CN101122578A - 铁磁性金属构件疲劳裂纹和应力集中的磁记忆检测方法 - Google Patents

铁磁性金属构件疲劳裂纹和应力集中的磁记忆检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于无损检测中的金属磁记忆检测领域。现有的金属磁记忆技术主要通过检测构件表面磁场强度的垂直分量Hp(y)值，需要加入定位和测距装置，从某种程度上限制了金属磁记忆检测技术的广泛应用。本发明采用专用的检测仪器，对构件表面磁场强度的水平分量Hp(x)值进行检测，根据先期实验确定的疲劳裂纹存在门槛值Hp(x)E，并结合调整系数β，判定有无疲劳裂纹；根据“|Hp(x)|max—裂纹宽度w对应关系标准曲线”，测定疲劳裂纹的长宽尺寸；对于无裂纹的应力集中区利用自定义公式计算磁示应力集中系数KH，定量表征应力集中的程度。本方法与涡流、超声以及现有的金属磁记忆Hp(y)检测等检方法相比，操作和分析过程更为简便易行、检测精度也更高。

Description

铁磁性金属构件疲劳裂纹和应力集中的磁记忆检测方法
技术领域
本发明涉及一种利用新型金属磁记忆检测技术进行铁磁性构件表面裂纹尺寸和应力集中程度的定量检测方法，属于无损检测中的金属磁记忆检测领域。
背景技术
疲劳裂纹是金属构件中一种常见的缺陷形式，也是最终导致构件破坏失效的主要的原因之一。从疲劳裂纹产生的原因来看，构件上的应力集中区是产生疲劳裂纹的重要危险部位。因此，如何预先发现构件上的应力集中区域，确定其应力集中程度、发现疲劳裂纹的萌生、测定裂纹的尺寸，对于防止结构以及设备的突发性破坏具有及其重要的意义。
金属磁记忆检测技术是1997年由俄罗斯学者提出，并于2000年传入中国的一种新兴的无损检测技术，主要通过检测构件表面磁场强度的垂直分量Hp(y)值，经过相关的数学计算对构件的裂纹和应力集中位置进行判断。但是利用Hp(y)值实施的检测往往需要位移参量参与计算，因此需要加入定位和测距装置，从某种程度上限制了金属磁记忆检测技术的广泛应用。
发明内容
本发明提供了一种利用构件表面磁场强度的水平分量Hp(x)值，对铁磁性金属构件表面裂纹尺寸和应力集中程度的定量检测方法。
为达到上述目的，本发明采用了专用检测仪器对构件表面磁场强度的水平分量Hp(x)值进行检测。检测仪器的结构如图1所示，检测探头中竖直安装的线性磁传感器将构件表面磁场的水平分量Hp(x)转换成电压信号，经过前置信号电压调整和放大电路、信号主滤波放大电路，对检测信号进行处理和范围调整，USB数据采集卡对调整好的电压信号进行数字化，后通过USB连接线输入计算机，计算机中的检测程序用于控制数据的采集和记录。
本发明的铁磁性金属构件疲劳裂纹和应力集中的磁记忆检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1.实验数据的积累
根据大量实验发现，铁磁性金属构件表面磁场强度的水平分量Hp(x)值可以用于判断构件上是否存在疲劳裂纹，并且Hp(x)曲线的峰值|Hp(x)|max与疲劳裂纹的宽度具有明确的对应关系。
为此，①首先制备与待检测零件材料及热处理状态完全相同的疲劳裂纹扩展试件，采取疲劳裂纹扩展实验的方式预制出疲劳裂纹。为了使前期的试验数据能够包括待测零件需要检测的所有裂纹，疲劳裂纹扩展实验产生裂纹的尺寸应大于待测零件由于疲劳裂纹缺陷而判定报废标准尺寸，这样才能保证待测零件上所有需要具体测量尺寸的裂纹都能在前期的试验数据中找到相对应的记录；②以电控平移台带动检测探头在与裂纹垂直的方向上，对裂纹区域进行Hp(x)直线扫描检测。扫描线间隔通常小于裂纹长度的1/10，以保证得到足够的检测数据。③测量并记录各条扫描检测线上的|Hp(x)|max和裂纹宽度。④对多个试件进行上述试验，根据有效的试验数据拟合出“|Hp(x)|max-裂纹宽度w对应关系标准曲线”，如附图2所示。
2.应力集中线的确定
使用Hp(x)检测探头在构件表面分别沿相互垂直的两个方向进行“Z”字型扫查，标志出|Hp(x)|max存在的各点，将各个标志点顺序连接，确定为该构件上的应力集中线(也可能是裂纹)，作为重点检测的危险部位。
3.判定疲劳裂纹的存在
根据步骤1所述的先期实验，将已经确定的“|Hp(x)|max-裂纹宽度w对应关系标准曲线”中，裂纹长度值为零时对应的|Hp(x)|max值定义为判定疲劳裂纹存在的门槛值Hp(x)E，该数值主要由实验材料自身的性能决定；还可以根据前期试验数据的分布情况加入调整系数β(通常0.7≤β≤1)，以指示出裂纹即将萌生的重点危险区域。
对于相同材料和热处理状态的某一被测构件，以检测探头垂直通过由步骤2中所确定的应力集中线检测，得到该位置|Hp(x)|max。
当|Hp(x)|max＞Hp(x)E时，存在裂纹；
当Hp(x)E＞|Hp(x)|max≥β·Hp(x)E时，视为裂纹即将萌生的危险区域；
当|Hp(x)|max＜β·Hp(x)E时，不存在裂纹。
4.疲劳裂纹宽度的定量检测
