CN114942090A - 一种基于自发射磁信号评价铁磁性熔覆层应力的修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于自发射磁信号评价铁磁性熔覆层应力的修正方法，所述方法基于铁磁性材料受载状态下的力‑磁机械效应，结合应力集中理论，通过采集熔覆层的自发射磁信号，提取其可表征应力和应力集中程度的自发射磁信号特征参量，建立磁场强度梯度与应力集中程度、磁场强度梯度与应力的对应关联，通过数值拟合方法得到其定量关联，进而实现熔覆层应力集中程度及其应力状态的定量评价。本发明实现了应力集中系数影响熔覆层自发射磁信号磁场强度梯度与应力关系的修正；本发明为多原因诱发熔覆层应力集中现象影响其应力状态评价提供了一种无损、快速、方便、有效的修正方法。
Description
技术领域
本发明涉及应力无损评价技术，特别是一种基于自发射磁信号评价铁磁性熔覆层应力的修正方法。
背景技术
随服役工况的日益苛刻，由机械装备关键部件疲劳损伤导致机械装备整体失效的概率越来越高，这不仅导致资源能源的浪费，而且增大了环境污染治理和节能减排的难度，机械装备再制造为解决这一问题提供了有效途径。因具有高能量密度和高成型精度等优点，激光熔覆技术成为机械装备再制造常用技术之一，然而由局部液/固态非平衡快速冷却凝固及组织转变等原因诱发的残余拉应力导致激光熔覆层变形和开裂的问题一直是制约激光熔覆再制造技术推广应用的瓶颈。针对这一问题，国内外学者对其进行了大量理论与实验研究，主要包括如下三方面：①熔覆工艺的优化；②熔覆技术的革新；③熔覆材料的开发。上述方法虽在一定程度上可实现激光熔覆层应力的控制，但对于应力控制的程度(如应力值、应力分布规律等)仍难以解决，这无疑对激光熔覆再制造产品的服役性能及其质量造成安全隐患。因而，积极探索可实现激光熔覆层应力定量评价的技术就迫在眉睫。
一般而言，应力评价方法可分为有损评价与无损评价两类。有损评价法(如小孔法、轮廓法等)主要是通过大量试验而获得与激光熔覆工艺、材料等对应的应力状态。该类方法虽可在一定程度上解决激光熔覆层应力评价的问题，但该类方法属于小样品抽样检测范畴，并不能实现全激光熔覆层应力的评价，这无疑为激光熔覆再制造产品质量安全带来隐患。无损评价法(如金属磁记忆、超声波法、x射线法等)是以不破坏试样完整性为前提，通过对声、电、磁、光等信号进行分析而实现应力无损评价的一类方法，该类方法不仅具有无损特点，而且可实现全产品的检测，因而在应力评价领域引起众多学者的关注。相比而言，因具有操作方便、快速、安全及评价结果稳定性高等优点，基于自发射磁信号的评价技术在应力评价领域引起众多学者的广泛关注。
基于自发射磁信号的评价技术是基于铁磁性材料中力和磁畴间的响应(即力-磁机械效应)而实现应力评价的一种方法，然而影响自发射磁信号评价应力的因素众多，其中由缺陷、试样截面积突变等原因引起的应力集中是其重要因素之一，因而如何实现应力集中程度影响自发射磁信号评价铁磁性熔覆层应力的修正对保证应力评价结果精度就极为关键。因而，以平板中应力集中理论和力学试验为基础，探讨并建立一套行之有效的可实现应力集中程度影响自发射磁信号评价铁磁性熔覆层应力的修正方法不仅可为激光熔覆再制造产品服役安全及其可靠性保障提供技术支持，更为完善基于自发射磁信号评价应力的体系提供理论支撑。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种基于自发射磁信号评价铁磁性熔覆层应力的修正方法，从而定量、快速、无损地评价铁磁性熔覆层应力。
