CN103776895B - 一种铁磁材料接触损伤评价的磁无损检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铁磁材料接触损伤的磁无损检测方法，该方法包括：利用磁传感器检测铁磁构件表面的漏磁场，获得被测表面的法向漏磁信号和切向漏磁信号，通过同轴电缆存储于智能磁记忆仪中；根据被测表面的法向漏磁信号和切向漏磁信号，计算得到被测表面的法向漏磁的梯度值和切向漏磁的梯度值；并提出了相应的接触损伤判据。该方法为工业应用领域大量使用的铁磁材料接触损伤在线监测提供一种无损检测手段。
Description
技术领域
本发明涉及一种铁磁材料早期损伤的磁无损检测方法，属于测量技术领域。
背景技术
接触是常见的一种受力形式，其特征是在接触面上施加压应力，接触区形成应力集中，从而造成材料表面产生接触损伤。接触损伤可能造成接触表面产生塑性变形，引起构件咬合处松动，或加速材料疲劳裂纹的萌生和扩展，降低材料的使用寿命。接触损伤普遍存在于工程行业中，对设备的完整性、安全性造成严重的威胁。因此，从结构安全角度来说，必须对材料早期损伤、结构性能退化程度以及剩余寿命进行有效监测和评估。但是，从检测手段来说，对材料和结构由于微损伤造成的早期性能退化的诊断要比确定宏观裂纹困难得多。事实上，发展简便有效的局部应力集中程度（包括初始预应力和累积工作应力）和材料性能早期退化的评价方法，针对大型工程中关键构件的损伤情况进行现场快速无损检测，进而实现对在役设备的安全性和剩余寿命开展有效评估，一直是实验力学和无损检测领域非常关注的课题。
传统无损检测技术：磁粉探伤和漏磁检测、声发射技术、超声导波、涡流检测技术等，在确定构件内部是否出现宏观裂纹时虽具有很好的效果，但往往无法准确判定构件内部是否出现疲劳微损伤。X射线衍射技术可以对金属结构残余应力进行有效检测，但检测深度非常有限（一般在微米量级），而且对试件表面质量要求高、检测设备复杂、价格昂贵，很难实现在线大范围检测；超声非线性技术在检测结构损伤度时也同样存在对试件表面质量要求高、信号抗干扰性差、无法完成对复杂构件的内应力和损伤程度进行在线检测等诸多问题。
与传统漏磁方法不同，金属磁记忆是一种被动式弱磁检测技术，通过检测被测对象由于局部损伤形成的表面自发漏磁场确定损伤位置及损伤程度。试验研究表明，铁磁性金属部件表面上的磁场分布与其内部应力有一定的联系，因此可通过测量部件表面的磁场分布情况间接地对部件应力集中位置进行诊断。在应力集中区域法向漏磁分量的符号发生变化，存在过零点；切向漏磁分量达到最大值。但这两个基本判据仅适用于宏观型缺陷，对材料早期损伤检测并不适用。此外，材料早期损伤影响参数众多，包括物理型损伤参数和几何型损伤参数。如何根据漏磁信号，对损伤区域和程度进行有效反演，目前还缺乏相关研究。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种能对目前能源、石化、交通等领域大量使用的铁磁材料（含铁、钴、镍等）早期接触损伤进行无损检测的方法，确定相应的表征参数和安全评价判据。
本发明的技术方案：
一种铁磁材料早期损伤的磁无损检测方法，该检测方法包括以下步骤：
步骤一铁磁试件初始漏磁信号的测定
通过同轴电缆将磁传感器与智能磁记忆仪连接，利用磁传感器检测铁磁试件的表面，获得被测试件表面初始情况下的初始法向漏磁信号和初始切向漏磁信号并存储于智能磁记忆仪中；
步骤二对试件进行接触加载
利用铁磁压头对试件进行加载，到一定载荷后进行卸载，将试件取下并进行漏磁检测，测得试件受压面的受压后法向漏磁信号和受压后切向漏磁信号
步骤三将步骤二中测得的受压后漏磁信号减去步骤一中测得的初始漏磁信号，可以消除初始其他因素的干扰，再计算得到消除初始影响后被测表面的法向漏磁信号的梯度值和切向漏磁信号的梯度值在实际中如果无法获得试样的初始漏磁信号，则省略消除初始其他因素干扰这一步骤，直接计算被测表面的法向漏磁信号的梯度值和切向漏磁信号的梯度值
定义法向漏磁信号的梯度值：
定义切向漏磁信号的梯度值：
步骤四增加接触载荷，重复步骤二到步骤三，直到试件接触面出现明显的接触损伤，记录接触载荷。最终记录接触载荷与法向及切向漏磁信号的梯度值之间的关系；
步骤五接触损伤程度的评价判据
接触损伤的评价判据：在接触应力集中区，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；
基于以上建立的接触损伤判据，可以利用法向漏磁信号的梯度峰－峰值以及切向漏磁信号的梯度幅值这两个参数定量化评价应力集中造成的接触损伤程度和范围。具体定义评价参数方法可参照示意图3。
将实际检测得到的法向漏磁信号的梯度峰－峰值以及切向漏磁信号的梯度幅值与其临界安全值进行比较，如实际测量值小于临界安全值则构件安全，反之则为不安全。
