CN115219584B - 一种铁磁性材料的金属磁记忆监测与评价方法 - Google Patents

一种铁磁性材料的金属磁记忆监测与评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铁磁性材料的金属磁记忆监测与评价方法，涉及无损检测与评价技术领域，包括以下步骤：对铁磁性材料试件进行退磁预处理；测取铁磁性材料试件测量点的初始法向磁记忆信号分量和初始切向磁记忆信号分量；测取铁磁性材料试件测量点的法向磁记忆信号分量和切向磁记忆信号分量，获取法向磁记忆信号分量和切向磁记忆信号分量的时序图；获取单个应力周期法向磁记忆信号面积时序图和单个应力周期切向磁记忆信号面积时序图；获取单个应力周期磁记忆信号面积时序图，实时监测单个应力周期磁记忆信号面积时序图的变化特征，评价铁磁性材料的损伤状态。

Description

一种铁磁性材料的金属磁记忆监测与评价方法
技术领域
本发明涉及无损检测与评价技术领域，具体为一种铁磁性材料的金属磁记忆监测与评价方法。
背景技术
铁磁性材料具有良好的力学性能，因此广泛应用于军工领域和民用领域。由于铁磁试件长期处于交变载荷下，因此疲劳受损是铁磁试件主要的失效形式，金属磁记忆检测法是目前唯一能运用在铁磁性材料早期损伤检测中的一项新型无损检测技术，因其能够有效检测铁磁性材料早期隐性疲劳裂纹的特性，故被广泛应用于实际工程中。
金属磁记忆检测技术是由二十世纪俄罗斯教授Doubov提出的，在地磁场环境下，铁磁性材料受载荷作用而产生的力磁效应会影响空间漏磁场的分布，通过检测漏磁场的磁记忆信号分布，可用于铁磁性材料的早期损伤状态评价。
目前常用的铁磁性材料损伤状态表征方法是检测材料表面磁记忆信号分量，根据法向磁记忆信号分量过零点的特征判断材料是否出现损伤，再经过相关数值分析，进一步确定材料出现早期损伤和应力集中的位置，但实际应用中往往会因为检测数据单一而造成缺陷特征不明显甚至丢失的情况，从而造成误判。
发明内容
因此，为评价和监测铁磁性材料早期损伤状态，亟需一种新型的磁记忆检测方法。本发明针对现有技术存在的不足，提供了一种可用于表征铁磁性材料早期损伤的铁磁性材料的金属磁记忆监测与评价方法，具体包括以下步骤：
对铁磁性材料试件进行退磁预处理。
测取铁磁性材料试件测量点的初始法向磁记忆信号分量和初始切向磁记忆信号分量。
对铁磁性材料试件施加循环周期的正弦波循环应力，测取铁磁性材料试件测量点的法向磁记忆信号分量和切向磁记忆信号分量，去除初始法向磁记忆信号和初始切向磁记忆信号的干扰，获取法向磁记忆信号分量和切向磁记忆信号分量的时序图。
求解法向磁记忆信号分量和切向磁记忆信号分量与单个应力周期的正弦波循环应力加载时间所形成的包络面积，获取单个应力周期法向磁记忆信号面积时序图和单个应力周期切向磁记忆信号面积时序图。
根据单个应力周期法向磁记忆信号面积时序图和单个应力周期切向磁记忆信号面积时序图，获取单个应力周期磁记忆信号面积时序图，实时监测单个应力周期磁记忆信号面积时序图的变化特征，评价铁磁性材料的损伤状态，当单个应力周期磁记忆信号面积突变时，判定铁磁材料出现早起损伤。
进一步的，所述测取铁磁性材料试件测量点的初始法向磁记忆信号分量和初始切向磁记忆信号分量，具体包括：
将铁磁性材料试件装夹在拉伸试验机上，此时载荷为零，利用磁记忆检测仪测取铁磁性材料试件测量点的初始法向磁记忆信号分量和初始切向磁记忆信号分量。
进一步的，所述对铁磁性材料试件施加循环周期的正弦波循环应力，具体包括：
在测取铁磁性材料试件测量点的初始法向磁记忆信号分量和初始切向磁记忆信号分量后，先对初始法向磁记忆信号分量和初始切向磁记忆信号分量利用小波变换法进行降噪处理，再对铁磁性材料试件施加循环周期的正弦波循环应力。
进一步的，所述对铁磁性材料试件施加循环周期的正弦波循环应力，还包括：
按照不同铁磁性材料试件的疲劳特性确定施加的循环周期的正弦波循环应力的频率和幅值，正弦波循环应力的应力比为-1，最小载荷-20kN，最大载荷为20KN，向铁磁性材料试件持续施加循环周期的正弦波循环应力，直至铁磁性材料试件出现宏观疲劳损伤。
