基于磁记忆技术的铁磁性材料早期损伤诊断方法研究

博士学位论文基于磁记忆技术的铁磁性材料早期损伤诊断方法研究RESEARCHONEARLYDAMAGEDIAGNOSISMETHODOFFERROMAGNETICMATERIALSBASEDONMAGNETICMEMORYTESTINGTECHNIQUE冷建成哈尔滨工业大学2012年6月国内图书分类号：TG115.28学校代码：10213国际图书分类号：620.179.14密级：公开工学博士学位论文基于磁记忆技术的铁磁性材料早期损伤诊断方法研究博士研究生：冷建成导师：张嘉钟教授副导师：徐敏强教授申请学位：工学博士学科：一般力学与力学基础所在单位：航天学院答辩日期：2012年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG115.28U.D.C:620.179.14DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONEARLYDAMAGEDIAGNOSISMETHODOFFERROMAGNETICMATERIALSBASEDONMAGNETICMEMORYTESTINGTECHNIQUECandidate：LengJianchengSupervisor：Prof.ZhangJiazhongProf.XuMinqiangAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：GeneralMechanicsAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2012Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要-I-摘要无损检测技术对于保障设备可靠运行及人身安全具有重要意义。随着现代设备正日益向高载、高速、高温、高压的方向发展，为了防止突发性事故的发生，早期发现引起机械结构和设备失效的各种微观缺陷和局部应力集中就显得尤为重要，而这些在宏观裂纹或缺陷产生之前的隐性损伤对于传统的无损检测方法来说却无能为力。新兴的金属磁记忆技术，被认为在早期损伤检测方面极富开发潜力，但目前对铁磁构件早期损伤的磁记忆检测机理和方法还缺乏相应的系统研究。本文通过对金属磁记忆检测技术的研究，找到适用于铁磁性材料初期塑性变形及早期疲劳损伤诊断的方法，以达到尽早发现构件损伤、提前预防失效的目的。首先探讨了磁记忆技术用于应力状态和疲劳损伤检测的可行性，进而围绕铁磁性材料早期损伤检测这一核心，从静载和疲劳拉伸试验研究、塑性范围内的磁机械效应模型构建、面向早期疲劳损伤的磁场畸变建模等几个方面，较系统地研究了铁磁构件早期损伤的磁记忆检测问题。具体来说，本论文主要在以下几个方面展开了探索和研究：基于有效场理论和接近原理，详细推导了单向应力作用下铁磁性材料的磁机械效应模型，数值模拟了地磁场下磁化强度随应力的变化关系，表明应力致磁场的变化是一个由初始磁状态不断向非滞后磁化强度接近的过程。通过旋转弯曲疲劳试验，跟踪了磁信号在旋转一周不同位置的变化，发现与受检对象的实际应力-变形状态一致；同时研究了磁记忆信号随循环次数的变化特征，表明磁曲线与疲劳损伤之间具有相关性。在对磁记忆技术用于早期损伤可行性研究的基础上，通过对未退磁平板试件和退磁平板试件的静载拉伸试验，研究了加载过程中磁记忆信号的演变规律，分别提出了识别弹塑性不同变形阶段的磁信号特征；结合接近原理，分析了不同初始剩磁状态对应力致磁场变化的影响及原因，可为以后磁记忆检测的标准制定提供参考。通过拉-拉疲劳试验，研究了磁记忆信号随循环周次的变化规律，提出表征疲劳损伤的关键参量为应力集中区磁场梯度，基于建立的损伤变量模型计算结果与动态疲劳过程中四个阶段不同损伤程度的演化规律相一致。建立了适用于塑性变形阶段的改进的磁机械效应模型，得到磁化强度随应变之间的变化关系。针对目前磁机械效应模型仅在弹性范围内有效的局限性，从能量守恒的角度出发，推导出适用范围更广的磁化强度与有效场之间的关系哈尔滨工业大学工学博士学位论文-II-模型。模型中考虑了参数钉扎系数和有效场度量系数在塑性范围内为位错密度的函数；塑性阶段加载时的有效场公式中明确区分了弹性变形和塑性变形所引起有效场分量的不同，而卸载后的有效场则要包括残余应力产生的附加磁场。通过对改进模型的数值模拟，结果表明在较小塑性变形时磁化强度会发生急剧变化；基于光滑平板退磁试件的静拉伸试验，发现在线卸载时的磁记忆信号在屈服时产生突变。理论计算结果很好地吻合实验现象，表明提出的模型可以解决铁磁性材料的初期塑性变形检测问题。采用XH-500现场金相显微镜加DIG300专用数字摄像头并同步配合磁记忆检测装置建立了显微疲劳试验系统，应用磁记忆显微疲劳观测试验方法，对45#钢试件进行了拉-拉疲劳试验，在细观尺度上动态观察了疲劳短裂纹萌生和扩展的演化过程，通过维氏硬度测试得到显微硬度在整个疲劳过程中的变化规律。同时分析了V型缺口处表面磁记忆信号随循环周次的变化，研究了不同裂纹尺寸下对应的磁信号曲线分布规律，进而确定了早期疲劳损伤的磁记忆信号特征。在此基础上，基于塑性区位错密度线性分布的假设，提出应用带磁偶极子模型等效应力集中区磁畴的定向排列，建立了裂纹尖端塑性区表面的漏磁场分布模型。分别对漏磁场切向分量和法向分量进行了数值模拟，提出了用于表征损伤程度和范围的两个关键参量分别为漏磁场切向分量的峰值Hxp和法向分量波峰-波谷之间的宽度△xHyp-p，实现了疲劳损伤的早期检测。