CN112504833B - 一种面向烧结钕铁硼疲劳裂纹损伤扩展的在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向烧结钕铁硼疲劳裂纹损伤扩展的在线监测方法，涉及无损检测技术领域，通过配备有高精度磁传感器的在线监测仪，即可能够在保证监测准确性的前提下，达到了对烧结钕铁硼这类脆性材料疲劳损伤扩展过程的实时在线监测过程。同时对监测环境要求条件低，适用场景广泛。本发明提出的监测方法能够在不破坏烧结钕铁硼结构完整性的前提下，反映出烧结钕铁硼未发生疲劳断裂之前的应力集中情况，对前期的疲劳损伤累积过程进行定性分析，而且能够监测到烧结钕铁硼突发性的脆性疲劳断裂行为的发生，有效解决了目前光学监测系统对于脆性疲劳断裂无法进行监测的难题，同时为疲劳损伤过程中前期的应力集中情况提供了新的监测方法。

Description

一种面向烧结钕铁硼疲劳裂纹损伤扩展的在线监测方法

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，特别涉及一种面向烧结钕铁硼疲劳裂纹损伤扩展的在线监测方法。

背景技术

烧结钕铁硼作为综合磁性能最好的硬磁材料，广泛应用于通讯、医疗、航天航空以及国家军工能多个行业领域。长久以来人们对于烧结钕铁硼的关注重点集中在改善其电磁学性能，以及对其力学结构性能的研究，少有对机械损伤的研究，尤其是动态力学作用下的疲劳损伤过程方面的研究。在各种复杂的机械中，由烧结钕铁硼制备的零部件在服役期间长时间处于复杂突变载荷的作用下，在零部件表面以及内部缺陷等应力集中处往往容易萌生疲劳裂纹，继而引起疲劳断裂。烧结钕铁硼零部件的断裂不仅破坏材料自身的连续性导致使用性能和使用寿命的下降，严重时还会造成零部件失效甚至引发安全生产事故。研究表明，由疲劳损伤引起的零部件失效占机械结构失效总数的50％～90％。因此对烧结钕铁硼中疲劳损伤过程的监测、分析是一个重要的研究方向。

疲劳损伤是一个逐渐累积的动态力学演化过程，疲劳断裂行为的产生是疲劳损伤的最终表现形式，单单研究疲劳断裂行为不足以对疲劳损伤的整个过程进行分析研究。当前对于疲劳损伤过程的研究主要集中在疲劳断裂的产生，对于前期的应力集中现象少有分析。在循环应力作用下，应力集中会引起局部永久性的累积损伤，对零构件的疲劳寿命产生巨大的影响。为了进一步研究疲劳损伤的扩展过程，对前期的应力集中引起的疲劳损伤累积过程进行监测同样显得尤为重要。

目前对于疲劳损伤扩展过程的监测技术，绝大部分集中于光学仪器观察等离线手段，通过高分辨率的光学观察仪器，利用高速摄影技术和相关的数字图像处理技术来对疲劳断裂行为进行研究。但这种方法需要构建起复杂的原位裂纹监测系统，监测成本高；并且监测过程中对环境要求高，需要具备充足的光线以获得较为清晰的监测图片。此外脆性材料的疲劳断裂具有突发性，微观裂纹形成后很快达到临界长度，几乎不经历裂纹亚稳态扩展阶段就进入裂纹失稳扩展阶段，裂纹扩展速度极快且在断裂前无明显塑性变形产生，因此常用的光学仪器监测手段显得很难适用。

