CN104316419A - 一种利用表面磁场的变化判定铁磁材料开始发生塑形变形的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于磁记忆检测技术的铁磁材料发生塑形变形的判断方法，将磁记忆表面磁场测量与弹塑性力学以及材料学相结合，以表面磁场法向分量作为特征参量，建立了一种针对铁磁构件拉伸载荷下材料进入塑形变形的表征方法。本发明采用金属磁记忆检测拉伸过程中构件表面磁场的变化，通过表面磁场梯度是否开始小于零以及表面磁场是否出现“跳水式”下降来确认材料开始产生塑形变形。

Description

一种利用表面磁场的变化判定铁磁材料开始发生塑形变形的方法

技术领域

本发明属于铁磁材料磁性无损检测领域，涉及一种利用表面磁场磁记忆信号的变化确定铁磁材料进入塑形变形的方法。

背景技术

以钢铁为主的铁磁性材料具有良好的强度、刚度、韧性等性能，在工业生产的各个领域应用越来越广泛。诸如油气管道、高铁、舰船、石油平台、桥梁、跨空间钢架等大型构件，以及航空、航天、核反应堆的有关设备等，如何有效的分析这些构件的应力应变状态，进而得到构件的强度、刚度、稳定性，已成为迫切需要解决的问题。特别地，材料进入塑性变形是材料失效的一个衡量标准。材料进入塑形变性后，线弹性力学方程已不再适用。弹性和塑性变形在微观结构上的变化是不同的，弹性变形主要是原子间距的增加或减少，而塑性变形则导致多种缺陷(例如位错、滑移等)的产生和积累。塑性变形的早期阶段引起畴壁钉扎点的大量增加，以位错、位错缠结以及位错胞形式出现的钉扎点与塑性变形成幂次数迅速增加，而这个过程相对于材料塑性变形的整个阶段是非常短暂的，占材料塑形变形阶段的5％左右。

材料变形由弹性向塑形变形过渡是材料的一种临界应力应变状况。对材料临界应力应变状况的有效评价是评价设备和构件结构强度和可靠性的一个重要依据。目前，判断材料发生塑形变形一般是依据材料应力-应变曲线出现水平线段，或根据材料滑移及其伴随的现象来判断。铁磁材料位错稳定滑移带区域，在外加载荷和地磁场共同作用下会产生自有漏磁场，而这个自有漏磁场包含着材料的应力(应变)状态的信息。因此，可以利用金属磁记忆方法测得的表面磁场来识别材料的应力应变状态。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够利用表面磁场的磁记忆特征参量，对拉伸载荷作用下的构件的应力应变状态进行表征，以识别确定材料进入塑形变形的开端。

本发明的技术目的通过下述方案予以实现：

利用材料塑性变形时的伴随现象来判断材料发生了塑性变形，该方法包括如下步骤：

1)对金属磁记忆检测装置按照相关技术文档，对其磁性传感器进行标定，一般以地磁场为40A/m进行标定，其中A/m为磁场单位；

2)采用退磁机械对构件进行退磁处理，若是经过去应力退火的材料不必进行退磁处理，并用磁记忆检测装置记录测量测点表面磁场法向分量的初始值，记为：Hp(y)₀，其中Hp(y)₀为表面磁场法向分量的初始值；

3)按一定步长的载荷或者应变对试件进行第n次加载，小心将构件从整体结构中取出，放置在无磁平台上，即采用离线测量的方式，记录测量测点表面磁场法向分量，记为Hp(y)'_n，与表面磁场法向分量初始值Hp(y)₀相减，获得第n次载荷下完全由载荷引起的表面磁场记为Hp(y)_n，其中Hp(y)'_n为第n次加载后材料离线方式测量的表面磁场法向分量，Hp(y)₀为表面磁场法向分量的初始值，Hp(y)_n为第n次载荷下完全由载荷引起的表面磁场法向分量；

