基于金属磁记忆法的铁磁材料早期损伤检测与评价的实验研究

摘要

弹性应力集中、微观塑性变形等引起的早期物理性损伤会降低工程材料和结构的承载能力，甚至最终导致灾难性突发事故的发生，因此对其实现有效监测是确保工业运行安全的关键。传统漏磁检测虽然在工程中已得到广泛应用，但这类强磁检测技术不适用于对材料早期损伤的检测。近十几年来发展起来的金属磁记忆检测法是一种被动式弱磁检测技术，通过检测被测对象由于局部应力集中或损伤形成的表面自发漏磁场确定损伤位置及损伤程度。理论上说该方法可能是目前最有希望可以实现对铁磁材料及结构进行早期诊断的无损检测方法。但是由于该方法发展时间较短，影响因素众多，目前在工程应用中只作为确定缺陷可能存在位置的一种初步检测手段，无法提供定量化结果。本文利用金属磁记忆检测技术测试了含孔铁磁材料试样单向拉伸、非铁磁—铁磁和铁磁—铁磁接触下漏磁信号的变化特征，并在分析漏磁信号变化力磁机制的基础上，提出了相应的损伤判据，根据漏磁信号的梯度曲线获得了损伤评价参数;最后进行了数值模拟，并利用实验提出的损伤判据和评价参数，对损伤区的反演进行了初探。主要研究内容包括：
　　⑴针对含孔45号钢试样进行了单向拉伸实验，提出了塑性损伤判据:在应力集中部位，法向漏磁信号发生较明显的波动变化，漏磁梯度出现极值，切向漏磁信号出现一个较为明显的极值，漏磁梯度出现峰—峰值变化并在应力集中的中心位置过零点。
　　⑵开展非铁磁（铜质）圆压头与45号钢试样间的接触实验，提出了接触应力集中的损伤判据:沿垂直于加载方向，法向漏磁信号的梯度值出现极值，同时切向漏磁信号的梯度值出现峰—峰值变化并在应力集中的中心位置过零点。同时开展了铁磁圆压头与45号钢试样间的接触实验，发现其漏磁信号变化特征与铜质圆压头实验完全不同，相应的损伤判据为:法向漏磁信号出现一个极值，漏磁梯度出现峰—峰值变化并在接触区中心位置过零点;切向漏磁信号出现峰—峰值变化并且过零点，漏磁梯度出现极值。
　　⑶开展了非铁磁（铜质）和铁磁平压头与45号钢试样的接触实验。其中铜质和退磁处理的铁磁平压头接触实验中漏磁信号的变化曲线均可看作由相同工况下圆压头的结果叠加而成，因此可参照圆压头的情况建立损伤判据。未退磁处理的铁磁平压头接触的漏磁信号特征则有很大的不同，相应的损伤判据为;法向漏磁信号的曲线斜率出现明显的变化，漏磁的梯度出现两个反向的峰—峰值变化并出现两个过零点;切向漏磁信号出现两个明显的峰值，漏磁的梯度出现一个波峰和一个波谷。
　　⑷由漏磁信号及其梯度曲线均可获得一些特征参量用以评价损伤的情况（包括损伤程度和范围等）。但梯度曲线能够清除外部磁场的影响，且能突出反映损伤局部化的程度。可利用漏磁信号梯度曲线上的峰—峰值、峰—谷值和峰值等参量来评价损伤的局部化程度;相应的峰—峰值宽、峰—谷值宽和峰值过零点的水平间距等参量来评价损伤范围。
　　⑸利用有限元法对含损伤试样的漏磁信号进行了数值分析研究，结果表明:磁记忆检测对发生在试件表面的损伤更敏感;测量中要尽量保证传感器贴合在试件表面;试件方向对漏磁梯度曲线的变化没有影响;实验结果提出的表征损伤范围的评价参数可用来反演损伤区的大小和形状。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题的背景和意义

1．2 金属磁记忆检测法的理论基础

1．3 金属磁记忆法的研究现状

1．3．1 实验研究

1．3．2 机理研究

1．4 目前研究中存在的问题

1．5 本文的研究内容和目的

1．5．1 研究目的

1．5．2 研究内容

2 实验材料、方法及设备

2．1 实验材料

2．2 实验所用仪器设备

2．3 实验方案设计

3 含孔单向拉伸试样的漏磁信号分析及损伤检测与评价

3．1 引言

3．2 实验过程

3．3 弹性阶段的实验结果与分析

3．3．1 实验结果

3．3．2 漏磁信号变化的力磁效应机制分析

3．3．3 弹性阶段的判据

3．4 塑性阶段的实验结果与分析

3．4．1 实验结果

3．4．2 漏磁信号变化的力磁效应机制分析

3．4．3 塑性阶段的损伤判据与评价参数

3．5 断裂阶段实验结果与分析

3．6 本章小结

4 圆压头接触加载试验的漏磁信号分析及损伤检测与评价

4．1 引言

4．2 实验过程

4．3 实验结果与分析

4．3．1 非铁磁(铜质)压头

4．3．2 铁磁压头

4．4 本章小结

5 平压头接触加载试验的漏磁信号分析及损伤检测与评价

5．1 引言

5．2 实验过程

5．3 50kN载荷下非铁磁和铁磁压头的实验结果与分析

5．3．1 非铁磁(铜质)压头

5．3．2 退磁处理的铁磁压头

5．3．3 未退磁处理的铁磁压头

5．4 不同载荷下铁磁(未退磁)平压头的实验结果与分析

5．4．1 宽L 20mm的平压头实验

5．4．2 宽L 40mm的平压头实验

5．4．3 损伤判据和评价参数识别

5．5 本章小结

6 含损伤试样漏磁信号的数值模拟与分析

6．1 引言

6．2 二维有限元数值模拟

6．2．1 二维模型的建立

6．2．2 弹性阶段的结果与分析

6．2．3 塑性阶段的结果与分析

6．2．4 断裂阶段的结果与分析

6．2．5 漏磁信号的影响因素

6．3 三维有限元数值模拟

6．3．1 三维模型的建立

6．3．2 损伤区形状的反演

6．4 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 进一步研究展望

参考文献

作者简历

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