进一步的，所述测取铁磁性材料试件测量点的法向磁记忆信号分量和切向磁记忆信号分量，具体包括：
利用磁记忆检测仪测取铁磁性材料试件测量点的法向磁记忆信号分量和切向磁记忆信号分量。
进一步的，所述获取法向磁记忆信号分量和切向磁记忆信号分量的时序图，具体包括：
在去除初始法向磁记忆信号和初始切向磁记忆信号的干扰后，先对法向磁记忆信号分量和切向磁记忆信号分量利用小波变换法进行降噪处理，再获取法向磁记忆信号分量和切向磁记忆信号分量的时序图。
进一步的，所述单个应力周期磁记忆信号面积时序图的变化特征，具体包括：
阶段一,对铁磁性材料试件施加少量疲劳周次的正弦波循环应力，磁记忆信号面积快速增长。
阶段二，对铁磁性材料试件继续施加疲劳周次的正弦波循环应力，磁记忆信号面积缓慢增长。
阶段三，对铁磁性材料试件继续施加大量疲劳周次的正弦波循环应力，铁磁性材料试件出现微观裂纹，单个应力周期磁记忆信号面积时序图曲线发生突变，磁记忆信号面积再次显著增长。
进一步的，所述评价铁磁性材料的损伤状态，具体包括：
当铁磁性材料试件的磁记忆信号面积处于阶段一或阶段二时，判定铁磁性材料试件无早期损伤。
当铁磁性材料试件的磁记忆信号面积处于阶段三时，判定铁磁性材料试件出现早期损伤，并确定铁磁性材料试件出现早期损伤的时间节点。
与现有技术相比，本发明提供了一种可用于表征铁磁性材料早期损伤的铁磁性材料的金属磁记忆监测与评价方法，其有益效果是：
本发明中，铁磁性材料固定点的磁记忆信号分量是在线状态下检测，能够消除因离线状态检测而导致的磁记忆信号分量误差，并对采集到的磁信号通过小波变换达到去噪的效果，得到真实的磁记忆信号；本发明获得的磁记忆信号面积的时序图能实时在线监测铁磁性材料的早期损伤状态，操作简单方便、损伤检测精确性较高，且无需外界激励磁场，能够对铁磁性材料的早期损伤状态在线实时监测，提高了检测精度，为金属磁记忆检测提供了新方法。
附图说明
图1为本发明提供的一种铁磁性材料的金属磁记忆监测与评价方法的流程图；
图2为本发明实施例中循环应力下单个应力周期切向磁记忆信号分量Hp(x)时序图；
图3为本发明实施例中循环应力下单个应力周期法向磁记忆信号分量Hp(y)时序图；
图4为本发明实施例中循环应力下单个应力周期切向磁记忆信号面积时序图；
图5为本发明实施例中循环应力下单个应力周期法向磁记忆信号面积时序图；
图6为本发明实施例中循环应力下单个应力周期磁记忆信号面积时序图。
具体实施方式
下面结合附图1至图6，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1：如图1-6所示，本发明提出了一种铁磁性材料的金属磁记忆监测与评价方法，包括以下步骤：对铁磁性材料试件进行退磁预处理；测取铁磁性材料试件测量点的初始法向磁记忆信号分量和初始切向磁记忆信号分量；对铁磁性材料试件施加循环周期的正弦波循环应力，测取铁磁性材料试件测量点的法向磁记忆信号分量和切向磁记忆信号分量，去除初始法向磁记忆信号和初始切向磁记忆信号的干扰，获取法向磁记忆信号分量和切向磁记忆信号分量的时序图；求解法向磁记忆信号分量和切向磁记忆信号分量与单个应力周期的正弦波循环应力加载时间所形成的包络面积，获取单个应力周期法向磁记忆信号面积时序图和单个应力周期切向磁记忆信号面积时序图；根据单个应力周期法向磁记忆信号面积时序图和单个应力周期切向磁记忆信号面积时序图，获取单个应力周期磁记忆信号面积时序图，实时监测单个应力周期磁记忆信号面积时序图的变化特征，评价铁磁性材料的损伤状态，当单个应力周期磁记忆信号面积突变时，判定铁磁材料出现早起损伤。
在本实施例中，测取铁磁性材料试件测量点的初始法向磁记忆信号分量和初始切向磁记忆信号分量，具体包括：将铁磁性材料试件装夹在拉伸试验机上，此时载荷为零，利用磁记忆检测仪测取铁磁性材料试件测量点的初始法向磁记忆信号分量和初始切向磁记忆信号分量。
在本实施例中，对铁磁性材料试件施加循环周期的正弦波循环应力，具体包括：在测取铁磁性材料试件测量点的初始法向磁记忆信号分量和初始切向磁记忆信号分量后，先对初始法向磁记忆信号分量和初始切向磁记忆信号分量利用小波变换法进行降噪处理，再对铁磁性材料试件施加循环周期的正弦波循环应力。
