基于疲劳损伤的磁记忆适应性及微观裂纹扩展机理研究

摘要

金属磁记忆方法产生于20世纪90年代,是一门新兴的无损检测方法,虽然目前对该方法的应用涉及到了很多行业,但是还没有一套正确合理的评定标准可依据,特别是缺乏对工程结构早期缺陷磁记忆信号及其磁导数的定量描述。本课题来源于国家“十一·五”科技支撑计划课题的子课题,围绕“高周疲劳过程中的磁记忆信号特征”的核心问题,从宏观与微观的结合点上探索了磁记忆方法在工程中的适用性。现有研究大都关注于“宏观磁信号畸变.表面微观变化”的关系问题,本文则利用“低温脆断”试验方法,致力于研究“宏观磁信号畸变-表面微观裂纹观察-断口实际裂纹观察”三者之间的关系。最终提供了磁记忆技术对于诊断工程结构“早期内部缺陷”的具象证据,并进一步证明了本文提出的“临界断裂磁导数”概念的工程适用性。
　　 具体而言,本课题采用Q235及X70材料进行疲劳试验,通过对光滑试样在疲劳过程中制造“早期缺陷”,探索磁信号特征与微观金相组织的对应关系。成功采用低温脆断的试验方法,得到带有早期缺陷裂纹的脆性断口并与磁信号的畸变位置对应起来,为磁记忆检测的可行性寻找有力的微观证据。
　　 结果表明:1)“临界断裂磁导数”是试件早期内部缺陷产生的重要表征,在工程应用中可量化材料起裂判别标准;2)本文利用“低温脆断”试验方法,研究了“宏观磁信号畸变-表面微观裂纹观察-断口实际裂纹观察”三者之间的关系,提供了磁记忆技术对于诊断工程结构“早期内部缺陷”的具象证据,进一步证明了“临界断裂磁导数”概念的工程适用性;3)磁信号对于早期内部裂纹尺寸的敏感程度大约处于1-2毫米级别。早期缺陷起裂位置(裂纹源)多发生在构件表面,且起裂于表面“平滑处”与“尖角处”的几率相当,并以此处为源头产生细密的“年轮状”疲劳辉纹,呈现典型的“半椭圆形”模式;4)当铁磁构件表面未见宏观裂纹而磁信号产生畸变时,其内部可能已出现工程裂纹,磁记忆方法此时可以有效的检测到工程裂纹所在的位置,其早期诊断功能可对工程潜在失效危险进行预检测,随后可通过超声波等无损检测方式精确判断裂纹所在位置。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状

1.3 课题研究目的和意义

1.4 存在的问题及课题特色

1.5 研究思路

1.6 研究内容、方法及创新点

1.6.1 研究内容及方法

1.6.2 创新点

第2章 金属磁记忆检测理论

2.1 物质磁性的分类及来源

2.1.1 物质磁性的来源

2.1.2 物质磁性的分类

2.2 铁磁性物质的基本特点

2.2.1 铁磁性物质的自发磁化

2.2.2 磁畴理论概述

2.3 铁磁工件的磁弹性效应

2.3.1 磁致伸缩

2.3.2 磁弹性效应

2.4 金属磁记忆检测的原理

2.4.1 磁记忆效应

2.4.2 磁记忆检测的原理

2.4.3 应力集中区的基本特征

第3章 研究思路及方法概述

3.1 研究内容及思路

3.2 试样制备及材料力学性能

3.2.1 试样制备

3.2.2 材料力学性能

3.3 试验设备及方案

3.3.1 试验设备

3.3.2 试验方案

3.4 材料的疲劳

3.4.1 疲劳破坏

3.4.2 疲劳寿命

3.5 低温脆断试验

3.5.1 脆断的目的

3.5.2 低温脆断的基本理论

3.5.3 低温脆断试验方法说明

3.6 断口微观金相分析

3.6.1 微观金相分析的意义

3.6.2 研究思路与方法

第4章“磁信号畸变-早期缺陷产生”对应性研究

4.1 Q235材料“磁信号畸变-早期缺陷产生”对应性研究

4.1.1“疲劳断裂”磁记忆信号与断裂特征分析

4.1.2“低温脆断”磁记忆信号与断裂特征分析

4.2 X70材料“磁信号畸变-早期缺陷产生”对应性研究

4.3 磁记忆曲线特征分析

4.4“临界断裂磁导数”统计分析

第5章“磁信号畸变点”微观特征分析

5.1 缺陷尺寸测量

5.2 疲劳断口裂纹特征分析

5.2.1 Q235试样疲劳断口裂纹特征分析

5.2.2 X70试样疲劳断口裂纹特征分析

5.3 疲劳裂纹扩展模式研究

5.4 微观表面可见裂纹与断口实际裂纹关系研究

5.5 综合分析讨论

结论

参考文献

附录1:试样显微镜及电镜观察结果

攻读学位期间发表的学术论文

致谢