针对烧结钕铁硼这种脆性材料的疲劳损伤扩展过程，本申请提供一种面向烧结钕铁硼疲劳裂纹损伤扩展的在线监测方法，在无外界激励的地磁场环境下根据力磁耦合效应机理，在不破坏烧结钕铁硼自身结构完整性的前提下，不需要构建具备足够微观分辨率的原位光学监测系统，通过将烧结钕铁硼自身的磁性参量作为疲劳损伤过程的状态监测量，利用构建起的地磁环境下的烧结钕铁硼力磁耦合方程，根据获取的磁性参量变化即可对烧结钕铁硼的疲劳损伤扩展过程进行在线监测，同时对于一般光学监测系统难以监测到的突发性脆性断裂过程，也可实现在线监测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向烧结钕铁硼疲劳裂纹损伤扩展的在线监测方法，在无外界激励的地磁场环境下根据力磁耦合效应机理，在不破坏烧结钕铁硼自身结构完整性的前提下，不需要构建具备足够微观分辨率的原位光学监测系统，通过将烧结钕铁硼自身的磁性参量作为疲劳损伤过程的状态监测量，利用构建起的地磁环境下的烧结钕铁硼力磁耦合方程，根据获取的磁性参量变化即可对烧结钕铁硼的疲劳损伤扩展过程进行在线监测，同时对于一般光学监测系统难以监测到的突发性脆性断裂过程，也可实现在线监测。

本发明提供了一种面向烧结钕铁硼疲劳裂纹损伤扩展的在线监测方法，包括如下步骤：

S1：装配在线监测仪：所述在线监测仪通过航插孔与测磁传感器连接，所述测磁传感器的探头放置在距离烧结钕铁硼试样表面上方2～3cm处；

S2：试样的预处理：监测过程前对所述烧结钕铁硼试样表面进行抛光打磨，防止在疲劳加载试验中从外表面引起疲劳损伤的累积，对试验结果产生影响；

S3：疲劳试验的相关参数设置：根据所述烧结钕铁硼试样的力学性能参数设置疲劳试验加载参数，并进行多次试验；

S4：施加疲劳载荷：采用设置好相关加载参数的疲劳试验机，对所述烧结钕铁硼试样施加疲劳载荷；

S5：获取疲劳损伤在线监测过程中磁感应强度值：对所述烧结钕铁硼试样施加疲劳载荷的同时开启在线监测仪，利用所述测磁传感器获取所述烧结钕铁硼试样的磁感应强度值；

S6：处理分析在线监测过程中磁感应强度值：通过在线监测仪对疲劳损伤扩展过程中获取的磁感应强度值进行多项式曲线拟合，对在线监测到的磁感应强度值的波动情况进行分析；

S7：判定分析在线监测过程中疲劳损伤累积与疲劳断裂：利用磁感应强度值的残差分析对疲劳损伤扩展过程中的应力集中情况、疲劳断裂行为进行判定和监测。

较佳地，所述步骤S4中增加的应力能表示为：

其中，σ为应力，r1、r2、r3为应力作用的方向余弦，α1、α2、α3为磁化强度的方向余弦，λ₁₀₀、λ₁₁₁为磁致伸缩系数；

无加载疲劳载荷历史的所述烧结钕铁硼试样为磁致伸缩各向同性，则有λ₁₀₀＝λ₁₁₁＝λ_σ；其中λ_σ为处在应力σ作用下的磁致伸缩系数，则增加的应力能表示为：

其中，θ为应力方向与磁化矢量方向的夹角；

假设单向拉伸试验时应力与磁化方向平行，则有cos²θ＝1，则应力能为：

在磁场强度为H，磁感应强度为B的地磁场环境中，应力能引起的磁能增量可以表示为：

所述烧结钕铁硼试样在外应力作用下的弹性阶段满足以下关系：

其中，λ_m为饱和磁致伸缩系数，B_m为饱和磁感应强度，将式(5)代入式(4)中，整理可得：

其中，μ_σ为应力σ引起的材料的相对磁导率，μ_T为材料的初始磁导率，式(6)为建立的弹性阶段烧结钕铁硼的应力-相对磁导率方程，当所述烧结钕铁硼磁体在外应力作用下时，其相对磁导率μ_σ会随着应力σ发生改变，通过分析相对磁导率μ_σ得到疲劳损伤的变化规律。

较佳地，所述步骤S5获取疲劳损伤在线监测过程中位于空气介质下的电磁本构关系式表示为：

B＝μ₀H (7)

其中，μ₀为真空磁导率，B为地磁场的磁感应强度；

处于磁场环境中的铁磁介质的电磁本构关系为：

其中,M(H，σ)为烧结钕铁硼在力磁耦合作用下产生的磁化强度改变量，通过烧结钕铁硼磁感应强度值B_T的变化分析烧结钕铁硼相对磁导率μ_σ随疲劳损伤的演化过程，实现对烧结钕铁硼疲劳损伤扩展过程的在线监测。

