CN102435666A - 一种基于特征磁导率的应力集中和疲劳损伤的检测评价方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于特征磁导率检测的新的应力集中和疲劳损伤的评价方法。材料的微观结构特征与技术磁化过程密切相关，应力集中的形成和变化、疲劳损伤的加深、缺陷位错密度的改变、裂纹的形成和结构相变都将导致磁化过程的变化。该发明表述的特征磁导率是一种微分磁导率，其与磁化过程有关，与最大磁场强度有关。在微分磁导率矩阵中，随材料微观结构量变化率最大的微分磁导率矩阵元即为与该微观变量对应的特征磁导率。不同的微观结构特征变量对应不同的磁导率矩阵元，具有不同的特征磁导率。特征磁导率与具体材料有关，与具体的材料微观变化性质有关，不同的微观结构特征变化对应不同的特征磁导率。特征磁导率检测的电路结构主要包括激励线圈、检测线圈、电源模块、A/D转换模块、计算机控制模块、信号调理电路等部分组成。具体数据评价模型主要依赖于低场磁滞回线系统数据。激励信号主要采用三角波波形，在一个工作周期内的波形变化特征由软件编程控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测评价方法，尤其设计一种基于特征磁导率的应力集中和疲劳损伤的检测评价方法。
背景技术
众所周知，金属材料大量作为受力构件使用，广泛应用于航空航天、电力、铁路、压力容器等行业。构件使用过程中在应力、疲劳载荷、内部工作介质或外部工作环境的作用下，易在开槽处、疏松区域、缺陷空洞位错集中区、应力集中区、焊缝及其热影响区域产生应力腐蚀开裂或疲劳断裂等现象，造成重大恶性事故，给国家和人民造成巨大灾难。因此在对构件进行无损检测时能快速、方便、准确地检测出应力集中和疲劳损伤的严重区域，对于预防构件的断裂故障和防止重大灾难的发生具有重要意义。
目前对铁磁试件进行早期检测和评价的方法有金属磁记忆检测法、巴克豪森效应检测法和声发射检测法，但检测技术和效果都存在各自的局限性，都有待于深入研究和完善。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于特征磁导率的应力集中和疲劳损伤的检测评价方法，提出采用检测特征磁导率变化的方法对试件的应力集中和疲劳损伤部位和程度进行预检测，提前发现铁磁试件的应力集中状况和疲劳损伤程度。本发明提出的检测方法不仅可以检测试件的应力集中程度和疲劳损伤状况，还可以检测铁磁材料的马氏体奥氏体相变、检测铁素体珠光体碳素提相变、检测位错缺陷密度变化、检测力学韧性和力学脆性的转变、检测晶粒晶界的变化等。
本发明是这样实现的，一种基于特征磁导率的应力集中和疲劳损伤的检测评价方法，该检测方法的特征在于利用最大的微分磁导率来检测铁磁试件对应的微观结构特征量的变化，与利用普通磁参量检测铁磁试件的微观变化相比，极大提高了检测灵敏度。
其检测原理是：应力集中和疲劳损伤引起铁磁试件微观结构的变化，晶格点阵位移及缺陷位错导致微分磁导率发生变化，通过测定特征磁导率的变化推断反演铁磁构件的应力集中和疲劳损伤程度。
检测特征为：依据测量低场磁致回线的系列数据，得到低场磁致回线对应的微分磁导率阵列，利用微分磁导率阵列中最大的矩阵元来检测相关的微观结构量的变化。
该检测方法的基本观点是：铁磁材料技术磁化过程与微观结构参量的变化有关；低场的技术磁化过程反映微观结构参量的变化具有更高的检测灵敏度；低场磁化的微分磁导率是磁场强度的函数，同时也是最大磁场强度的函数；检测具体的微观结构量的变化，将依据与具体的磁场强度和最大磁场强度对应的特征微分磁化率。
本发明的技术效果是: 金属磁导率检测法可以检测金属构件的应力集中区域和疲劳损伤程度；可以检测构件力学韧性和力学脆性的转变状况；可以检测铁磁材料奥氏体与马氏体、铁素体与珠光体的相变过程与状况；可以检测铁磁材料缺陷和位错密度；可以检测晶粒、晶界等变化状况。
说明书附图
图1 磁导率检测方法结构图。
图2 待测试件、磁轭、激励线圈、检测线圈结构分布图。
图3 双极性激励信号波形图。
图4 等信号周期不同振幅激励信号波形图。
图5 双极性等差级数周期激励信号波形图。
图6 等差级数周期激励信号波形图。
具体实施方式