4)进行第n+1次加载，加载至预定载荷后，以步骤3同样的方式进行表面磁场法向分量的测量，记录值记为Hp(y)'_n+1，将其与表面磁场法向分量初始值Hp(y)₀相减，获得第n+1次载荷下完全由载荷引起的表面磁场记为Hp(y)_n+1，其中Hp(y)'_n+1为第n+1次加载后材料离线方式测量的表面磁场法向分量，Hp(y)₀为表面磁场法向分量的初始值，Hp(y)_n+1为第n+1次载荷下完全由载荷引起的表面磁场法向分量；

5)表面磁场法向分量的梯度K，其中K为表面磁场法向分量的梯度，Hp(y)_n为步骤3第n次加载得到的表面磁场法向分量，Hp(y)_n+1为步骤4第n+1次加载得到的表面磁场法向分量；

6)若表面磁场法向分量的梯度K＞0，材料处于弹性阶段；若表面磁场法向分量的梯度K＜0，材料处于塑性阶段；若表面磁场法向分量的梯度K＝0，材料处于由弹性向塑形变形过渡时刻；

7)当铁磁材料承受塑性变形之后，磁化受到外加磁场，残余应力场，和塑性应变场的影响，总的有效场H_eff：

H_eff＝H+αM+H_σr+H_σp-D_σM

其中H为外加磁场，即地磁场，M为材料的磁化强度，α为平均场耦合系数，而残余应力等效场 $H_{\mathrm{\σr}}=\frac{{3\mathrm{\σ}}_r}{2{\mathrm{\μ}}_0}\frac{\mathrm{d\λ}}{d{M}_{\mathrm{an}}}$ 和塑形变形等效场 $H_{\mathrm{\σp}}=-\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_0}\frac{{\∂E}_p}{\∂M}=-k\left|{\mathrm{\ϵ}}_p\right|$ 都是塑形应变ε_p的函数，k为材料的钉扎系数，σ_r为残余应力，μ₀为真空磁导率，λ为磁致伸缩系数，M_an为无滞后磁化强度，E_p为磁塑性能，对于多晶材料，磁性体的磁化M可以用下式来计算：

$M=M_s(\coth \left(\frac{H_{\mathrm{eff}}}{a}\right)-\frac{a}{H_{\mathrm{eff}}})-\mathrm{k\δ}\left(\frac{\∂M}{\∂H_{\mathrm{eff}}}\right)$

其中δ＝±1分别对应于增加和减少的磁场，M_s为材料的饱和磁化强度，计算可得磁化的表达式：

$\begin{array}{c}\frac{M}{M_s}=\coth \left(\frac{H_{\mathrm{eff}}}{a}\right)-\frac{a}{H_{\mathrm{eff}}}+\frac{\mathrm{k\δ}}{a}\{{\cos \mathrm{ech}}^2\left(\frac{H_{\mathrm{eff}}}{a}\right)-{\left(\frac{a}{H_{\mathrm{eff}}}\right)}^2\}-\mathrm{k\δ}\left(\frac{{\∂}^{2}M}{{\∂}^2{H}_{\mathrm{eff}}}\right)\\ \≈\coth \left(\frac{H_{\mathrm{eff}}}{a}\right)-\frac{a}{H_{\mathrm{eff}}}+\frac{\mathrm{k\δ}}{a}\{{\cos \mathrm{ech}}^2\left(\frac{H_{\mathrm{eff}}}{a}\right)-{\left(\frac{a}{H_{\mathrm{eff}}}\right)}^2\}\\ +\frac{2k^2}{a^2}\{{\cos \mathrm{ech}}^2\left(\frac{H_{\mathrm{eff}}}{a}\right)\coth \left(\frac{H_{\mathrm{eff}}}{a}\right)-{\left(\frac{a}{H_{\mathrm{eff}}}\right)}^2\}\end{array}$

式中a为规划常数，计算可知磁化强度与塑性变形之间是呈“跳水式”的关系，即塑形变形初期，磁化强度快速下降，而后随着塑性变形继续增加，磁化强度缓慢变化；

8)得出各载荷与测点的表面磁场法向分量Hp(y)值对应曲线，铁磁材料发生塑性变形的开始阶段，材料的磁记忆信号会出现“跳水式”下降，而后随着塑形变形的增加而缓慢减少；

