min。所提出的准则成功通过与已建立的基于应变的方法对比验证，在预测颈缩起始方面表现出相当的准确性，最大偏差仅为1%。该局部、非接触的方法为传统基于应变的技术提供了一种鲁棒且成本效益高的替代方案，并具有扩展到其他成形性测试（如Nakajima和Marciniak测试）的潜力。该论文发表在《Journal of Materials Research and Technology》。

**关键技术与方法**

研究人员采用同步数字图像相关（DIC）系统（ARAMIS?，由GOM提供）和数字红外热成像（DIT）系统（InfraTec VarioCAM HD head 600，配备640×480像素非制冷微辐射热计FPA探测器）进行热-力学表征。DIC系统由两个5 MPx CCD相机组成，用于精确测量试样表面应变；DIT系统在7.5–14 μm光谱范围内工作，用于测量温度场。试样涂层采用哑光喷漆以提供稳定高发射率表面（约0.9）。测试在Instron 1196拉伸试验机上进行，位移速率分别为60、80和100 mm/min。通过商业解决方案实现DIC与DIT系统的同步，并采用可变采样策略（初始4帧/秒，塑性局部化阶段增至15帧/秒）。通过Python脚本实现应变场与温度场的关联。关键方法包括：对温度增量剖面沿通过最大应变点（Point A）的纵向截面进行高斯拟合，计算峰值的第二空间导数（曲率）；然后对第二空间导数随时间演化曲线中的颈缩前和颈缩后区域分别进行线性回归，通过两条回归线的交点估计颈缩起始时间。回归质量通过残差标准差（RSE）和决定系数（R2）阈值控制（颈缩前RSE<0.02，颈缩后R2>0.95）。

**研究结果**

**全局热-力学表征**：通过名义应力-应变曲线和温度增量演化展示了材料行为。在弹性阶段观察到热弹性冷却效应，随后塑性变形导致温度逐渐升高。在扩散颈缩（对应UTS）后，局部温度增量（ΔT_{Point A}）与平均温度增量（ΔT_mean）开始偏离。在局部颈缩起始后，变形和热量集中在窄带内，直至断裂。应变和温度分布图显示，温度局部化区域略宽于应变局部化区域，这是由于热传导平滑了梯度。

**局部热-力学表征**：采用基于应变的t-d方法（Martínez-Donaire等提出）作为参考，通过分析沿破裂截面多点的主应变及其时间导数来确定颈缩起始时间（t_neck）和极限主应变（ε₁）。结果显示，各测试组极限应变高度一致（最大偏差<6%），颈缩时间有轻微分散（最大差<18%）。与应变不同，温度增量在测试中持续上升，无法直接识别出颈缩边界点（Point B），因此不能直接将t-d方法扩展到温度框架。

**基于温度的方法**：基于塑性变形中热源的作用（长程均匀变形、中程扩散颈缩、短程局部颈缩），提出通过温度增量剖面的曲率来量化局部塑性失稳。对温度增量剖面进行高斯拟合，计算峰值的第二空间导数（κ = ?2ΔT/?x2）。该κ随时间演化曲线在颈缩前斜率平缓，颈缩后斜率陡峭。通过线性回归拟合颈缩前和颈缩后区域，两条回归线的交点即为估计的颈缩起始时间t_neck。该方法在60、80、100 mm/min位移速率下均成功应用，并与基于应变的方法进行对比：颈缩时间最大偏差为1%，极限应变最大偏差为6.5%。所有测试中，颈缩前RSE<0.02，颈缩后R2>0.95，确保了回归鲁棒性。

**讨论**

本研究证明了使用数字红外热成像（DIT）建立基于温度的方法来估计拉伸测试中局部颈缩起始的可行性。目前DIT与DIC联合使用用于验证，但DIT通常比DIC系统成本更低，因此研究目标是在不依赖DIC的情况下开发替代方法。初步替代方案（如Palomo等的工作）已显示，可通过在试样上标记规则圆形图案并使用标准可见光CCD相机记录其演化来评估极限应变。此外，热传导对方法应用有影响：高导热性材料（如铜、铝合金）会降低温度梯度空间分辨率，但Maj和Oliferuk在PA6铝合金板上的结果表明仍有足够分辨率；低导热性材料（如不锈钢、钛合金）则增强梯度，有利于检测。应变/位移速率也会影响温度上升和梯度，高速率下散热时间短，有利于方法应用。

**结论**

本研究引入了一种基于温度的方法，利用数字红外热成像（DIT）检测金属板材成形中的局部颈缩起始点。该方法通过分析沿试样纵向截面温度增量剖面峰值的第二空间导数（曲率）的时间演化，并利用颈缩前和颈缩后区域的线性回归交点估计颈缩起始时间。主要发现如下：
- 红外热成像有效表征了拉伸加载过程中的热-力学行为。
- 基于温度的方法与基于应变的时间依赖方法吻合良好，颈缩时间估计最大偏差为1%，极限应变估计最大偏差为6.5%。
- 该方法关注局部热梯度而非全局平均值，增强了其在不同成形场景中的适用性。
当前的局部基于温度的方法为评估金属板材局部颈缩导致的成形性提供了一种鲁棒且成本效益高的替代方案。