技术方案：本发明所述的一种基于自发射磁信号评价铁磁性熔覆层应力的修正方法所运用的原理：力-磁机械效应表明，随着铁磁性材料受力状态的变化，其内部磁畴会随之发生相应的改变，包括：磁畴转动、磁畴合并等，这也就导致该铁磁性材料对外的磁性信号随之发生变化，因而通过分析并提取铁磁性材料自发射磁信号随应力的变化特征即可实现基于自发射磁信号评价铁磁性熔覆层的应力。然而，由快速冷却和凝固等原因导致激光熔覆层内部并非完整无缺，此外由激光熔覆再制造产品截面积的突变等引起的应力集中现象是影响基于自发射磁信号评价铁磁性熔覆层应力精度的重要因素，也是不可忽略的因素，因而如何有效、快速的实现应力集中程度影响自发射磁信号评价铁磁性熔覆层应力的修正就迫在眉睫。针对这一问题，本发明以铁磁性材料的力-磁机械效应为依据，基于应力集中理论设计并加工含有一系列不同系数规则缺口的激光熔覆层试样，借助力学试验，通过提取可表征应力状态的自发射磁信号特征参量——磁场强度梯度，进而构建磁场强度梯度与应力集中系数间的对应关联，最终实现应力集中程度影响自发射磁信号评价铁磁性熔覆层应力的修正。
本发明所述的一种基于自发射磁信号评价铁磁性熔覆层应力的修正方法包括以下步骤：
(1)优化制备熔覆层的工艺规范，在基体材料表面制备一定厚度的铁磁性熔覆层，结合应力集中系数理论设计并在熔覆层试样中预制不同系数的缺口，并对其进行真空去应力退火处理。
(2)固定自发射磁信号的激发参数，优化并固定其采集参数，采集熔覆层缺口处的自发射磁信号，提取该信号斜率并定义为磁场强度梯度，见式(1)，建立磁场强度梯度与应力集中系数间关系，获得其定量关系式，见式(2)；
式中，k为信号磁场强度梯度，y2和y1为信号纵坐标幅值，x2和x1为与信号幅值对应的横坐标；
k＝anmn+an-1mn-1+an-2mn-2+......+m+a (2)
式中：k为磁场强度梯度，m为应力集中系数，an、an-1、an-2、a为拟合系数。
(3)通过力学试样获得真空去应力退火处理后熔覆层试样的屈服强度，以此设定预制缺口熔覆层试样的加载应力，设计力学加载程序，不卸载，待应力稳定后依次采集不同应力时经真空去应力退火处理的预制缺口熔覆层试样的自发射磁信号，直至达到最高加载应力，停止试验。
(4)提取并计算各载荷时熔覆层试样自发射磁信号的磁场强度梯度，建立该梯度值与应力间的对应关系，重复步骤(3)和(4)，获得各应力集中系数熔覆层自发射磁信号强度梯度与应力间的关系式，见式(3)；
k＝b·σ (3)
式中：k为磁场强度梯度，σ为应力，b为拟合斜率。
(5)提取步骤(4)中定量关系式的拟合参数，建立该拟合参数与应力集中系数的对应关系，并获得其定量关系式，见式(4)；
b＝anmn+an-1mn-1+an-2mn-2+......+m+a (4)
式中：b为拟合系数，m为应力集中系数，an、an-1、an-2、a为拟合系数。
(6)采集任意熔覆层试样的自发射磁信号，代入式(1)计算突变信号磁场强度梯度与无突变处信号的磁场强度梯度的差值，其中，突变信号与无突变信号以信号纵坐标幅值变化量为区分依据，并代入步骤(2)中得到与其对应的应力集中系数。
(7)将突变处信号磁场强度梯度代入步骤(5)中得到磁场强度梯度与应力间关系式的参数，并将待评价熔覆层的突变处信号磁场强度梯度代入步骤(4)中得到其实际应力值，进而实现任意应力集中程度影响自发射磁信号评价铁磁性熔覆层应力的修正。
所述步骤(1)中预制的缺口在熔覆层试样中呈对称分布，贯穿熔覆层试样厚度，且熔覆层试样无初始应力。
所述步骤(2)中缺口处磁场强度梯度以其自发射磁信号呈单调变化规律分布的最大范围计算，且磁场强度梯度与应力集中系数的定量关系也以单调规律分布的最大范围计算。
所述步骤(2)中自发射磁信号采集参数的检测深度不小于步骤(1)中熔覆层的厚度。
所述步骤(3)中预制缺口熔覆层试样无初始应力，在加载过程中其最高加载应力不大于熔覆层试样的屈服强度，且未出现宏观裂纹；该熔覆层屈服强度测定试样是未预制缺口且无缺陷、无初始应力的熔覆层标准力学试样。
所述步骤(4)和(5)中最高应力值不大于步骤(3)中的最高加载应力，且只对磁场强度梯度与应力为单调规律变化范围内结果进行分析。