被测构件被判定存在裂纹后，就可以将检测得到的|Hp(x)|max值代入“|Hp(x)|max-裂纹宽度w对应关系标准曲线”进行查询，从而确定该检测位置的裂纹宽度。
5.疲劳裂纹长度的定量检测
在步骤2中所确定的应力集中线上，被判定为裂纹存在的起点与终点之间的长度即为裂纹的长度；也可以采用多个传感器并排放置的直列多通道检测探头，同时垂直通过应力集中线进行检测，用判定裂纹存在的通道个数n和检测通道的间距1的乘积n1，直接计算出裂纹长度。
6.应力集中程度的定量检测
对于判定为无裂纹的构件，垂直应力集中线进行Hp(x)检测。检测长度视构件的大小和使用者重点考察的零件具体部位而确定，原则上应包括由于应力集中而导致应力发生突变的整个区域：通常对于裂纹或直径小于10mm的小孔产生的应力集中，检测长度可选为50mm；对于直径10mm以上的孔，检测长度可设定为孔直径4～5倍；对于同种零件的相同部位实施检测时，检测长度应当固定。检测过程如附图3，确定检测曲线上的Hp(x)max和Hp(x)min，如附图4，代入公式
KH＝|Hp(x)max/Hp(x)min|
其中KH为自定义的磁示应力集中系数，通过磁场强度的比值来表征应力集中的程度。
按照上述六步骤，就可以完成对铁磁性构件表面裂纹尺寸和应力集中程度的定量化检测。本方法相对涡流、超声等检测手段来说，操作和分析过程更为简便易行，与传统的金属磁记忆Hp(y)检测方法相比检测精度更高。
附图说明
图1为本发明所采用的构件表面磁场强度的水平分量Hp(x)的专用检测装置；
图中：①线性磁传感器，②前置信号电压调整和放大电路，(①②部分组合封装成为仪器检测探头)③检测探头接线，④信号主滤波、放大电路，⑤电源，⑥USB数据采集卡，⑦USB连接线，⑧计算机，⑨检测程序。
图2为45CrNiMoVA钢|Hp(x)|max-裂纹宽度w对应关系标准曲线；
图3为45CrNiMoVA钢为材料的缺口疲劳试件以及Hp(x)检测的示意图；
图4为按图3中所标检测线进行Hp(x)检测的数据曲线。
具体实施方式
现应用具体实例介绍采用上述方法确定疲劳裂纹的存在、测定疲劳裂
纹的长度、宽度和裂尖应力集中程度的过程。
以45CrNiMoVA钢为材料，加工缺口疲劳试件，经过拉-拉疲劳实验后产生疲劳裂纹，如图3所示。
首先以“Z”字型扫查的方法，确定试件上的应力集中线(包括裂纹)。实际检测中通常调整检测探头的正反方向，使检测值为正，以便于数据的分析和计算。
在应力集中线上五个不同的位置，垂直应力集中线进行了Hp(x)检测。检测程序设置的采样频率为50次/秒，并将每条检测数据在计算机上记录保存。检测长度根据步骤6中所述原则定为50mm，如附图3所示。五个位置的检测曲线如附图4所示，各条检测曲线的Hp(x)max和Hp(x)min值如下：
位置编号 1 2 3 4 5 6
  Hp(x)max   1749   1354   870   642   572   475
  Hp(x)min   290   293   300   298   306   307
根据前期对3根45CrNiMoVA钢同热处理状态下疲劳裂纹扩展试件按说明书步骤1中所述的方式进行的试验，已经确定了该热处理状态下疲劳裂纹宽度w与|Hp(x)|max的对应关系标准曲线，得到了疲劳裂纹存在的平均门槛值Hp(x)E为660A/m。同时也考虑到前期试验检测可能存在的误差，因此以单条裂纹的有效检测数据拟合的疲劳裂纹宽度w与|Hp(x)|max关系曲线，用疲劳裂纹宽度w为零值时的|Hp(x)|max作为该单组数据所确定的裂纹存在门槛值，Hp(x)Emin代表的是各组数据所确定的门槛值中的最小值，大小为602A/m。取调整系数β＝Hp(x)Emin/Hp(x)E≈0.9。
则：β·Hp(x)E＝Hp(x)Emin＝602A/m
|Hp(x)|max1＞Hp(x)E，判定存在裂纹；
|Hp(x)|max2＞Hp(x)E，判定存在裂纹；
|Hp(x)|max3＞Hp(x)E，判定存在裂纹；
Hp(x)E＞|Hp(x)|max4＞β·Hp(x)E，此位置为裂纹即将萌生的重点危险区域；
|Hp(x)|max4＜β·Hp(x)E，判定不存在裂纹；
|Hp(x)|max5＜β·Hp(x)E，判定不存在裂纹；
对于存在裂纹的检测数据代入图2中的45CrNiMoVA钢疲劳裂纹的裂纹宽度w与|Hp(x)|max的对应关系标准曲线进行查询，查询结果与在OLYMPUSSZX12体式显微镜下实际测量结果对比如下：
  位置编号   1   2   3
  查询宽度(μm)   248   213   125
  实测宽度(μm)   235   200   109
可见，采用本方法进行疲劳裂纹的裂纹宽度具有较高得测量精度。
对于裂纹长度的测量比较简单，参考说明书中步骤5进行，测得裂纹总长度为5mm。
对于判定不存在裂纹的检测数据代入公式(1)，进行应力集中程度的定量计算，得出两个位置的磁示应力集中系数分别为：
KH5＝1.869
KH6＝1.547
从计算结果看5位置的应力集中更为严重；实际上5位置比6位置更靠近裂纹尖端。可见磁示应力集中系数KH清楚的反映出了检测位置应力集中程度的强弱。

