基于磁記憶技術的鐵磁性材料早期損傷診斷方法研究.pdf

1、無損檢測技術對于保障設備可靠運行及人身安全具有重要意義。隨著現(xiàn)代設備正日益向高載、高速、高溫、高壓的方向發(fā)展,為了防止突發(fā)性事故的發(fā)生,早期發(fā)現(xiàn)引起機械結構和設備失效的各種微觀缺陷和局部應力集中就顯得尤為重要,而這些在宏觀裂紋或缺陷產(chǎn)生之前的隱性損傷對于傳統(tǒng)的無損檢測方法來說卻無能為力。新興的金屬磁記憶技術,被認為在早期損傷檢測方面極富開發(fā)潛力,但目前對鐵磁構件早期損傷的磁記憶檢測機理和方法還缺乏相應的系統(tǒng)研究。
　　本文通過對金

2、屬磁記憶檢測技術的研究,找到適用于鐵磁性材料初期塑性變形及早期疲勞損傷診斷的方法,以達到盡早發(fā)現(xiàn)構件損傷、提前預防失效的目的。首先探討了磁記憶技術用于應力狀態(tài)和疲勞損傷檢測的可行性,進而圍繞鐵磁性材料早期損傷檢測這一核心,從靜載和疲勞拉伸試驗研究、塑性范圍內(nèi)的磁機械效應模型構建、面向早期疲勞損傷的磁場畸變建模等幾個方面,較系統(tǒng)地研究了鐵磁構件早期損傷的磁記憶檢測問題。具體來說,本論文主要在以下幾個方面展開了探索和研究:
　　基于有

3、效場理論和接近原理,詳細推導了單向應力作用下鐵磁性材料的磁機械效應模型,數(shù)值模擬了地磁場下磁化強度隨應力的變化關系,表明應力致磁場的變化是一個由初始磁狀態(tài)不斷向非滯后磁化強度接近的過程。通過旋轉彎曲疲勞試驗,跟蹤了磁信號在旋轉一周不同位置的變化,發(fā)現(xiàn)與受檢對象的實際應力-變形狀態(tài)一致;同時研究了磁記憶信號隨循環(huán)次數(shù)的變化特征,表明磁曲線與疲勞損傷之間具有相關性。
　　在對磁記憶技術用于早期損傷可行性研究的基礎上，通過對未退磁平板試

4、件和退磁平板試件的靜載拉伸試驗,研究了加載過程中磁記憶信號的演變規(guī)律,分別提出了識別彈塑性不同變形階段的磁信號特征;結合接近原理,分析了不同初始剩磁狀態(tài)對應力致磁場變化的影響及原因,可為以后磁記憶檢測的標準制定提供參考。通過拉-拉疲勞試驗,研究了磁記憶信號隨循環(huán)周次的變化規(guī)律,提出表征疲勞損傷的關鍵參量為應力集中區(qū)磁場梯度,基于建立的損傷變量模型計算結果與動態(tài)疲勞過程中四個階段不同損傷程度的演化規(guī)律相一致。
　　建立了適用于塑性變

5、形階段的改進的磁機械效應模型,得到磁化強度隨應變之間的變化關系。針對目前磁機械效應模型僅在彈性范圍內(nèi)有效的局限性,從能量守恒的角度出發(fā),推導出適用范圍更廣的磁化強度與有效場之間的關系模型。模型中考慮了參數(shù)釘扎系數(shù)和有效場度量系數(shù)在塑性范圍內(nèi)為位錯密度的函數(shù);塑性階段加載時的有效場公式中明確區(qū)分了彈性變形和塑性變形所引起有效場分量的不同,而卸載后的有效場則要包括殘余應力產(chǎn)生的附加磁場。通過對改進模型的數(shù)值模擬,結果表明在較小塑性變形時磁化

6、強度會發(fā)生急劇變化;基于光滑平板退磁試件的靜拉伸試驗,發(fā)現(xiàn)在線卸載時的磁記憶信號在屈服時產(chǎn)生突變。理論計算結果很好地吻合實驗現(xiàn)象,表明提出的模型可以解決鐵磁性材料的初期塑性變形檢測問題。
　　采用XH-500現(xiàn)場金相顯微鏡加DIG300專用數(shù)字攝像頭并同步配合磁記憶檢測裝置建立了顯微疲勞試驗系統(tǒng),應用磁記憶顯微疲勞觀測試驗方法,對45＃鋼試件進行了拉-拉疲勞試驗,在細觀尺度上動態(tài)觀察了疲勞短裂紋萌生和擴展的演化過程,通過維氏硬度測

7、試得到顯微硬度在整個疲勞過程中的變化規(guī)律。同時分析了V型缺口處表面磁記憶信號隨循環(huán)周次的變化,研究了不同裂紋尺寸下對應的磁信號曲線分布規(guī)律,進而確定了早期疲勞損傷的磁記憶信號特征。在此基礎上，基于塑性區(qū)位錯密度線性分布的假設,提出應用帶磁偶極子模型等效應力集中區(qū)磁疇的定向排列,建立了裂紋尖端塑性區(qū)表面的漏磁場分布模型。分別對漏磁場切向分量和法向分量進行了數(shù)值模擬,提出了用于表征損傷程度和范圍的兩個關鍵參量分別為漏磁場切向分量的峰值Hxp