较佳地，所述步骤S7中疲劳损伤累积与疲劳断裂的判定现象为：当磁感应强度残差值在小范围上下来回波动时，说明处于疲劳损伤累积过程；当磁感应强度残差值产生明显上升趋势时，说明产生疲劳断裂，并且在疲劳断裂行为结束后磁感应强度残差值出现负增长现象，磁感应强度值大幅度下降。

与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

本发明提供了一种面向烧结钕铁硼疲劳裂纹损伤扩展的在线监测方法，在普通的地磁场环境下即可对烧结钕铁硼的疲劳损伤扩展过程实施在线监测，无需使用额外的外加激励源，节约监测成本。无需针对宏观裂纹扩展过程构建复杂的光学观测系统，简化监测流程的同时避免大量监测数据的计算冗余。通过配备有高精度磁传感器的在线监测仪，即可能够在保证监测准确性的前提下，达到了对烧结钕铁硼这类脆性材料疲劳损伤扩展过程的实时在线监测过程。同时对监测环境要求条件低，适用场景广泛。在对烧结钕铁硼疲劳损伤扩展的在线监测过程中，本发明提出的监测方法能够在不破坏烧结钕铁硼结构完整性的前提下，不仅能够反映出烧结钕铁硼未发生疲劳断裂之前的应力集中情况，对前期的疲劳损伤累积过程进行定性分析，而且能够监测到烧结钕铁硼突发性的脆性疲劳断裂行为的发生，有效解决了目前光学监测系统对于脆性疲劳断裂无法进行监测的难题，同时为疲劳损伤过程中前期的应力集中情况提供了新的监测方法。

附图说明

图1为本发明实施例提供的疲劳载荷为80MPa时的烧结钕铁硼在线监测数据图；

图2为本发明实施例提供的疲劳载荷为88MPa时的烧结钕铁硼在线监测数据图；

图3为本发明实施例提供的疲劳载荷为96MPa时的烧结钕铁硼在线监测数据图；

图4为本发明实施例提供的疲劳载荷为104MPa时的烧结钕铁硼在线监测数据图；

图5为本发明实施例提供的高精度磁传感器与在线监测仪连接图。

具体实施方式

下面结合本发明中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

目前常用的对于疲劳损伤扩展过程的监测技术，大多集中于利用光学仪器观察等离线手段，通过建立具备高精度微观分辨率的试验系统以及能够测量裂纹长度变化的原位连续测量试验方法，来对疲劳损伤扩展过程中裂纹的萌生与扩展进行研究。对于烧结钕铁硼的典型脆性断裂过程，裂纹萌生后很快达到临界长度，几乎不经历裂纹亚稳态扩展直接进入裂纹失稳扩展阶段，并且断裂前烧结钕铁硼无明显塑性变形，这使得获取裂纹长度变化值变得尤为困难。若想要获取较为精确的裂纹长度变化值，需要采用更高精度微观分辨率的试验系统，或者提高原位测量试验方法的采样频率，两者均会导致计算冗余，无法达到准确实时监测的目的。

而现有的疲劳损伤扩展过程的监测方法只能对宏观疲劳裂纹的扩展过程进行监测，无法监测到前期疲劳损伤积累的过程，尤其对于疲劳损伤扩展过程中的应力集中情况难以进行监测。

本发明针对烧结钕铁硼这类脆性材料疲劳损伤扩展过程的特殊性，将磁参量引入到疲劳损伤在线监测领域中，提出一种基于力磁耦合效应的疲劳损伤扩展过程的在线监测方法，避免复杂的试验系统构建以及监测过程中数据的计算冗余，达到对烧结钕铁硼疲劳损伤扩展过程准确、实时的监测。

