CN113358738A - 一种基于磁声发射信号滞回特性的铁磁性材料疲劳损伤表征方法 - Google Patents
一种基于磁声发射信号滞回特性的铁磁性材料疲劳损伤表征方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于磁声发射信号滞回特性的铁磁性材料疲劳损伤表征方法，根据被测试件的尺寸及材质，确定励磁线圈的尺寸及绕制匝数，选定试件上表面固定位置作为信号采集位置，将声发射探头与试件耦合于信号采集位置，利用单频正弦信号作为励磁信号，进行试件磁化；利用声发射探头拾取磁声发射信号；对采集到的磁声发射信号时域波形和同步励磁信号时域波形进行截取。对磁声发射信号进行包络积分，并将两种数据关于时间对齐。以同步励磁信号为基础计算得到的磁场强度为横坐标，磁声发射信号的包络积分为纵坐标绘制磁声发射信号滞回曲线，提取其磁声发射信号滞回曲线的等效矫顽力，用于试件早期疲劳损伤表征。
Description
技术领域
本发明涉及一种铁磁性材料疲劳损伤的磁声发射表征方法，特别是基于磁声发射信号滞回特性的铁磁性材料疲劳损伤表征方法。该方法适用于铁磁性材料疲劳损伤表征，属于无损检测领域。
背景技术
铁磁性金属材料因其具有十分出色的使用性能和工艺性能，在大型桥梁、铁路和承压管道等工程结构和机械设备中均有非常广泛的应用。这些结构和机械设备在长期服役的过程中，由于长期处于重复载荷作用的工作状态下，极易发生疲劳失效[1]。普遍认为由疲劳导致的结构失效占机械破坏事故的50％～90％[2]。构件在疲劳状态下运行，其力学性能会逐渐退化，并引起多种类型的早期损伤累积，损伤累积部位成为整个系统的故障敏感多发部位。材料疲劳损伤是推算构件服役寿命的重要指标之一，因此迫切需要发展一种可有效检测铁磁性材料疲劳损伤的无损检测方法，作为构件安全运行的技术保障。
利用铁磁性材料的磁学特性，基于电磁原理的无损检测技术对于材料力学性能的表征具有特殊优势。常规的电磁无损检测技术，如涡流检测、漏磁检测、磁粉检测和磁记忆检测等，都能有效检测结构的宏观损伤，如裂纹和空洞等，但对于铁磁性结构微损伤及材料早期力学性能退化的检测灵敏度较低。与此同时，基于材料微观磁学性能变化的微磁无损检测技术，如磁巴克豪森噪声检测等，对于铁磁性结构的微观损伤及早期性能变化具有相对较高的敏感性。但由于磁巴克豪森噪声检测技术受背景磁场及检测线圈热效应影响大，检测结果的信噪比和稳定性都较低。
在外加磁场作用下，铁磁性材料内部磁畴发生不可逆变化时会产生声发射信号，即为磁声发射信号。已有研究表明，磁声发射技术对铁磁性材料性能变化具有较高的敏感性。例如，国内外学者在研究了不同拉压应力对磁声发射信号的影响，证明了磁声发射技术对结构应力表征的可行性[3]。由于磁声发射信号是由被磁化试件中的磁畴变化产生，其信号成分极其复杂，波形分析困难。同时检测过程中信号采集极易受背景噪声干扰，信噪比较差。
由于铁磁性材料的滞回特性对铁磁性材料损伤和性能劣化具有较高的敏感性，国内外学者将基于材料滞回曲线提取的特征参数用于微磁检测中铁磁性材料损伤和性能劣化的表征。近年来，国外学者对磁声发射信号的滞回曲线进行了研究[4]，并将基于该滞回曲线提取的等效矫顽力与磁滞回线矫顽力进行了对比分析，发现两者具有较强的线性关系。但基于磁声发射信号的滞回特性的铁磁性结构损伤及性能劣化检测尚鲜见报道。
本发明提出一种基于磁声发射信号滞回特性的铁磁性材料疲劳损伤检测方法。根据铁磁性材料的磁学特性，本方法基于获取的不同疲劳损伤构件的磁声发射信号和同步励磁信号，绘制出磁声发射信号的滞回曲线，并从中提取出磁声发射信号的等效矫顽力，用于铁磁性材料早期疲劳损伤的表征。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铁磁性材料早期疲劳损伤的表征方法，特别是基于磁声发射信号滞回特性的疲劳损伤表征方法。对待检测试件施加单频交流励磁，利用声发射探头拾取的磁声发射信号时域波形，结合同步励磁信号绘制出磁声发射信号的滞回曲线，并从中提取出磁声发射信号的等效矫顽力，用于铁磁性材料早期疲劳损伤的表征。
本发明提出的一种基于磁声发射信号滞回特性的铁磁性材料疲劳损伤表征方法，其基本原理在于：
本专利提出的基于磁声发射信号滞回特性的疲劳损伤表征方法原理在于，在单频正弦励磁下，试件内部磁畴发生变化，产生磁声发射信号，同时由于试件的磁滞效应，磁声发射信号也具备磁滞特性。