9)材料发生塑形变形的另外一个判据是材料表面磁场法向分量Hp(y)值出现“跳水式”下降。

技术效果：

本发明提出了利用一种利用表面磁场磁记忆信号的变化确定铁磁材料进入塑形变形的方法，本发明首次提出了利用材料发生塑形变形时材料的伴随现象表面磁场的变化来判断材料是否发生了塑性变形，该发明适用于所有的铁磁性材料；判据表面磁场法向分量的梯度其中K为表面磁场法向分量的梯度，Hp(y)_n为第n次加载得到的表面磁场法向分量，Hp(y)_n+1为第n+1次加载得到的表面磁场法向分量，计算方法简单，没有复杂的计算公式，而且只需计算是正是负即可，操作简单、使用安全方便；判断方法简单明了，若表面磁场法向分量的梯度K＞0，材料处于弹性阶段，若表面磁场法向分量的梯度K＜0，材料处于塑性阶段，表面磁场法向分量的梯度K＝0，材料处于由弹性向塑形变形过渡时刻，因而该方法可以准确获得材料由弹性向塑形变形过渡的这个临界应力应变状态发生的载荷；对在役运行构件或者封闭结构，只需将传感器预先埋置构件内，实时跟踪表面磁场的变化即可获得材料的应力应变状态，可对铁磁材料设备和构件进行安全和可靠性评估。

附图说明

图1为本发明实施例中构件几何示意图

图2为表1铁磁材料1构件1随载荷变化的表面磁场法向分量值

图3为表2铁磁材料1构件2随塑形应变变化的表面磁场法向分量值

图4为铁磁材料1构件1表面磁场法向分量随载荷的变化

图5为铁磁材料1构件2表面磁场法向分量随塑形应变的变化

图6为表3铁磁材料2构件1随载荷变化的表面磁场法向分量值

图7为表4铁磁材料2构件2随塑形应变变化的表面磁场法向分量值

图8为铁磁材料2构件1表面磁场法向分量随载荷的变化

图9为铁磁材料2构件2表面磁场法向分量随塑形应变的变化

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。基于磁记忆表面磁场特征参量表征铁磁材料是否发生塑形变形的方法，不同材料同样构件尺寸条件下，对构件施加载荷，构件的几何示意图如图1所示：

实施例1：试验之前以地磁场为40A/m对金属磁记忆检测装置按照相关技术文档，对其磁性传感器进行标定；构件1和2选择铁磁材料1，以间隔3KN逐步增加载荷，最大增加至63KN。1、对构件利用退磁机械进行退磁处理，并用磁记忆检测装置记录测量测点表面磁场法向分量，Hp(y)，的初始值，记为：Hp(y)₀；2、对构件进行逐步加载，当加载至设定载荷后(3KN，6KN，9KN...)，小心将构件从整体结构中取出，放置在无磁平台上，记录3个测量测点表面磁场法向分量，记为Hp(y)'_n，与初始值Hp(y)₀相减，获得第n次载荷下完全由载荷引起的表面磁场记为Hp(y)_n＝Hp(y)'_n-Hp(y)₀，如图2和图3所示，图2为构件1随载荷变化的表面磁场法向分量值，图3构件2随塑形应变变化的表面磁场法向分量值，由图2可知构件1在24KN时，表面磁场达到最大值；3、进行下一步的加载获得Hp(y)_n+1；4、计算表面磁场法向分量的梯度5、依据判据，若表面磁场法向分量的梯度K＞0，材料处于弹性阶段，若表面磁场法向分量的梯度K＜0，材料处于塑性阶段，表面磁场法向分量的梯度K＝0，材料处于由弹性向塑形变形过渡时刻，判断材料是否发生塑性变形；6、构件1和构件2材料表面磁场法向分量的梯度K＝0时所对应的载荷为24KN，经计算铁磁材料1钢屈服极限与材料性能相符。7、以载荷为变量绘制表面磁场法向分量随载荷的变化曲线，如图4所示，图4曲线的拐点为24KN，即为表面磁场法向分量的梯度K＝0点，材料此时处于由弹性向塑形变形过渡时刻；8、以塑形变形为变量绘制表面磁场法向分量随应变的变化曲线，如图5所示，根据得到的曲线，找到曲线“跳水式”下降点，同样为24KN。