参照图1-5，本发明提供了一种面向烧结钕铁硼疲劳裂纹损伤扩展的在线监测方法，包括如下步骤：

S1：装配在线监测仪：根据实际监测试样的大小选取合适的高精度测磁传感器规格及数量，所述在线监测仪通过航插孔与测磁传感器连接，所述测磁传感器的探头放置在距离烧结钕铁硼试样表面上方2～3cm处，在获取所述烧结钕铁硼试样磁感应强度信号的同时避免试样震动引起的测量误差干扰；

S2：试样的预处理：监测过程前对所述烧结钕铁硼试样表面进行抛光打磨，祛除表面的氧化层以及凹痕等表面微小缺陷，防止在疲劳加载试验中从外表面引起疲劳损伤的累积，对试验结果产生影响；

S3：疲劳试验的相关参数设置：根据所述烧结钕铁硼试样的力学性能参数设置疲劳试验加载参数，并进行多次试验，在多次疲劳试验中从低到高逐渐增大疲劳载荷，分别施加80MPa、88MPa、96MPa以及104MPa的载荷，对疲劳损伤扩展过程进行研究；

S4：施加疲劳载荷：采用设置好相关加载参数的Instron8801型疲劳试验机，对所述烧结钕铁硼试样施加疲劳载荷，所述烧结钕铁硼试样内部磁畴在地磁场的驱动下取向发生偏转，磁特性发生改变，在所述烧结钕铁硼试样的应力集中区域会聚集一定程度的应力能；

S5：获取疲劳损伤在线监测过程中磁感应强度值：对所述烧结钕铁硼试样施加疲劳载荷的同时开启在线监测仪，利用所述测磁传感器获取所述烧结钕铁硼试样的磁感应强度值；

S6：处理分析在线监测过程中磁感应强度值：通过在线监测仪对疲劳损伤扩展过程中获取的磁感应强度值进行多项式曲线拟合，对在线监测到的磁感应强度值的波动情况进行分析；

S7：判定分析在线监测过程中疲劳损伤累积与疲劳断裂：利用磁感应强度值的残差分析对疲劳损伤扩展过程中的应力集中情况、疲劳断裂行为进行判定和监测。

实施例1

所述步骤S4中增加的应力能表示为：

其中，σ为应力，r1、r2、r3为应力作用的方向余弦，α1、α2、α3为磁化强度的方向余弦，λ₁₀₀、λ₁₁₁为磁致伸缩系数；

无加载疲劳载荷历史的所述烧结钕铁硼试样为磁致伸缩各向同性，则有λ₁₀₀＝λ₁₁₁＝λ_σ；其中λ_σ为处在应力σ作用下的磁致伸缩系数，则增加的应力能表示为：

其中，θ为应力方向与磁化矢量方向的夹角；

假设单向拉伸试验时应力与磁化方向平行，则有cos²θ＝1，则应力能为：

根据基于铁磁学基本理论的能量平衡学说，在磁场强度为H，磁感应强度为B的地磁场环境中，应力能引起的磁能增量可以表示为：

所述烧结钕铁硼试样在外应力作用下的弹性阶段满足以下关系：

其中，λ_m为饱和磁致伸缩系数，B_m为饱和磁感应强度，两者均与材料的属性有关，将式(5)代入式(4)中，整理可得：

其中，μ_σ为应力σ引起的材料的相对磁导率，μ_T为材料的初始磁导率，式(6)为建立的弹性阶段烧结钕铁硼的应力-相对磁导率方程，当所述烧结钕铁硼磁体在外应力作用下时，其相对磁导率μ_σ会随着应力σ发生改变，通过分析相对磁导率μ_σ得到疲劳损伤的变化规律。

实施例2

所述步骤S5获取疲劳损伤在线监测过程中位于空气介质下的电磁本构关系式表示为：

B＝μ₀H (7)

其中，μ_σ为真空磁导率，B为地磁场的磁感应强度；

处于磁场环境中的铁磁介质的电磁本构关系为：

其中,M(H，σ)为烧结钕铁硼在力磁耦合作用下产生的磁化强度改变量，通过烧结钕铁硼磁感应强度值B_T的变化分析烧结钕铁硼相对磁导率μ_σ随疲劳损伤的演化过程，实现对烧结钕铁硼疲劳损伤扩展过程的在线监测。