本发明提出的基于磁声发射信号滞回特性的获取过程参照磁滞回线的获取方法。当交流信号施加到励磁线圈上时，所产生的交变磁场可将铁磁性材料磁化，实验过程中，铁磁性材料的磁化场的磁场强度为
式中，Nin为励磁线圈绕制匝数，i(t)为通过励磁线圈的同步励磁电流，l为绕制线圈所形成的磁路长度。
利用声发射探头拾取磁声发射信号时域波形，并对其取包络得到v(t)，通过以下积分操作得到磁声发射信号的包络积分值VMAE，
式中，v(t)为声发射探头检测信号。
利用磁声发射信号的包络积分VMAE和同步励磁信号反推出的磁场强度信号H(t)，即可绘制该铁磁性材料的VMAE-H曲线，即磁声发射信号的滞回曲线。
提取磁声发射信号的滞回曲线VMAE-H中磁声发射包络积分值为零时的磁场强度值(如图4所示)，即为磁声发射信号的等效矫顽力
从不同疲劳损伤试件检测的磁声发射信号的滞回曲线中提取出其等效矫顽力，磁声发射信号的该滞回特征参量可用于试件疲劳损伤的表征。
本发明的技术方案如下：
本发明所采用的装置参见图1，包括函数发生器1、功率放大器2、励磁线圈3、声发射探头4、前置放大器5声发射接收仪6和计算机7。首先，将函数发生器1输出端口与功率放大器2的输入端口相连，用于输入信号的功率放大。接着，将功率放大器2的输出端与励磁线圈相连，用于对线圈的激励，以实现对待测试件的磁化。同时，声发射探头经超声耦合剂耦合于试件上，声发射探头4用于磁声发射信号的拾取，其输出端与前置放大器5的输入端相连接，用于接收信号的幅值放大。前置放大器5的输出端接入声发射接收仪6的输入端，用于磁声发射信号的调理。函数发生器1输出端口与声发射接收仪6外接参数接口相连，用于同步励磁信号的采集。声发射接收仪6通过USB与计算机7相连，将采集到的磁声发射信号与同步励磁信号传入计算机，以供后续分析处理用。
本发明提出的一种基于磁声发射信号滞回特性的铁磁性材料疲劳损伤表征方法，是通过以下步骤实现的：
1)被测试件为不同高疲劳周期处理的铁磁性试件，各试件的尺寸相同，疲劳周期数不同，且表面平整不存在凹坑、空洞和裂纹等缺陷。在被测试件表面一侧固定位置耦合声发射探头，用于该试件的磁声发射信号的拾取，励磁线圈绕于试件的中心位置。不同试件检测过程中声发射探头的耦合位置和励磁线圈位置保持一致；
2)按照图1进行磁声发射检测系统连接。按下函数发生器输出按钮，并启动声发射采集系统；
3)利用计算机实时显示磁声发射信号和同步励磁信号波形，当波形稳定后，在计算机上保存检测信号；
4)励磁线圈摆放位置和声发射探头在试件的耦合位置保持不变，重复步骤(3)，记录同一试件相同位置的多次检测结果。更换被测试件，重复上述操作，完成不同疲劳损伤试件的磁声发射信号采集；
5)对采集到的磁声发射信号时域波形和同步励磁信号时域波形进行截取。对磁声发射信号进行包络积分，并将两种数据关于时间对齐。以同步励磁信号为基础，根据公式(1)计算得到的磁场强度为横坐标，根据公式(2)计算得到的磁声发射信号包络积分为纵坐标，绘制磁声发射信号的滞回曲线，提取其磁声发射信号滞回曲线的等效矫顽力，用于试件疲劳损伤表征。
本发明具有以下优点：(1)利用励磁线圈直接对试件进行磁化，避免了磁轭励磁过程中磁轭与试件碰撞产生的振动信号对磁声发射检测的干扰，提高了磁声发射检测信号的信噪比；(2)将磁声发射的磁滞特征参数用于疲劳损伤表征，避免了直接基于磁声发射特征参数检测时受噪声影响问题。
附图说明
图1检测装置系统图。
图中：1、函数发生器，2、功率放大器，3、励磁线圈，4、声发射探头，5、前置放大器，6、声发射接收仪，7、计算机。
图2检测试件尺寸。
图3典型实验采集磁声发射信号时频域图。
图中：时域图横坐标为采样点数，纵坐标为信号幅值；频域图中横坐标为频率，纵坐标为幅频值。
图4典型磁声发射信号滞回曲线。
图中：横坐标为磁场强度，纵坐标为磁声发射强度。
图5不同疲劳周期数试件的磁声发射信号滞回曲线。
图中：疲劳周期数为a)0次b)5×104次c)1×105次d)1.5×105次e)2×105次f)2.5×105次g)3×105次h)3.5×105次。
图6磁声发射信号的等效矫顽力随疲劳周期变化结果。
图中横坐标为材料的疲劳周期数，纵坐标为磁声发射信号的等效矫顽力。
具体实施方式
下面结合具体实验对本发明作进一步说明：
本实验实施过程包括以下步骤：