该发明是一种新的应力集中和疲劳损伤的检测方法，这里称为金属特征磁导率检测法。该检测方法的特征在于利用最大的微分磁导率来检测铁磁试件对应的微观结构特征量的变化。金属特征磁导率检测法可以检测金属构件的应力集中区域和疲劳损伤程度；可以检测构件力学韧性和力学脆性的转变状况；可以检测铁磁材料奥氏体与马氏体、铁素体与珠光体的相变过程；可以检测铁磁材料缺陷和位错密度；可以检测晶粒、晶界等变化状况。该发明检测方法的特征在于利用最大的微分磁导率来检测铁磁试件对应的微观结构特征量的变化；其检测原理是：应力集中和疲劳损伤引起铁磁试件微观结构的变化，晶格点阵位移及缺陷位错导致磁导率发生变化，通过测定磁导率的变化推断反演铁磁构件的应力集中和疲劳损伤程度。检测特征是：依据测量低场磁致回线的系列数据，得到低场磁致回线对应的微分磁导率阵列，利用微分磁导率阵列中最大的矩阵元来检测相关的微观结构量的变化。 检测方法的基本观点是：铁磁材料技术磁化过程与微观结构参量的变化有关；低场的技术磁化过程反映微观结构参量的变化具有更高的检测灵敏度；低场磁化的微分磁导率既是磁场强度的函数，也是最大磁场强度的函数；检测具体的微观结构量变化的变化，将依据与具体的磁场强度和最大磁场强度对应的特征微分磁化率。磁导率测量的原理图和结构图，如图1和图2、图3所示。激励源波形图如图4、图5、图6所示。具体发明内容：
材料的微观结构特征与技术磁化过程密切相关，应力集中的形成和变化、疲劳损伤的加深、缺陷位错密度的改变、裂纹的形成和结构相变都将导致磁导率的变化。这里的特征磁导率与具体材料有关，与具体的材料微观变化特征量有关，不同的微观结构特征量变化对应不同的特征磁导率。这里所谓特征磁导率即是随微观结构量的变化率最大的磁导率。该发明表述的磁导率是一种微分磁导率，可用一矩阵形式来表示。该微分磁导率与磁化过程有关，与最大磁场强度有关。设磁场强度变量为H a, 最大磁场强度变量为H b, 微分磁导率既是磁化场强度的变量，也是最大磁化场强度的变量，可表示为数学形式 
。在微分磁导率矩阵中，随材料微观结构量变化率最大的微分磁导率矩阵元即为与该微观变量对应的特征磁导率。不同的微观结构特征变量对应不同的特征磁导率矩阵元，具有不同的特征磁导率。
具体检测和数据采集提取电路如图1磁导率检测方法结构图所示。检测电路主要由 激励线圈、检测线圈、电源模块、A/D转换模块、计算机控制模块、信号调理电路等部分组成。检测线圈、激励线圈与检测试件的结构关系如图2所示。对于平板试件可采用如图2a所示的结构方法检测，对于圆柱棒试件可采用如图2b和图2c所示的结构方法检测。
以往都是依据饱和磁化强度Bs、饱和剩余磁化强度Br、矫顽力Hc、初始磁导率μin、最大磁导率μmax这些磁性参数的变化来测定铁磁试件微观结构的变化，但利用这些磁性参数的变化来测定微观结构的变化检测灵敏度很低。本发明提出一种利用特征磁导率来检测铁磁试件微观结构的变化特征，即是利用与微观结构的变化量对应的、随微观结构量变化率最大的磁导率的变化量来测定该微观结构的变化特征。本发明是采用低场磁化的方法，磁化场远未达到试件的饱和磁化状态。具体检测评价模型和方法如下：设激励信号源在一个工作周期内的三角波幅值分别为A1、A2、A3、······、An，在每个三角波周期内采集m个数据，在一个工作周期内采集的激励信号振幅和激励信号产生的磁场强度H i , j 幅值分别为：
试件的磁导率矩阵和磁导率变化量矩阵(或称为微分磁导率阵列)为：
不同的微观结构变化参量（如应力集中参量、疲劳损伤参量、缺陷位错密度参量、相变参量、等）对应不同的具体特征磁导率。
Claims (4)
1. 一种基于特征磁导率的应力集中和疲劳损伤的检测评价方法，该检测方法的特征在于利用最大的微分磁导率来检测铁磁试件对应的微观结构特征量的变化。
2. 如权利要求1所述的基于特征磁导率的应力集中和疲劳损伤的检测评价方法，其特征是其检测原理是：应力集中和疲劳损伤引起铁磁试件微观结构的变化，晶格点阵位移及缺陷位错导致微分磁导率发生变化，通过测定特征磁导率的变化推断反演铁磁构件的应力集中和疲劳损伤程度。
3. 如权利要求1所述的基于特征磁导率的应力集中和疲劳损伤的检测评价方法，其特征是检测特征为：依据测量低场磁致回线的系列数据，得到低场磁致回线对应的微分磁导率阵列，利用微分磁导率阵列中最大的矩阵元来检测相关的微观结构量的变化。
4. 如权利要求1所述的基于特征磁导率的应力集中和疲劳损伤的检测评价方法，其特征是该检测方法的基本观点是：铁磁材料技术磁化过程与微观结构参量的变化有关；低场的技术磁化过程反映微观结构参量的变化具有更高的检测灵敏度；低场磁化的微分磁导率是磁场强度的函数，同时也是最大磁场强度的函数；检测具体的微观结构量的变化，将依据与具体的磁场强度和最大磁场强度对应的特征微分磁化率。
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