所述步骤(6)中突变信号磁场强度梯度为被减数，无突变信号磁场强度梯度为减数。
所述步骤(6)和(7)中熔覆层试样为初始应力状态，其应力集中系数不大于3.5，其厚度和加工制备方法均与步骤(1)中方法一致。
一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的基于自发射磁信号评价铁磁性熔覆层应力的修正方法。
一种计算机设备，包括储存器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的基于自发射磁信号评价铁磁性熔覆层应力的修正方法。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：1、本发明实现了应力集中系数影响熔覆层自发射磁信号磁场强度梯度与应力关系的修正；2、本发明为多原因诱发熔覆层应力集中现象影响其应力状态评价提供了一种无损、快速、方便、有效的修正方法。
附图说明
图1为本发明的步骤流程图；
图2为本发明中应力集中系数为1.5的激光熔覆层试样示意图；
图3本发明中不同应力状态时激光熔覆层的自发射磁信号示意图；
图4为本发明中应力集中系数为1.5时激光熔覆层磁场强度梯度与应力间的关系示意图；
图5为本发明中激光熔覆层磁场强度梯度斜率—应力集中系数间的对应关联示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，一种基于自发射磁信号评价铁磁性熔覆层应力的修正方法包括以下步骤：
(1)优化制备熔覆层的工艺规范，在基体材料表面制备一定厚度的铁磁性熔覆层，结合应力集中系数理论设计并在熔覆层试样中预制不同系数的缺口，如图2所示，并对其进行真空去应力退火处理。
(2)固定自发射磁信号的激发参数，优化并固定其采集参数，采集熔覆层缺口处的自发射磁信号，计算该信号的磁场强度梯度，见式(1)，建立磁场强度梯度与应力集中系数间关系，获得其定量关系式，见式(2)；
式中，k为信号磁场强度梯度，y2和y1为信号纵坐标幅值，x2和x1为与信号幅值对应的横坐标。
k＝anmn+an-1mn-1+an-2mn-2+......+m+a (2)
式中：k为磁场强度梯度，m为应力集中系数，an、an-1、an-2、a为拟合系数。
(3)通过力学试样获得真空去应力退火处理后熔覆层试样的屈服强度，以此设定预制缺口熔覆层试样的加载应力，设计力学加载程序，不卸载，待应力稳定后依次采集不同应力时经真空去应力退火处理的预制缺口熔覆层试样的自发射磁信号，如图2所示，直至达到最高加载应力，停止试验。
(4)提取并计算各应力时熔覆层试样自发射磁信号磁场强度梯度，建立该梯度值与应力间的对应关系，重复步骤(3)和(4)，获得各应力集中系数熔覆层自发射磁信号强度梯度与应力间的关系式，见式(3)，如图3所示；
k＝b·σ (3)
式中：k为磁场强度梯度，σ为应力，b为拟合斜率。
(5)提取步骤(4)中定量关系式的拟合参数，建立该拟合参数与应力集中系数的对应关系，并获得其定量关系式，见式(4)，如图4所示；
b＝anmn+an-1mn-1+an-2mn-2+......+m+a (4)
式中：b为拟合系数，m为应力集中系数，an、an-1、an-2、a为拟合系数。
(6)采集任意熔覆层试样的自发射磁信号，计算突变信号磁场强度梯度与无突变处信号磁场强度梯度的差值，并代入步骤(2)中得到与其对应的应力集中系数。
(7)将突变处信号磁场强度梯度代入步骤(5)中得到磁场强度梯度与应力间关系式的参数，并将待评价熔覆层的突变处信号磁场强度梯度代入步骤(4)中得到其实际应力值，进而实现任意应力集中程度影响自发射磁信号评价铁磁性熔覆层应力的修正。
实施例：
选择激光熔覆方法，以45钢为激光熔覆底板、Fe314合金粉末为激光熔覆粉末，制备Fe314合金激光熔覆层试样为例，对应力集中程度影响自发射磁信号评价铁磁性熔覆层应力的修正的技术方法步骤进行描述，具体过程如下：