1、实验系统搭建：按照图1所示的检测装置系统图搭建实验系统，系统包括函数发生器1、功率放大器2、励磁线圈3、声发射探头4、前置放大器5声发射接收仪6和计算机7，首先，将函数发生器1输出端与功率放大器2输入端相连，函数发生器用于产生稳定励磁信号，功率放大器用于励磁信号的放大。接着，将功率放大器2的输出端连接励磁线圈3，使线圈产生交变磁场，对试件进行磁化。然后，声发射探头4拾取磁声发射信号，并传输至前置放大器5，选择60dB放大档，前置放大器5输出端与声发射接收仪6输入端相连，声发射接收仪6通过USB与计算机相连，将采集到的磁声发射信号和同步励磁信号传入计算机7，进行保存和处理。
2、检测方式选择：被测试件选择8块标准拉伸试件，材料选择45#钢，图2给出了其具体尺寸，表1给出了其主要化学成分。对试件进行高周疲劳试验，表2给出了试件的不同疲劳周期数。在8个试件上表面的选择相同的固定位置作为声发射探头的数据采集点，励磁线圈皆绕于试件的中心位置。实验共采集了720组数据(70次重复检测×8个试件)。
3、励磁信号参数设定：励磁信号波形选择正弦，幅值为10V，频率为5Hz；
4、磁声发射信号滞回曲线检测实验：启动函数发生器和声发射接收仪。在试件固定位置耦合好声发射探头，启动功率放大器，检测到的磁声发射信号就会通过前置放大器和声发射接收仪实时显示在计算机上，等待励磁稳定，保存该检测信号，在试件相同位置重复采集70次信号(如图3所示)。更换待检测试件重复以上步骤。
5、信号分析与处理：由计算机对采集到的磁声发射信号进行分析处理。对检测的磁声发射信号进行包络积分。与同步励磁信号波形在时间上一一对应。然后，根据公式(1)，以同步励磁信号为基础计算得到的磁场强度为横坐标，由公式(2)求得的磁声发射信号包络积分作为纵坐标，得到磁声发射信号的滞回曲线。根据公式(3)提取磁声发射信号的等效矫顽力。
6、实验结果分析：已知8块试件的疲劳周期数分布在0-3.5×105次之间，各试件的疲劳周期数不同，且呈等间距增大趋势。由图6可知，磁声发射信号的等效矫顽力随试件疲劳周期数的增大而逐渐增大，且有较好的线性关系。因此，磁声发射信号的滞回特征参数可用于铁磁性材料疲劳损伤的表征。
表1
表2
以上是本发明的一个典型应用，本发明的应用不限于此。
参考文献
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Claims (2)
1.一种基于磁声发射信号滞回特性的铁磁性材料疲劳损伤检测装置，其特征在于：该装置包括函数发生器(1)、功率放大器(2)、励磁线圈(3)、声发射探头(4)、前置放大器(5)声发射接收仪(6)和计算机(7)；首先，将函数发生器(1)输出端口与功率放大器(2)的输入端口相连，用于输入信号的功率放大；接着，将功率放大器(2)的输出端与励磁线圈相连，用于对线圈的激励，以实现对待测试件的磁化；同时，声发射探头经超声耦合剂耦合于试件上，声发射探头(4)用于磁声发射信号的拾取，其输出端与前置放大器(5)的输入端相连接，用于接收信号的幅值放大；前置放大器(5)的输出端接入声发射接收仪(6)的输入端，用于磁声发射信号的调理；函数发生器(1)输出端口与声发射接收仪(6)外接参数接口相连，用于同步励磁信号的采集；声发射接收仪(6)通过USB与计算机(7)相连，将采集到的磁声发射信号与同步励磁信号传入计算机，以供后续分析处理用。
2.一种基于磁声发射信号滞回特性的铁磁性材料疲劳损伤表征方法，其特征在于：该方法通过以下步骤实现的，
1)被测试件为不同高疲劳周期处理的铁磁性试件，各试件的尺寸相同，疲劳周期数不同，且表面平整不存在凹坑、空洞和裂纹等缺陷；在被测试件表面一侧固定位置耦合声发射探头，用于该试件的磁声发射信号的拾取，励磁线圈绕于试件的中心位置；不同试件检测过程中声发射探头的耦合位置和励磁线圈位置保持一致；
2)进行磁声发射检测系统连接；按下函数发生器输出按钮，并启动声发射采集系统；
3)利用计算机实时显示磁声发射信号和同步励磁信号波形，当波形稳定后，在计算机上保存检测信号；
4)励磁线圈摆放位置和声发射探头在试件的耦合位置保持不变，重复步骤3)，记录同一试件相同位置的多次检测结果；更换被测试件，重复上述操作，完成不同疲劳损伤试件的磁声发射信号采集；
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