在本实施例中，对铁磁性材料试件施加循环周期的正弦波循环应力，还包括：按照不同铁磁性材料试件的疲劳特性确定施加的循环周期的正弦波循环应力的频率和幅值，正弦波循环应力的应力比为-1，最小载荷-20kN，最大载荷为20KN，向铁磁性材料试件持续施加循环周期的正弦波循环应力，直至铁磁性材料试件出现宏观疲劳损伤。
在本实施例中，测取铁磁性材料试件测量点的法向磁记忆信号分量和切向磁记忆信号分量，具体包括：利用磁记忆检测仪测取铁磁性材料试件测量点的法向磁记忆信号分量和切向磁记忆信号分量。
在本实施例中，获取法向磁记忆信号分量和切向磁记忆信号分量的时序图，具体包括：在去除初始法向磁记忆信号和初始切向磁记忆信号的干扰后，先对法向磁记忆信号分量和切向磁记忆信号分量利用小波变换法进行降噪处理，再获取法向磁记忆信号分量和切向磁记忆信号分量的时序图。
在本实施例中，单个应力周期磁记忆信号面积时序图的变化特征，具体包括：阶段一,对铁磁性材料试件施加少量疲劳周次的正弦波循环应力，磁记忆信号面积快速增长；阶段二，对铁磁性材料试件继续施加疲劳周次的正弦波循环应力，磁记忆信号面积缓慢增长；阶段三，对铁磁性材料试件继续施加大量疲劳周次的正弦波循环应力，铁磁性材料试件出现微观裂纹，单个应力周期磁记忆信号面积时序图曲线发生突变，磁记忆信号面积再次显著增长。
在本实施例中，评价铁磁性材料的损伤状态，具体包括：当铁磁性材料试件的磁记忆信号面积处于阶段一或阶段二时，判定铁磁性材料试件无早期损伤；当铁磁性材料试件的磁记忆信号面积处于阶段三时，判定铁磁性材料试件出现早期损伤，并确定铁磁性材料试件出现早期损伤的时间节点。
本实施例具体实施时，采用了Q235钢试件作为研究对象，并按照如下步骤进行监测与评价：
步骤一：首先将试件水平放置于试验平台上，对其进行退磁处理，然后将试件装夹在拉伸试验机上，在不施加载荷的情况下，用TSC-1M-4应力集中磁检测仪测得试件表面固定测量点的初始法向磁记忆信号分量Hp(y)和初始切向磁记忆信号分量Hp(x)，并对磁记忆信号采用小波变换降噪处理。
步骤二：在测得初始法向和切向磁记忆信号分量后，设定铁磁性材料的循环应力加载方式，其应力加载方式为等周期的正弦波循环应力载荷，按照不同铁磁性材料的疲劳特性确定其正弦波的频率和幅值，其中最小幅值为-20kN，最大幅值为20KN，应力比为-1。试件持续疲劳加载，直至试件出现宏观疲劳损伤。
步骤三：在步骤二的循环应力加载方式下，在线状态持续测得铁磁性材料表面固定测量点的法向磁记忆信号分量Hp(y)和切向磁记忆信号分量Hp(x)，其中实施例中每个循环应力周期均匀采样了320次。去除步骤一中测得的初始磁记忆信号分量以及其它干扰因素对真实磁记忆信号分量的影响，对磁记忆信号分量采用小波变换降噪处理，进而获得循环应力载荷下的法向和切向磁记忆信号分量时序图。图2和图3分别给出了采集一个循环应力周期的切向和法向磁记忆信号分量时序图。
步骤四：使用matlab中的复合梯形积分法求解计算铁磁性材料试件表面固定测量点的法向和切向磁记忆信号分量与单个循环应力时间周期所形成的包络面积S，图4和图5是均匀采样320次的一个循环应力周期时间的法向和切向磁记忆信号面积S，即为所求一个周期时序的面积，其中面积计算结果分别是84217和55196；进一步获得连续的磁记忆信号面积S与时间t的时序图；实时监测磁记忆信号面积S时序图的曲线变化特征，评价试件的损伤状态。具体的材料早期损伤评价准则如下：
采集获得的切向和法向磁记忆信号分量的面积时序图可按照材料的疲劳特性分为三个阶段。如图6所示：阶段一,少量疲劳周次时面积S快速增长；阶段二，材料趋于稳定，在这一阶段不同疲劳周次下的面积S缓慢增长；阶段三，材料出现微观裂纹，曲线发生突变，面积S再次显著增长。通过磁记忆信号面积S曲线的特征变化监测材料的早期损伤状况，即当面积S<S2时，判定铁磁性材料无早期损伤，S>S2时铁磁性材料开始出现早期损伤，并确定了材料出现早期损伤的时间节点。