实施例3

所述步骤S7中疲劳损伤累积与疲劳断裂的判定现象为：当磁感应强度残差值在小范围上下来回波动时，说明处于疲劳损伤累积过程；当磁感应强度残差值产生明显上升趋势时，说明产生疲劳断裂，并且在疲劳断裂行为结束后磁感应强度残差值出现负增长现象，磁感应强度值大幅度下降。是由于疲劳断裂导致的应力释放引起的。

实施例4

参照图1，通过对烧结钕铁硼磁体进行多次疲劳试验，在试验过程中使用构建的磁性参量监测方法对烧结钕铁硼的疲劳损伤过程进行在线监测，同时为验证所提出在线监测方法的有效性和可靠性，在疲劳试验中对烧结钕铁硼施加不同大小的疲劳载荷，来监测到磁感应强度信号随疲劳损伤过程的变化情况。

当施加疲劳载荷大小为80MPa时，监测到的烧结钕铁硼磁感应强度信号呈现平稳状态，未出现明显波动及变化趋势。施加的疲劳循环载荷周次达到20000次时，仍未出现疲劳断裂情况，在疲劳循环加载的整个阶段烧结钕铁硼疲劳损伤过程尚不明显。

参照图2，当施加疲劳载荷大小为88MPa时，监测到的烧结钕铁硼磁感应强度值随着疲劳循环载荷周次的增加，出现近似正弦型函数曲线变化，并且从对磁感应强度值的拟合曲线可以看出，磁感应强度值呈现出增加趋势。表明烧结钕铁硼内部的疲劳损伤随着施加疲劳循环载荷周次的增加，处于逐渐累积的过程。通过对磁感应强度值与拟合曲线的残差值分析，可以发现随着疲劳损伤过程的累积在线监测到的磁感应强度值波动愈加剧烈，但仍未产生疲劳断裂行为。

参照图3，当施加疲劳载荷大小为96MPa时，监测到的烧结钕铁硼磁感应强度值随着疲劳循环载荷周次增加呈现出明显上升趋势，表现出单调递增状态。随着施加疲劳载荷的进一步增大，烧结钕铁硼疲劳损伤过程发展更加迅速，内部疲劳损伤累积过程愈加明显。

参照图4，当施加疲劳载荷大小为104MPa时，监测到的烧结钕铁硼磁感应强度值变化情况随着疲劳循环载荷周次增加分为两个阶段。第一个阶段在烧结钕铁硼未发生疲劳断裂之前，随着施加疲劳循环载荷周次的增加，烧结钕铁硼的磁感应强度值由于应力集中导致表现出单调递增状态，表明烧结钕铁硼内部的疲劳损伤处于逐渐累积的过程。第二个阶段当疲劳循环载荷周次增加到16800次的时候，烧结钕铁硼产生脆性疲劳断裂，导致断裂处发生迅速的应力释放，监测到的磁感应强度值出现急剧下降。通过对磁感应强度拟合曲线残差值分析可以看出，在烧结钕铁硼即将发生疲劳断裂至疲劳断裂完全结束的这一过程，磁感应强度残差值波动大幅度增加，且出现负相关变化状态。在应力释放过程结束后，烧结钕铁硼磁感应强度值在短时间内趋于稳定。

通过对烧结钕铁硼进行多次疲劳试验，在施加不同大小的载荷疲劳时，烧结钕铁硼表现出相似的疲劳损伤累积扩展过程。从图1、2、3中可以看出在未发生疲劳断裂时，在线监测到的烧结钕铁硼磁感应强度值随着疲劳载荷的增加以及疲劳载荷循环周次的增多表现出上升趋势，说明疲劳损伤处于逐渐累积的过程。从图4可以看出，在烧结钕铁硼未发生疲劳断裂之前监测到的磁感应强度值不断增加，表现出的规律与图1、2、3相一致，当疲劳循环载荷施加到一定数量时，发生脆性断裂，并伴随迅速的应力释放，导致监测到的磁感应强度值急剧下降。

