CN101900707A - 金属磁记忆二维定量检测方法 - Google Patents

Abstract

一种金属磁记忆二维定量检测方法，其特征是方法步骤为：1)铁磁性材料试件做拉伸试验；2)达到设定载荷时暂停拉伸；3)对提取的法向和切向漏磁场分量做一阶微分处理；4)根据金属磁记忆二维检测原理将法向和切向漏磁场分量微分信号合成金属磁记忆二维检测曲线；5)得出典型铁磁性材料在弹性，屈服和颈缩阶段的二维检测阈值，为铁磁性材料处于何种状态提供判据。本发明的优点是：可以作为磁记忆检测定量化分析的判据，并可望为磁记忆检测定量化打下基础，通过进一步的研究，在今后的磁记忆检测定量化分析中得到实际应用。

Description

金属磁记忆二维定量检测方法

技术领域

本发明涉及一种定量检测方法，尤其涉及一种金属磁记忆二维定量检测方法。

背景技术

金属磁记忆检测技术(MMM)是20世纪90年代以杜波夫教授为代表的俄罗斯学者率先提出一种崭新的铁磁性金属诊断技术。它是以应力和变形集中区为检测区域的无损检测方法，磁记忆检测具有设备轻巧、操作简便、灵敏度高、可靠性好，以及提离效应影响小、不需要专门的磁化设备等特点，因此，是迄今为止对金属部件进行早期诊断的唯一行之有效的无损检测方法。目前，现有的磁记忆检测方法主要以单一的法向过零信号来进行判断，但是法向分量作为检测标准也有其不足，割裂了法向与切向分量之间相关的对应特征，故单纯研究一个方向的分量判断应力集中部位，会造成带有缺陷特征的信息丢失，难免出现漏检和误判。而目前针对切向分量H_p(x)展开的研究很少。其原因是对切向分量H_p(x)的提取目前还存在一些问题，主要表现在：1、切向分量H_p(x)相对于法向分量H_p(y)非常微弱，很难进行精确测量；2、切向分量H_p(x)的测量值与传感器的放置方向有很大的关系。因此目前国内外很少对切向分量H_p(x)展开研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属磁记忆二维定量检测方法，解决了目前对金属磁记忆检测方法的研究仅停留在法向分量H_p(y)信号的测量上，对切向分量H_p(x)的研究很少，割裂了法向与切向分量之间相关的对应特征的问题。

本发明是这样来实现的，根据铁磁性材料带磁偶极子模型得出试件表面法向和切向漏磁场分布曲线，利用法向和切向漏磁场分量的内在联系形成金属磁记忆法向和切向二维联合检测曲线，二维联合检测曲线封闭区域面积大小表征应力集中区应力集中程度，其特征是方法步骤为：

1)铁磁性材料试件做拉伸试验，在弹性，屈服和颈缩3个阶段分别设置不同拉伸载荷；

2)达到设定载荷时暂停拉伸，在线提取磁试件表面法向漏场分量，利用矢量合成的方法提取切向漏磁场分量；

3)对提取的法向和切向漏磁场分量做一阶微分处理；

4)根据金属磁记忆二维检测原理将法向和切向漏磁场分量微分信号合成金属磁记忆二维检测曲线，曲线形成封闭区间，封闭区间面积大小表征应力集中区应力集中大小；

5)得出典型铁磁性材料在弹性，屈服和颈缩阶段的二维检测阈值，为铁磁性材料处于何种状态提供判据。

所述的典型铁磁性材料优选20号钢和45号钢。

本发明的优点是：对金属磁记忆信号进行一阶微分处理后，可以消除各种信号对磁记忆信号的影响，使得该信号仅于材料内部应力集中区域和大小产生对应关系，并且采用微分后的信号做二维检测曲线时，用图中封闭的缺陷环的大小反映应力集中的程度，可以作为磁记忆检测定量化分析的判据，并可望为磁记忆检测定量化打下基础，通过进一步的研究，在今后的磁记忆检测定量化分析中得到实际应用。