所述的法向漏磁信号的梯度峰－峰值以及切向漏磁信号的梯度幅值的临界安全值，是根据不同材料和不同损伤安全等级，在正式检测之前用标准试块标定得到的评价构件损伤程度的参数。
本发明的有益效果：
接触损伤可能造成接触表面产生塑性变形，引起构件咬合处松动，或加速材料疲劳裂纹的萌生和扩展，降低材料的使用寿命。因此，提供一种有效的无损检测技术，对目前能源、石化、交通等领域大量使用的铁磁构件接触损伤程度实现在线检测，这对保证工业运行安全和避免重大运行事故具有重要意义。
附图说明
图1为铁磁材料接触损伤的磁无损检测系统示意图。
图2为试件接触损伤区法向(a)和切向(b)漏磁信号结果示意图。
图3为试件接触损伤区法向(a)和切向(b)漏磁信号梯度值结果示意图。
图4为具体实施方式中的加载方式示意图。
图5为不同载荷下法向漏磁信号分布图。
图6为不同载荷下切向漏磁信号分布图。
图7为不同载荷下法向漏磁信号的梯度值分布图。
图8为不同载荷下切向漏磁信号的梯度值分布图。
图9为法向漏磁信号的梯度峰－峰值随载荷的变化图。
图10为切向漏磁信号的梯度幅值随载荷的变化图。
具体实施方式
下面以45号钢试样的检测的法向漏磁信号为例，结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围，包括以下步骤：
步骤一
如图1所示，通过同轴电缆将磁传感器与智能磁记忆仪连接，利用笔试磁传感器每隔0.2mm点测无损状态下试件的表面，获得被测试件表面初始情况下的初始法向漏磁信号和初始切向漏磁信号（见图2所示）；并存储于智能磁记忆仪中，以便进行后续的信号分析；
步骤二
如图4所示，利用圆柱形铁磁压头对试件进行加载，加载至10kN后进行卸载，将试件取下并进行漏磁检测，利用笔试磁传感器每隔0.2mm点测试件受压面表面，测得的受压后法向漏磁信号和受压后切向漏磁信号并存储于智能磁记忆仪中；
步骤三
将步骤二中测得的受压后漏磁信号减去步骤一中测得的初始漏磁信号，可以消除初始其他因素的干扰，再计算得到消除初始影响后被测表面的法向漏磁信号的梯度值和切向漏磁信号的梯度值（见图3所示）。
定义法向漏磁信号的梯度值：
定义切向漏磁信号的梯度值：
步骤四
利用圆柱形铁磁压头再对试件进行加载，依次加载接触载荷至20kN、30kN、40kN和50kN，重复步骤二到步骤三。最终记录接触载荷与漏磁信号及漏磁信号的梯度值之间的关系，结果如图5、6、7和8所示，根据接触损伤判据可以准确的找到损伤位置；
步骤五
在接触损伤判据的基础上，利用法向漏磁信号梯度的峰－峰值和切向漏磁信号梯度的极值确定接触损伤的程度：将这两个参数随载荷变化的关系绘于图9和图10，可以看到，随着载荷的增加，都近似呈线性上升趋势。由此可见，这种接触损伤检测评价的磁无损检测方法是可行、可靠的，并且比较准确。
步骤六
对45号钢标准块进行加载，同时测量其漏磁信号，得到标准块接触损伤程度和漏磁信号之间的对应关系，根据实际被测45号钢构件的工作安全等级，确定法向漏磁信号的梯度峰－峰值以及切向漏磁信号的梯度幅值的临界安全值；
步骤七
将实际检测得到的法向漏磁信号的梯度峰－峰值以及切向漏磁信号的梯度幅值与临界安全值进行比较，如实际测量值小于临界安全值则构件安全，反之则为不安全。
Claims (4)
1.一种铁磁材料早期损伤的磁无损检测方法，该检测方法包括以下步骤：
步骤一
利用磁传感器检测铁磁试件的表面，获得被测试件表面的初始法向漏磁信号和初始切向漏磁信号，并存储于磁记忆仪中；
步骤二
利用铁磁压头对试件进行加载后再进行卸载，测得试件受压面的受压后法向漏磁信号和受压后切向漏磁信号；
步骤三
将步骤二中测得的受压后漏磁信号减去步骤一中测得的初始漏磁信号，消除初始其他因素的干扰，再计算得到消除初始影响后被测表面的法向漏磁信号的梯度值和切向漏磁信号的梯度值；
步骤四
再依次加载接触载荷，重复步骤二到步骤三，直到试件接触面出现明显的接触损伤，最终记录接触载荷与法向及切向漏磁信号的梯度值之间的关系；根据接触损伤判据准确的找到损伤位置；
步骤五
利用法向漏磁信号梯度的峰－峰值和切向漏磁信号梯度的极值确定接触损伤的程度，通过接触损伤判据和评价参数对损伤区进行评价。
2.根据权利要求1所述的磁无损检测方法，其特征在于：所述的步骤二中，铁磁压头对试件加载至10kN后进行卸载，将试件取下并进行漏磁检测，利用笔式磁传感器每隔0.2mm点测试件受压面表面，测得的受压后法向漏磁信号和受压后切向漏磁信号。
3.根据权利要求1所述的磁无损检测方法，其特征在于：所述的步骤三中，如果无法获得试样的初始漏磁信号，则省略消除初始其他因素干扰这一步骤，直接计算被测表面的法向漏磁信号的梯度值和切向漏磁信号的梯度值。
4.根据权利要求1所述的磁无损检测方法，其特征在于：所述的步骤四中，再依次加载接触载荷至20kN、30kN、40kN和50kN，重复步骤二到步骤三。
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