Claims (3)

1.一种铁磁性金属构件疲劳裂纹和应力集中的磁记忆检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1).|Hp(x)|max-裂纹宽度w对应关系标准曲线的获得
①首先制备与待检测零件材料及热处理状态完全相同的疲劳裂纹扩展试件，采取疲劳裂纹扩展实验的方式预制出疲劳裂纹；
②检测探头在与裂纹垂直的方向上对裂纹区域进行Hp(x)直线扫描检测；③测量并记录各条扫描检测线上的|Hp(x)|max和裂纹宽度；
④对多个试件进行上述试验，根据试验数据拟合出|Hp(x)|max-裂纹宽度w对应关系标准曲线；
2).应力集中线的确定
使用Hp(x)检测探头在构件表面分别沿相互垂直的两个方向进行Z字型扫查，标志出|Hp(x)|max存在的各点，将各个标志点顺序连接，确定为该构件上的应力集中线或者裂纹；
3).判定疲劳裂纹的存在
根据步骤1)所确定的“|Hp(x)|max-裂纹宽度w对应关系标准曲线”中裂纹长度值为零时对应的|Hp(x)|max值定义为判定疲劳裂纹存在的门槛值Hp(x)E，；还根据前期试验数据的分布情况加入调整系数β，0.7≤β≤1；
对于相同材料和热处理状态的某一被测构件，以检测探头垂直通过由步骤2)中所确定的应力集中线检测，得到该位置|Hp(x)|max；
根据以下条件，判定疲劳裂纹的存在
当|Hp(x)|max＞Hp(x)E时，存在裂纹；
当Hp(x)E＞|Hp(x)|max≥β·Hp(x)E时，视为裂纹即将萌生的危险区域；
当|Hp(x)|max＜β·Hp(x)E时，不存在裂纹；
4).疲劳裂纹宽度的定量检测
被测构件被判定存在裂纹后，将检测得到的|Hp(x)|max值代入“|Hp(x)|max一裂纹宽度w对应关系标准曲线”进行查询，从而确定该检测位置的裂纹宽度。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，还可进行疲劳裂纹长度的定量检测：
在步骤2)中所确定的应力集中线上，被判定为裂纹存在的起点与终点之间的长度即为裂纹的长度；或者采用多个传感器并排放置的直列多通道检测探头，同时垂直通过应力集中线进行检测，用判定裂纹存在的通道个数n和检测通道的间距l的乘积nl，直接计算出裂纹长度。
3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，还可进行应力集中程度的定量检测：
对于步骤4)判定为无裂纹的构件，对垂直应力集中线进行Hp(x)检测，确定检测曲线上的Hp(x)max和Hp(x)min，代入公式
KH＝|Hp(x)max/Hp(x)min|
KH为自定义的磁示应力集中系数。
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