附图说明

图1为本发明带磁偶极子模型。

图2为本发明试件表面垂直分量漏磁场的分布。

图3为本发明试件表面水平分量漏磁场的分布。

图4为本发明试件表面漏磁场的二维分布曲线。

图5为本发明切向磁场分布拟合曲线。

图6为本发明切向磁场矢量合成曲线。

图7为本发明不同应力下切向磁场分布。

图8为本发明不同应力下法向磁场分布。

图9为本发明不同应力下法向微分信号。

图10为本发明不同应力下切向微分信号。

图11为本发明四种载荷下二维检测曲线。

具体实施方式

在载荷的作用下，材料内部的不连续部位(如形状、结构或缺陷)会造成应力的不均匀分布，出现应力集中现象。同时，由于金属内部存在着多种内耗效应(如粘弹性内耗、位错内耗)，势必造成动态载荷消除后，加载时形成的应力集中区得以保留，并具有相当高的应力能。因此，为抵消应力集中区的应力能，在该区域由于磁机械效应作用引发的磁畴组织的重新取向排列会保留下来，形成磁极，并在构件表面产生漏磁场。

当工件上施加拉应力后，应力集中部位产生的泄漏磁场，可以用带磁偶极子产生的泄漏磁场来等效。

由电磁场理论可知，假定有一矩形槽，磁荷分布在槽的两壁形成带磁偶极子，如图1所示，面密度为ρ_ms，且看作常数。此时，槽壁上宽度为d_η的面元在点P处产生的磁场强度为：

$d{\stackrel{\→}{H}}_1=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ms}}{d}_{\mathrm{\η}}}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\μ}}_0{r}_1^2}{\stackrel{\→}{r}}_1$

$d{\stackrel{\→}{H}}_2=-\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ms}}{d}_{\mathrm{\η}}}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\μ}}_0{\stackrel{\→}{r}}_2^2}{\stackrel{\→}{r}}_2$ 式(1)

式中： $r_1=\sqrt{{(x+b)}^2+{(y-y^{\′})}^2}$ $r_2=\sqrt{{(x-b)}^2+{(y-y^{\′})}^2}$

则它们的x、y分量为：

${\mathrm{dH}}_{1x}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ms}}(b+x)d_{\mathrm{\η}}}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\μ}}_0[{(x+b)}^2+{(y+\mathrm{\η})}^2]}$

式(2)

${\mathrm{dH}}_{1y}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ms}}(y+\mathrm{\η})d_{\mathrm{\η}}}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\μ}}_0[{(x+b)}^2+{(y+\mathrm{\η})}^2]}$

${\mathrm{dH}}_{2y}=-\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ms}}(y-\mathrm{\η})d_{\mathrm{\η}}}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\μ}}_0[{(x+b)}^2+{(y+\mathrm{\η})}^2]}$

通过积分叠加后可得总的磁场分量H_x、H_y为：

$H_x={\∫}_{-h}^0{\mathrm{dH}}_{1x}+{\∫}_{-h}^0{\mathrm{dH}}_{2x}$

$=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sm}}}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\μ}}_0}{\mathrm{tg}}^{-1}\frac{h(x+b)}{{(x+b)}^2+y(y+h)}-\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sm}}}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\μ}}_0}{\mathrm{tg}}^{-1}\frac{h(x-b)}{{(x-b)}^2+y(y+h)}$ 式(3)

$=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ms}}}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\μ}}_0}\ln \frac{[{(x+b)}^2+{(y+h)}^2][{(x-b)}^2+y^2]}{[{(x+b)}^2+y^2][{(x-b)}^2+{(y+h)}^2]}$ 式(4)

根据上式的计算可得表面漏磁场的垂直分量和水平分量的分布曲线，如图2、图3所示：对式(3)进行近似化简，式中，b＝h＝0.1mm，y＝1mm，得到：

$H_x=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sm}}}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\μ}}_0}{\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{1}{x^2}\right)$ 式(5)

对式(5)求反函数得：

$x=f^{-1}\left(H_x\right)=\frac{1}{\sqrt{\tan \left(\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\μ}}_0{H}_x}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sm}}}\right)}}$ 式(6)