经过多次试验验证，证实本发明所提出的地磁场环境下对烧结钕铁硼疲劳损伤扩展过程的在线监测方法具有良好的科学可行性和有效性。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种面向烧结钕铁硼疲劳裂纹损伤扩展的在线监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：装配在线监测仪：所述在线监测仪通过航插孔与测磁传感器连接，所述测磁传感器的探头放置在距离烧结钕铁硼试样表面上方2～3cm处；

S2：试样的预处理：监测过程前对所述烧结钕铁硼试样表面进行抛光打磨，防止在疲劳加载试验中从外表面引起疲劳损伤的累积，对试验结果产生影响；

S3：疲劳试验的相关参数设置：根据所述烧结钕铁硼试样的力学性能参数设置疲劳试验加载参数，并进行多次试验；

S4：施加疲劳载荷：采用设置好相关加载参数的疲劳试验机，对所述烧结钕铁硼试样施加疲劳载荷；

S5：获取疲劳损伤在线监测过程中磁感应强度值：对所述烧结钕铁硼试样施加疲劳载荷的同时开启在线监测仪，利用所述测磁传感器获取所述烧结钕铁硼试样的磁感应强度值；

S6：处理分析在线监测过程中磁感应强度值：通过在线监测仪对疲劳损伤扩展过程中获取的磁感应强度值进行多项式曲线拟合，对在线监测到的磁感应强度值的波动情况进行分析；

S7：判定分析在线监测过程中疲劳损伤累积与疲劳断裂：利用磁感应强度值的残差分析对疲劳损伤扩展过程中的应力集中情况、疲劳断裂行为进行判定和监测；

所述步骤S4中增加的应力能表示为：

其中，σ为应力，r1、r2、r3为应力作用的方向余弦，α1、α2、α3为磁化强度的方向余弦，λ₁₀₀、λ₁₁₁为磁致伸缩系数；

无加载疲劳载荷历史的所述烧结钕铁硼试样为磁致伸缩各向同性，则有λ₁₀₀＝λ₁₁₁＝λ_σ；其中λ_σ为处在应力σ作用下的磁致伸缩系数，则增加的应力能表示为：

其中，θ为应力方向与磁化矢量方向的夹角；

假设单向拉伸试验时应力与磁化方向平行，则有cos²θ＝1，则应力能为：

在磁场强度为H，磁感应强度为B的地磁场环境中，应力能引起的磁能增量可以表示为：

所述烧结钕铁硼试样在外应力作用下的弹性阶段满足以下关系：

其中，λ_m为饱和磁致伸缩系数，B_m为饱和磁感应强度，将式(5)代入式(4)中，整理可得：

其中，μ_σ为应力σ引起的材料相对磁导率，μ_T为材料的初始磁导率，式(6)为建立的弹性阶段烧结钕铁硼的应力-相对磁导率方程，当所述烧结钕铁硼在外应力作用下时，其相对磁导率μ_σ会随着应力σ发生改变，通过分析相对磁导率μ_σ得到疲劳损伤的变化规律。

2.如权利要求1所述的一种面向烧结钕铁硼疲劳裂纹损伤扩展的在线监测方法，其特征在于，所述步骤S5获取疲劳损伤在线监测过程中位于空气介质下的电磁本构关系式表示为：

B＝μ₀H (7)

其中，μ₀为真空磁导率，B为地磁场的磁感应强度；

处于磁场环境中的铁磁介质的电磁本构关系为：

B_T＝μ₀[H+M(H,σ)] (8)

其中,M(H,σ)为烧结钕铁硼在力磁耦合作用下产生的磁化强度改变量，通过烧结钕铁硼磁感应强度值B_T的变化分析烧结钕铁硼相对磁导率μ_σ随疲劳损伤的演化过程，实现对烧结钕铁硼疲劳损伤扩展过程的在线监测。

3.如权利要求1所述的一种面向烧结钕铁硼疲劳裂纹损伤扩展的在线监测方法，其特征在于，所述步骤S7中疲劳损伤累积与疲劳断裂的判定现象为：当磁感应强度残差值在小范围上下来回波动时，说明处于疲劳损伤累积过程；当磁感应强度残差值产生明显上升趋势时，说明产生疲劳断裂，并且在疲劳断裂行为结束后磁感应强度残差值出现负增长现象，磁感应强度值大幅度下降。

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