基于磁記憶技術(shù)的鐵磁性材料早期損傷診斷方法研究.pdf

1、無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)于保障設(shè)備可靠運(yùn)行及人身安全具有重要意義。隨著現(xiàn)代設(shè)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(jī)械結(jié)構(gòu)和設(shè)備失效的各種微觀缺陷和局部應(yīng)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(duì)于傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法來(lái)說(shuō)卻無(wú)能為力。新興的金屬磁記憶技術(shù),被認(rèn)為在早期損傷檢測(cè)方面極富開(kāi)發(fā)潛力,但目前對(duì)鐵磁構(gòu)件早期損傷的磁記憶檢測(cè)機(jī)理和方法還缺乏相應(yīng)的系統(tǒng)研究。
　　本文通過(guò)對(duì)金

2、屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)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(dá)到盡早發(fā)現(xiàn)構(gòu)件損傷、提前預(yù)防失效的目的。首先探討了磁記憶技術(shù)用于應(yīng)力狀態(tài)和疲勞損傷檢測(cè)的可行性,進(jìn)而圍繞鐵磁性材料早期損傷檢測(cè)這一核心,從靜載和疲勞拉伸試驗(yàn)研究、塑性范圍內(nèi)的磁機(jī)械效應(yīng)模型構(gòu)建、面向早期疲勞損傷的磁場(chǎng)畸變建模等幾個(gè)方面,較系統(tǒng)地研究了鐵磁構(gòu)件早期損傷的磁記憶檢測(cè)問(wèn)題。具體來(lái)說(shuō),本論文主要在以下幾個(gè)方面展開(kāi)了探索和研究:
　　基于有

3、效場(chǎng)理論和接近原理,詳細(xì)推導(dǎo)了單向應(yīng)力作用下鐵磁性材料的磁機(jī)械效應(yīng)模型,數(shù)值模擬了地磁場(chǎng)下磁化強(qiáng)度隨應(yīng)力的變化關(guān)系,表明應(yīng)力致磁場(chǎng)的變化是一個(gè)由初始磁狀態(tài)不斷向非滯后磁化強(qiáng)度接近的過(guò)程。通過(guò)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn),跟蹤了磁信號(hào)在旋轉(zhuǎn)一周不同位置的變化,發(fā)現(xiàn)與受檢對(duì)象的實(shí)際應(yīng)力-變形狀態(tài)一致;同時(shí)研究了磁記憶信號(hào)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(guān)性。
　　在對(duì)磁記憶技術(shù)用于早期損傷可行性研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)未退磁平板試

4、件和退磁平板試件的靜載拉伸試驗(yàn),研究了加載過(guò)程中磁記憶信號(hào)的演變規(guī)律,分別提出了識(shí)別彈塑性不同變形階段的磁信號(hào)特征;結(jié)合接近原理,分析了不同初始剩磁狀態(tài)對(duì)應(yīng)力致磁場(chǎng)變化的影響及原因,可為以后磁記憶檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)制定提供參考。通過(guò)拉-拉疲勞試驗(yàn),研究了磁記憶信號(hào)隨循環(huán)周次的變化規(guī)律,提出表征疲勞損傷的關(guān)鍵參量為應(yīng)力集中區(qū)磁場(chǎng)梯度,基于建立的損傷變量模型計(jì)算結(jié)果與動(dòng)態(tài)疲勞過(guò)程中四個(gè)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(jìn)的磁機(jī)械效應(yīng)模型,得到磁化強(qiáng)度隨應(yīng)變之間的變化關(guān)系。針對(duì)目前磁機(jī)械效應(yīng)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(dǎo)出適用范圍更廣的磁化強(qiáng)度與有效場(chǎng)之間的關(guān)系模型。模型中考慮了參數(shù)釘扎系數(shù)和有效場(chǎng)度量系數(shù)在塑性范圍內(nèi)為位錯(cuò)密度的函數(shù);塑性階段加載時(shí)的有效場(chǎng)公式中明確區(qū)分了彈性變形和塑性變形所引起有效場(chǎng)分量的不同,而卸載后的有效場(chǎng)則要包括殘余應(yīng)力產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)。通過(guò)對(duì)改進(jìn)模型的數(shù)值模擬,結(jié)果表明在較小塑性變形時(shí)磁化

6、強(qiáng)度會(huì)發(fā)生急劇變化;基于光滑平板退磁試件的靜拉伸試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在線卸載時(shí)的磁記憶信號(hào)在屈服時(shí)產(chǎn)生突變。理論計(jì)算結(jié)果很好地吻合實(shí)驗(yàn)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(cè)問(wèn)題。
　　采用XH-500現(xiàn)場(chǎng)金相顯微鏡加DIG300專用數(shù)字?jǐn)z像頭并同步配合磁記憶檢測(cè)裝置建立了顯微疲勞試驗(yàn)系統(tǒng),應(yīng)用磁記憶顯微疲勞觀測(cè)試驗(yàn)方法,對(duì)45＃鋼試件進(jìn)行了拉-拉疲勞試驗(yàn),在細(xì)觀尺度上動(dòng)態(tài)觀察了疲勞短裂紋萌生和擴(kuò)展的演化過(guò)程,通過(guò)維氏硬度測(cè)

7、試得到顯微硬度在整個(gè)疲勞過(guò)程中的變化規(guī)律。同時(shí)分析了V型缺口處表面磁記憶信號(hào)隨循環(huán)周次的變化,研究了不同裂紋尺寸下對(duì)應(yīng)的磁信號(hào)曲線分布規(guī)律,進(jìn)而確定了早期疲勞損傷的磁記憶信號(hào)特征。在此基礎(chǔ)上，基于塑性區(qū)位錯(cuò)密度線性分布的假設(shè),提出應(yīng)用帶磁偶極子模型等效應(yīng)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(chǎng)分布模型。分別對(duì)漏磁場(chǎng)切向分量和法向分量進(jìn)行了數(shù)值模擬,提出了用于表征損傷程度和范圍的兩個(gè)關(guān)鍵參量分別為漏磁場(chǎng)切向分量的峰值Hxp