铁磁材料应力和缺陷的微磁检测定量化研究

摘要

钢铁等金属合金是国民经济各个行业中广泛应用的重要材料，其在制备和使用中形成的损伤会影响到工程结构的使用安全，甚至引发灾难事故。微磁检测方法，又称磁记忆检测技术，理论上可以对钢铁等铁磁性材料的早期损伤进行预警,避免损伤发展而引发的恶性事故，保障工程结构和人民生命财产的安全。由于微磁检测的定量化研究不充分，导致该方法仅应用于危险区域位置的标定，其早期损伤定量预警的作用未被充分发挥。本论文针对铁磁材料应力和缺陷的微磁检测定量化问题开展研究。
　　(1)针对微磁检测中涉及的铁磁材料力磁耦合机理开展研究。基于热力学原理分析了应力状态对微观磁畴的影响，建立铁磁材料的理想磁化本构关系，并结合接近原理建立了微弱磁场下铁磁材料的应力磁化本构关系。分析了微弱磁场下中碳钢的应力磁化性质，本构关系的预测结果相比于已有本构关系与实验测量值十分吻合。分析了初始磁化状态、循环载荷、退磁效应等对应力磁化行为的影响。定量研究发现对于不同的初始磁化条件，磁化强度随应力的增大总是逐渐向理想磁化强度靠近。理论研究表明铁磁材料的首次循环加载消除了大量的不可逆磁化；应力磁化过程在循环加载作用会出现应力回路现象。退磁效应增大了材料磁化的难度，削弱了材料的应力磁化现象。
　　(2)利用弹性力学理论、静磁学理论和力磁耦合关系，建立了微弱磁场下铁磁材料应力和缺陷的微磁检测非线性正演模型。建立的正演模型可以准确描述多种铁磁材料表面微磁信号的基本特征，可以描述载荷大小、损伤尺寸、提离值等对微磁信号的影响。定量研究表明：弹性阶段，光滑试件和损伤试件表面微磁信号强度随载荷的增大而增大，微磁信号特征值中的水平分量峰谷差值和法向分量峰谷差值随缺陷尺寸和载荷大小的增大而增大；提离值的改变并不影响微磁信号的形貌，但微磁信号的非线性变化程度随着提离值的增大而逐渐减弱。此外，对含应力集中区情形的铁磁材料表面微磁信号进行理论分析，证实利用微磁检测对应力集中区早期损伤进行判定的可能性。
　　(3)针对微磁检测中应力和缺陷的定量化问题开展研究。应力和缺陷的定量化分析属于反问题研究，对微磁检测反问题进行了详细描述，确定了反问题中所需要优化的目标函数，建立了基于共轭梯度反演的缺陷重构方法。在迭代过程中运用精确线搜索算法使得线估计的搜索范围随着估计值和梯度自适应的改变，使反演方法可以处理带约束条件的反问题。结合实验信号对圆孔形缺陷的尺寸及位置等进行定量分析，证实利用微磁信号对缺陷定位和定量判定的有效性。使用微磁信号正演模型结果作为预测信号，证实利用微磁信号对表面矩形裂纹、表面应力集中区、

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.2研究现状

1.3论文框架

第二章 微磁检测的应力磁化本构关系

2.1本构关系的建立

2.2定量分析与讨论

2.3三维本构关系的建立

2.4本章小结

第三章 微磁检测的正演分析

3.1理论模型的建立

3.2理论模型的对比与验证

3.3定量分析与讨论

3.4正演分析的磁荷方法

3.5本章小结

第四章 微磁检测的缺陷反演方法

4.1反问题描述

4.2反演算法

4.3定量分析与讨论

4.4反演精度的影响因素

4.5本章小结

第五章 微磁检测的动态效应

5.1本构关系的建立

5.2定量分析与讨论

5.3微磁检测的动态效应

5.4本章小结

第六章 总结和展望

参考文献

致谢

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