S1、选定厚度为20mm的45钢为激光熔覆底板、Fe314合金粉末为激光熔覆粉末，优化激光熔覆工艺参数：激光功率为1.7kW、熔覆速度为2.0mm/s、送粉量为16.0g/s，制备厚度为(6.0±0.25)mm且无缺陷的Fe314合金激光熔覆层。基于应力集中系数理论，通过机械加工方法预制5组不同应力集中系数的熔覆层试样。
S2、固定激发自发射磁信号的增益为25db、自发射磁信号采集探头的提离高度为1.0mm、检测速度为于2.6mm/s，以此采集熔覆层缺口处的自发射磁信号。以缺口位置内信号最高和最低值，基于式(1)计算该信号磁场强度梯度，结果见表(1)，采用式(2)对磁场强度梯度与应力集中系数其进行拟合，得到其定量关系式，见式(5)。
表1激光熔覆层缺口处磁场强度梯度
k＝-2.85486m2+19.60229m+12.48337 (5)
式中：k为磁场强度梯度，m为应力集中系数。
S3、基于GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验—室温试验方法标准制备厚度为6.0mm的激光熔覆层试样，通过静载拉伸试验得到其屈服强度为665MPa，定义为最高加载应力，载荷间隔为100MPa，待达到预定应力值，停止加载，不卸载，保载60s，采集激光熔覆层试样额自发射磁信号，直至达到最高应力665MPa，停止试验。
S4、依据式(1)计算各载荷时熔覆层试样自发射磁信号的磁场强度梯度，建立磁场强度梯度与应力的对应关系。重复该试验，获得所有应力集中系数熔覆层试样磁场强度梯度与应力的对应关系，并采用式(3)对上述结果进行拟合，结果如下：
式中：k为磁场强度梯度，σ为应力。
S5、提取式(6)中拟合斜率b，建立拟合斜率b与应力集中系数的对应关系，并采用式(4)对其进行拟合，结果见式(7)。
b＝-0.06468m2+0.49409m+0.57037 (7)
式中：b为拟合系数，m为应力集中系数。
S6、选择步骤S2中自发射磁信号激发参数(增益为25db)和采集参数(探头的提离高度为1.0mm、检测速度为于2.6mm/s)，采集熔覆层试样的自发射磁信号，通过式(1)计算其突变处磁场强度梯度与无突变处磁场强度梯度值分别为139.06和103.25，计算其差值为35.81，并代入式(5)中计算并得到与其对应的应力集中系数约为1.53。
S7、将步骤S6中得到的激光熔覆层应力集中系数1.53代入式(7)中得到与其对应的磁场强度梯度与应力间拟合系数为1.175，并将该拟合系数代入式(3)中得到磁场强度梯度与应力的关系函数，见式(8)，最后将步骤S6中的突变处的磁场强度梯度139.06代入式(8)中得到其实际应力值约为118MPa，进而实现任意应力集中程度影响自发射磁信号评价铁磁性熔覆层应力的修正。
k＝1.175·σ (8)
式中：k为磁场强度梯度，σ为应力。
Claims (10)
1.一种基于自发射磁信号评价铁磁性熔覆层应力的修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)优化制备熔覆层的工艺规范，在基体材料表面制备一定厚度的铁磁性熔覆层，结合应力集中系数理论设计并在熔覆层试样中预制不同系数的缺口，并对其进行真空去应力退火处理；
(2)固定自发射磁信号的激发参数，优化并固定其采集参数，采集熔覆层缺口处的自发射磁信号，提取该信号斜率并定义为磁场强度梯度，见式(1)，建立磁场强度梯度与应力集中系数间关系，获得其定量关系式，见式(2)；
式中，k为信号磁场强度梯度，y2和y1为信号纵坐标幅值，x2和x1为与信号幅值对应的横坐标；
k＝anmn+an-1mn-1+an-2mn-2+......+m+a (2)
式中：k为磁场强度梯度，m为应力集中系数，an、an-1、an-2、a为拟合系数；