实施例2：试验之前以地磁场为40A/m对金属磁记忆检测装置按照相关技术文档，对其磁性传感器进行标定；构件1和2选择铁磁材料1，以间隔2KN逐步增加载荷，最大增加至36KN。1、对构件利用退磁机械进行退磁处理，并用磁记忆检测装置记录测量测点表面磁场法向分量，Hp(y)，的初始值，记为：Hp(y)₀；2、对构件进行逐步加载，当加载至设定载荷后(2KN，4KN，6KN...)，小心将构件从整体结构中取出，放置在无磁平台上，记录3个测量测点表面磁场法向分量，记为Hp(y)'_n，与初始值Hp(y)₀相减，获得第n次载荷下完全由载荷引起的表面磁场记为Hp(y)_n＝Hp(y)'_n-Hp(y)₀，如图6和图7所示，图6为构件1随载荷变化的表面磁场法向分量值，图7构件2随塑形应变变化的表面磁场法向分量值，由图6可知构件1在18KN时，表面磁场达到最大值；3、进行下一步的加载获得Hp(y)_n+1；4、计算表面磁场法向分量的梯度5、依据判据，若表面磁场法向分量的梯度K＞0，材料处于弹性阶段，若表面磁场法向分量的梯度K＜0，材料处于塑性阶段，表面磁场法向分量的梯度K＝0，材料处于由弹性向塑形变形过渡时刻，判断材料是否发生塑性变形；6、构件1和构件2材料表面磁场法向分量的梯度K＝0时所对应的载荷为18KN，经计算铁磁材料1钢屈服极限与材料性能相符。7、以载荷为变量绘制表面磁场法向分量随载荷的变化曲线，如图8所示，图8曲线的拐点为18KN，即为表面磁场法向分量的梯度K＝0点，材料此时处于由弹性向塑形变形过渡时刻；8、以塑形变形为变量绘制表面磁场法向分量随应变的变化曲线，如图9所示，根据得到的曲线，找到曲线“跳水式”下降点，同样为18KN。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种利用表面磁场的变化判定铁磁材料开始发生塑形变形的方法，其特征是：该方法包括如下步骤：

1)对金属磁记忆检测装置按照相关技术文档，对其磁性传感器进行标定，一般以地磁场为40A/m进行标定，其中A/m为磁场单位；

2)采用退磁机械对构件进行退磁处理，若是经过去应力退火的材料不必进行退磁处理，并用磁记忆检测装置记录测量测点表面磁场法向分量的初始值，记为：Hp(y)₀，其中Hp(y)₀为表面磁场法向分量的初始值；

3)按一定步长的载荷或者应变对试件进行第n次加载，小心将构件从整体结构中取出，放置在无磁平台上，即采用离线测量的方式，记录测量测点表面磁场法向分量，记为Hp(y)'_n，与表面磁场法向分量初始值Hp(y)₀相减，获得第n次载荷下完全由载荷引起的表面磁场记为Hp(y)_n，其中Hp(y)'_n为第n次加载后材料离线方式测量的表面磁场法向分量，Hp(y)₀为表面磁场法向分量的初始值，Hp(y)_n为第n次载荷下完全由载荷引起的表面磁场法向分量；

4)进行第n+1次加载，加载至预定载荷后，以步骤3同样的方式进行表面磁场法向分量的测量，记录值记为Hp(y)'_n+1，将其与表面磁场法向分量初始值Hp(y)₀相减，获得第n+1次载荷下完全由载荷引起的表面磁场记为Hp(y)_n+1，其中Hp(y)'_n+1为第n+1次加载后材料离线方式测量的表面磁场法向分量，Hp(y)₀为表面磁场法向分量的初始值，Hp(y)_n+1为第n+1次载荷下完全由载荷引起的表面磁场法向分量；