关键词：磁记忆技术；早期损伤；塑性变形；疲劳损伤；磁机械效应；磁偶极子模型Abstract-III-AbstractNon-destructivetestingtechniqueshaveveryimportantinfluenceonguaranteeingreliableequipmentoperationandlifesafety.Withtheincreasingdevelopmentofmodernequipmenttowardshighload,highspeed,hightemperatureandhighpressure,itisvitalsignificanttoearlydiscovervariousmicro-defectsandlocalstressconcentrationzonescausingmechanicalstructureandequipmentfailuretoavoidsuddenaccident,butthesehiddendamageoccurringbeforemacro-cracksordefectscannotbedetectedbytraditionalnon-destructivetestingmethods.Anewlyarisentechniquenamedmetalmagneticmemoryisdeemedtohavepotentialsindetectingearlydamage,whereasitislackofsystematicresearchonmagneticmemorytestingmechanismandmethodinearlydamageofferromagneticcomponents.Amethodsuitabletodetectinitialplasticdeformationandearlyfatiguedamageofferromagneticmaterialsisproposedviaresearchonthemetalmagneticmemorytestingtechnique,inordertodiscovercomponentdamageearlyandavoidfailureinadvance.Thefeasibilityofthemagneticmemorytechniqueappliedtodetectstressstateandfatiguedamageisfirstexplored,andtheearlydamagetestingonferromagneticmaterialsiskeptasthecentraltask.Themainproblemsincludingstaticanddynamictensiletests,themagneto-mechanicaleffectmodelingintheplasticregion,andthemagneticfielddistortionmodelingontheearlyfatiguedamagehavebeensystematicallyinvestigated.Tobespecific,themaincontentsareexploredasfollows.Basedontheeffectivefieldtheoryandapproachingprinciple,themagneto-mechanicaleffectmodelofferromagneticmaterialsundertheactionofunaxialstressstateisderivedindetail,andthevariationofmagnetizationwithstressintheearth’smagneticfieldisnumericallysimulated,showingthattheinitialmagneticstatetendscontinuouslytowardstheanhystereticmagnetizationontheapplicationofstress.Thevariationofthemagneticsignalinonecertainpointatdifferentlocationsofthespecimenrotatedaperiodisrecordedviatherotarybendingfatigueexperiment,whichisconsistentwithitsactualstress-strainstate.Inthemeantime,thevariationcharacteristicsofthemagneticmemorysignalwithcyclenumberareinvestigated,indicatingthatthereiscorrelationbetweenthe哈尔滨工业大学工学博士学位论文-IV-magneticcurveandthefatiguedamage.Onthebasisoftheresearchonthefeasibilityofthemagneticmemorytechniqueappliedtodetectearlydamage,theevolutionlawofthemagneticmemorysignalonloadingisstudiedviathestatictensileexperimentswithundemagnetizedanddemagnetizedplatespecimens,andthemagneticsignalcharacteristicstorecognizeelasticandplasticdeformationstagesaregiven.Combinedwiththeapproachingprinciple,theinfluenceandreasonofdifferentinitialresidualmagnetizationonthemagneticfieldvariationinducedbystressareanalyzed,whichhelpstoguideengineeringapplication.Thevariationregularitiesofthemagneticmemorysignalwit