(3)通过力学试样获得真空去应力退火处理后熔覆层试样的屈服强度，以此设定预制缺口熔覆层试样的加载应力，设计力学加载程序，不卸载，待应力稳定后依次采集不同应力时经真空去应力退火处理的预制缺口熔覆层试样的自发射磁信号，直至达到最高加载应力，停止试验；
(4)提取并计算各载荷时熔覆层试样自发射磁信号的磁场强度梯度，建立该梯度值与应力间的对应关系，重复步骤(3)和(4)，获得各应力集中系数熔覆层自发射磁信号强度梯度与应力间的关系式，见式(3)；
k＝b·σ (3)
式中：k为磁场强度梯度，σ为应力，b为拟合斜率；(5)提取步骤(4)中定量关系式的拟合参数，建立该拟合参数与应力集中系数的对应关系，并获得其定量关系式，见式(4)；
b＝anmn+an-1mn-1+an-2mn-2+......+m+a (4)
式中：b为拟合系数，m为应力集中系数，an、an-1、an-2、a为拟合系数；(6)采集任意熔覆层试样的自发射磁信号，计算突变信号磁场强度梯度与无突变处信号磁场强度梯度的差值，并代入步骤(2)中得到与其对应的应力集中系数；
(7)将突变处信号磁场强度梯度代入步骤(5)中得到磁场强度梯度与应力间关系式的参数，并将待评价熔覆层的突变处信号磁场强度梯度代入步骤(4)中得到其实际应力值，进而实现任意应力集中程度影响自发射磁信号评价铁磁性熔覆层应力的修正。
2.根据权利要求1所述的基于自发射磁信号评价铁磁性熔覆层应力的修正方法，其特征在于，所述步骤(1)中预制的缺口在熔覆层试样中呈对称分布，贯穿熔覆层试样厚度，且熔覆层试样无初始应力。
3.根据权利要求1所述的基于自发射磁信号评价铁磁性熔覆层应力的修正方法，其特征在于，所述步骤(2)中缺口处磁场强度梯度以其自发射磁信号呈单调变化规律分布的最大范围计算，且磁场强度梯度与应力集中系数的定量关系也以单调规律分布的最大范围计算。
4.根据权利要求1所述的基于自发射磁信号评价铁磁性熔覆层应力的修正方法，其特征在于，所述步骤(2)中自发射磁信号采集参数的检测深度不小于步骤(1)中熔覆层的厚度。
5.根据权利要求1所述的基于自发射磁信号评价铁磁性熔覆层应力的修正方法，其特征在于，所述步骤(3)中预制缺口熔覆层试样无初始应力，在加载过程中其最高加载应力不大于熔覆层试样的屈服强度，且未出现宏观裂纹；该熔覆层屈服强度测定试样是未预制缺口且无缺陷、无初始应力的熔覆层标准力学试样。
6.根据权利要求1所述的基于自发射磁信号评价铁磁性熔覆层应力的修正方法，其特征在于，所述步骤(4)和(5)中最高应力值不大于步骤(3)中的最高加载应力，且只对磁场强度梯度与应力为单调规律变化范围内结果进行分析。
7.根据权利要求1所述的基于自发射磁信号评价铁磁性熔覆层应力的修正方法，其特征在于，所述步骤(6)中突变信号磁场强度梯度为被减数，无突变信号磁场强度梯度为减数。
8.根据权利要求1所述的基于自发射磁信号评价铁磁性熔覆层应力的修正方法，其特征在于，所述步骤(6)和(7)中熔覆层试样为初始应力状态，其应力集中系数不大于3.5，其厚度和加工制备方法均与步骤(1)中方法一致。
9.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-8中任一项所述的基于自发射磁信号评价铁磁性熔覆层应力的修正方法。
10.一种计算机设备，包括储存器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-8中任一项所述的基于自发射磁信号评价铁磁性熔覆层应力的修正方法。
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| Publication number | Publication date |
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