5)表面磁场法向分量的梯度K，其中K为表面磁场法向分量的梯度，Hp(y)_n为步骤3第n次加载得到的表面磁场法向分量，Hp(y)_n+1为步骤4第n+1次加载得到的表面磁场法向分量；

6)若表面磁场法向分量的梯度K＞0，材料处于弹性阶段；若表面磁场法向分量的梯度K＜0，材料处于塑性阶段；若表面磁场法向分量的梯度K＝0，材料处于由弹性向塑形变形过渡时刻；

7)当铁磁材料承受塑性变形之后，磁化受到外加磁场，残余应力场，和塑性应变场的影响，总的有效场H_eff：

H_eff＝H+αM+H_σr+H_σp-D_σM

其中H为外加磁场，即地磁场，M为材料的磁化强度，α为平均场耦合系数，而残余应力等效场 $H_{\mathrm{\σr}}=\frac{3{\mathrm{\σ}}_r}{2{\mathrm{\μ}}_0}\frac{\mathrm{d\λ}}{d{M}_{\mathrm{an}}}$ 和塑形变形等效场 $H_{\mathrm{\σp}}=-\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_0}\frac{\∂E_p}{\∂M}=-k\left|{\mathrm{\ϵ}}_p\right|$ 都是塑形应变ε_p的函数，k为材料的钉扎系数，σ_r为残余应力，μ₀为真空磁导率，λ为磁致伸缩系数，M_an为无滞后磁化强度，E_p为磁塑性能，对于多晶材料，磁性体的磁化M可以用下式来计算：

$M=M_s(\coth \left(\frac{H_{\mathrm{eff}}}{a}\right)-\frac{a}{H_{\mathrm{eff}}})-\mathrm{k\δ}\left(\frac{\∂M}{\∂H_{\mathrm{eff}}}\right)$

其中δ＝±1分别对应于增加和减少的磁场，M_s为材料的饱和磁化强度，计算可得磁化的表达式：

$\begin{array}{c}\frac{M}{M_s}=\coth \left(\frac{H_{\mathrm{eff}}}{a}\right)-\frac{a}{H_{\mathrm{eff}}}+\frac{\mathrm{k\δ}}{a}\{{\cos \mathrm{ech}}^2\left(\frac{H_{\mathrm{eff}}}{a}\right)-{\left(\frac{a}{H_{\mathrm{eff}}}\right)}^2\}-\mathrm{k\δ}\left(\frac{{\∂}^{2}M}{{\∂}^2{H}_{\mathrm{eff}}}\right)\\ \≈\coth \left(\frac{H_{\mathrm{eff}}}{a}\right)-\frac{a}{H_{\mathrm{eff}}}+\frac{\mathrm{k\δ}}{a}\{{\cos \mathrm{ech}}^2\left(\frac{H_{\mathrm{eff}}}{a}\right)-{\left(\frac{a}{H_{\mathrm{eff}}}\right)}^2\}\\ +\frac{2k^2}{a^2}\{{\cos \mathrm{ech}}^2\left(\frac{H_{\mathrm{eff}}}{a}\right)\coth \left(\frac{H_{\mathrm{eff}}}{a}\right)-{\left(\frac{a}{H_{\mathrm{eff}}}\right)}^3\}\end{array}$

式中a为规划常数，计算可知磁化强度与塑性变形之间是呈“跳水式”的关系，即塑形变形初期，磁化强度快速下降，而后随着塑性变形继续增加，磁化强度缓慢变化；

8)得出各载荷与测点的表面磁场法向分量Hp(y)值对应曲线，铁磁材料发生塑性变形的开始阶段，材料的磁记忆信号会出现“跳水式”下降，而后随着塑形变形的增加而缓慢减少；

9)材料发生塑形变形的另外一个判据是材料表面磁场法向分量Hp(y)值出现“跳水式”下降，上述方法即为利用表面磁场的变化判定铁磁材料开始发生塑形变形的方法。