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种铁磁性材料的金属磁记忆监测与评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
对铁磁性材料试件进行退磁预处理；
测取铁磁性材料试件测量点的初始法向磁记忆信号分量和初始切向磁记忆信号分量；
对铁磁性材料试件施加循环周期的正弦波循环应力，测取铁磁性材料试件测量点的法向磁记忆信号分量和切向磁记忆信号分量，去除初始法向磁记忆信号和初始切向磁记忆信号的干扰，获取法向磁记忆信号分量和切向磁记忆信号分量的时序图；
求解法向磁记忆信号分量和切向磁记忆信号分量与单个应力周期的正弦波循环应力加载时间所形成的包络面积，获取单个应力周期法向磁记忆信号面积时序图和单个应力周期切向磁记忆信号面积时序图；
根据单个应力周期法向磁记忆信号面积时序图和单个应力周期切向磁记忆信号面积时序图，获取单个应力周期磁记忆信号面积时序图，实时监测单个应力周期磁记忆信号面积时序图的变化特征，评价铁磁性材料的损伤状态，当单个应力周期磁记忆信号面积突变时，判定铁磁材料出现早起损伤。
2.如权利要求1所述的一种铁磁性材料的金属磁记忆监测与评价方法，其特征在于，所述测取铁磁性材料试件测量点的初始法向磁记忆信号分量和初始切向磁记忆信号分量，具体包括：
将铁磁性材料试件装夹在拉伸试验机上，此时载荷为零，利用磁记忆检测仪测取铁磁性材料试件测量点的初始法向磁记忆信号分量和初始切向磁记忆信号分量。
3.如权利要求1所述的一种铁磁性材料的金属磁记忆监测与评价方法，其特征在于，所述对铁磁性材料试件施加循环周期的正弦波循环应力，具体包括：
在测取铁磁性材料试件测量点的初始法向磁记忆信号分量和初始切向磁记忆信号分量后，先对初始法向磁记忆信号分量和初始切向磁记忆信号分量利用小波变换法进行降噪处理，再对铁磁性材料试件施加循环周期的正弦波循环应力。
4.如权利要求1所述的一种铁磁性材料的金属磁记忆监测与评价方法，其特征在于，所述对铁磁性材料试件施加循环周期的正弦波循环应力，还包括：
按照不同铁磁性材料试件的疲劳特性确定施加的循环周期的正弦波循环应力的频率和幅值，正弦波循环应力的应力比为-1，最小载荷-20kN，最大载荷为20KN，向铁磁性材料试件持续施加循环周期的正弦波循环应力，直至铁磁性材料试件出现宏观疲劳损伤。
5.如权利要求1所述的一种铁磁性材料的金属磁记忆监测与评价方法，其特征在于，所述测取铁磁性材料试件测量点的法向磁记忆信号分量和切向磁记忆信号分量，具体包括：
利用磁记忆检测仪测取铁磁性材料试件测量点的法向磁记忆信号分量和切向磁记忆信号分量。
6.如权利要求1所述的一种铁磁性材料的金属磁记忆监测与评价方法，其特征在于，所述获取法向磁记忆信号分量和切向磁记忆信号分量的时序图，具体包括：
在去除初始法向磁记忆信号和初始切向磁记忆信号的干扰后，先对法向磁记忆信号分量和切向磁记忆信号分量利用小波变换法进行降噪处理，再获取法向磁记忆信号分量和切向磁记忆信号分量的时序图。
7.如权利要求1所述的一种铁磁性材料的金属磁记忆监测与评价方法，其特征在于，所述单个应力周期磁记忆信号面积时序图的变化特征，具体包括：
阶段一,对铁磁性材料试件施加少量疲劳周次的正弦波循环应力，磁记忆信号面积快速增长；
阶段二，对铁磁性材料试件继续施加疲劳周次的正弦波循环应力，磁记忆信号面积缓慢增长；
阶段三，对铁磁性材料试件继续施加大量疲劳周次的正弦波循环应力，铁磁性材料试件出现微观裂纹，单个应力周期磁记忆信号面积时序图曲线发生突变，磁记忆信号面积再次显著增长。
8.如权利要求7所述的一种铁磁性材料的金属磁记忆监测与评价方法，其特征在于，所述评价铁磁性材料的损伤状态，具体包括：
当铁磁性材料试件的磁记忆信号面积处于阶段一或阶段二时，判定铁磁性材料试件无早期损伤；
当铁磁性材料试件的磁记忆信号面积处于阶段三时，判定铁磁性材料试件出现早期损伤，并确定铁磁性材料试件出现早期损伤的时间节点。
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