把式(6)带入式(4)，此时y为变量，x为常量，得出H_x与H_y之间的变化关系，

$H_y=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sm}}}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\μ}}_0}\ln \frac{[{(f^{-1}\left(H_x\right)+h)}^2+{(x+b)}^2][f^{-1}{\left(H_x\right)}^2+{(x-b)}^2]}{[f^{-1}{\left(H_x\right)}^2+{(x+b)}^2][{(f^{-1}\left(H_x\right)+h)}^2+{(x-b)}^2]}$ 式(7)

根据上式的计算可得到表面漏磁场的二维分布曲线，如图4所示，采用二维的李萨如图检测方法时，可以同时反映出H_p(x)、H_p(y)两种信号的特征状态，避免了应力集中部位带有缺陷特征的信息丢失。并且，李萨如图中出现的封闭环的大小会随着应力集中程度的增加而呈增大趋势，故可以利用该封闭区域来检测应力集中位置。

本实验采用一种矢量合成的方法找出了切向分量H_p(x)的分布情况，在应力集中区域的切向分量H_p(x)如图5所示，切向磁场分布拟合曲线为一条余弦曲线，其中拟合置信度为0.99727，方差为0.00221。在垂直应力集中线方向存在最大值。图6为应力集中区域切向分量H_p(x)两两互相垂直方向磁场矢量合成曲线，切向磁场矢量合成值近似相等，误差较小。所以采用切向分量H_p(x)可以用来判断应力集中的位置和程度，为金属磁记忆二维检测定量分析打下了基础。

为了验证该方法的可行性，图7、8分别为不同应力下切向和法向的磁场分布。从图7可以看出，在应力集中区域磁记忆法向分量会出现过零现象，且在零点前后分别出现极小值和极大值；从图8可以看出，在应力集中区域磁记忆切向分量会出现一个峰值，且峰值的大小随着载荷的增大不断增大。由于试件在未施加载荷时存在初始磁场，主要由于近地表面的垂直磁场分布和试样的外形引起的，且初始磁场近似为一条直线，本实验采用微分的方法对实验数据进行处理。

如图9、图10所示，为微分后的磁记忆信号，如图所示，切向分量微分后的信号在应力集中区域出现过零现象，且过零点前后各有一个极大和极小值，而法向分量微分后的信号在应力集中区域出现极大值，在远离应力集中区域两种信号趋近于零。即微分后的磁场梯度信号能够很好的抑制环境磁场的影响，且法向和切向的磁记忆检测特征分别被切向梯度K(x)、及法向梯度K(y)所反映，故以K(y)作为横坐标，K(x)作为纵坐标绘制图形，来分析磁记忆的二维检测特征。

如图11所示，通过上述试验数据表明随着试件所加载荷的增大，二维检测曲线所形成的闭合曲线面积也随之增大，这就表明随着载荷的逐步增大，试件应力集中区域和应力集中程度都随之增大。本次试验结果充分验证了金属磁记忆二维检测应用的可行性。

Claims (2)

1.一种金属磁记忆二维定量检测方法，根据铁磁性材料带磁偶极子模型得出试件表面法向和切向漏磁场分布曲线，利用法向和切向漏磁场分量的内在联系形成金属磁记忆法向和切向二维联合检测曲线，二维联合检测曲线封闭区域面积大小表征应力集中区应力集中程度，其特征是方法步骤为：

1)铁磁性材料试件做拉伸试验，在弹性，屈服和颈缩3个阶段分别设置不同拉伸载荷；

2)达到设定载荷时暂停拉伸，在线提取磁试件表面法向漏场分量，利用矢量合成的方法提取切向漏磁场分量；

3)对提取的法向和切向漏磁场分量做一阶微分处理；

4)根据金属磁记忆二维检测原理将法向和切向漏磁场分量微分信号合成金属磁记忆二维检测曲线，曲线形成封闭区间，封闭区间面积大小表征应力集中区应力集中大小；

5)得出典型铁磁性材料在弹性，屈服和颈缩阶段的二维检测阈值，为铁磁性材料处于何种状态提供判据。

2.根据权利要求1所述的金属磁记忆二维定量检测方法，其特征是所述的典型铁磁性材料优选20号钢和45号钢。

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