（固体力学专业论文）基于疲劳累积损伤的磁记忆效应及工程应用研究.pdf

课题来源于国家“十一五”科技支撑计划课题的子课题，围绕“高周疲劳过程中的磁记忆信号特征”的核心问题，采用金属磁记忆检测方法进行了三种常用铁磁性金属材料( q 2 3 5 、1 6 m n r 和2 0 9 ) 静载拉伸和高周疲劳过程中的磁记忆信号及微观金相特征的研究，对金属磁记忆检测方法的实际工程应用提供了基础的实验依据。本研究涉及两个关键性问题：一是静载拉伸过程中金属磁记忆信号随塑性变形程度的变化规律、宏观磁记忆信号与微观金相组织变化的对应关系问题；另一问题是高周疲劳过程中金属磁记忆信号随疲劳周次及微观缺陷产生的变化规律、磁信号与微观缺陷的对应关系问题。目前对于金属磁记忆检测方法的机理、疲劳过程中的磁信号分布规律以及宏观磁记忆信号与微观金相组织变化的对应关系的研究还很不完善。针对这两个问题，本文做了静载拉伸及高周疲劳两个方面的基础性研究。本研究围绕高周疲劳以及静载拉伸过程中金属材料磁记忆信号特征的变化，力求从宏观、微观两个层面上得到磁信号变化与拉伸和疲劳过程的对应关系。结果表明：金属材料表征的磁场强度随着试样变形不均匀而产生不均匀的变化，与测量环境中的磁场基本无关，与疲劳及反复加卸载无关。材料出现应力集中早期缺陷时，磁场强度h p 发生下凹变化，磁场强度导数d h p d x 呈现较大升高，不同材料存在不同的临界极限值导数值。疲劳过程的宏观磁记忆与微观金相研究结果表明，d h p d x 在极限状态时，试样表面金相组织正常，超过此极限短期内( 疲劳3 0 0 0 4 0 0 0 周) d h p d x 突增，在微观上则见到大量组织浮凸、晶界错动等明显缺陷。此成果表明了磁记忆检测信号对材料应力集中及早期缺陷诊断的特殊功效。断裂与磁场强度导数d h p d x 有关，与磁场过0 点( h p - - 0 ) 无关。焊接结构不影响材料磁场强度分布规律。为进一步研究金属磁记忆方法的工程实用性，本文在实验室研究的基础上，进行了多个工程的磁记忆检测评价，通过对燕山石化炼油厂储油罐、珠海电厂3 撑电站锅炉等典型实例进行现场磁记忆检测及对大量数据进行分析，更好了验证了金属磁记忆方法用于工程实际的合理性及可行性。本文的研究成果进一步证明了磁记忆信号对疲劳早期缺陷评价的特殊功效，基于大量实验研究提出临界极限导数值的概念，为实际工程应用及制定“承压设备金属磁记忆检测方法”标准草案提供了重要的实验依据。关键词磁记忆检测；高周疲劳；静载拉伸：无损检测：微观金相a b s t r a c t皇曼曼鼍曼曼毫曼皇nmm-蔓mm 一m m 鼍曼曼a bs t r a c tt h i ss u b j e c tc o m e sf r o mt h en a t i o n a lll 曲5 - y e a r ss c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp l a n s ，a n di tf o c u so nt h ec o r ei s s u ew h i c hi st h ec h a r a c t e r i s t i c so fm e t a lm a g n e t i cm e m o r ys i g n a li nt h ep r o c e s so fh i 曲一c y c l ef a t i g u e a n dt h i ss u b j e c ts t u d yo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm e t a lm a g n e t i cm e m o r ys i g n a la n dm i c r o s t r u c t u r ei nt h ep r o c e s so fs t a t i cl o a dt e n s i o na n dh i g h c y c l ef a t i g u eb yt h em e t a lm a g n e t i cm e m o r yt e s t i n gm e t h o d ，i tb u i l ti m p o r t a n te x p e r i m e n t a lf o u n d a t i o nf o rt h ea p p l i c a t i o no fm e t a lm a g n e t i cm e m o r ym e t h o di ne n g i n e e r i n g n i ss t u d yi n v o l v e st w ok e yi s s u e s ：f i r s t ，t h ec h a n g e sl a wo fm e t a lm a g n e t i cm e m o r ys i g n a lw h i c hc h a n g e sw i t ht h ed e g r e eo fp l a s t i cd e f o r m a t i o ni nt h ep r o c e s so fs t a t i cl o a dt e n s i o n 、t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em a c r o s c o p i c a lm a g n e t i cm e m o r ys i g n a la n dt h ec h a n g e so fm i c r o s t r u c t u r e a n o t h e rp r o b l e mi st h a tt h ec h a n g e sl a wo fm e t a lm a g n e t i cm e m o r ys i g n a lw i t hf a t i g u ec y c l ea n dm i c r o - d e f e c t si nt h ep r o c e s so f1 1 j g h 。c y c l ef a t i g u e ，a sw e l la st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em a c r o s c o p i c a lm a g n e t i cm e m o r ys i g n a la n dt h em i c r o d e f e c t s a tt h ep r e s e n tt i m e ，t h es t u d yo nt h em e c h a n i s mo fm e t a lm a g n e t i cm e m o r yt e c h n o l o g y 、t h el a wo fm e t a lm a g n e t i cm e m o r ys i g n a li nt h ep r o c e s so ff a t i g u ea sw e l la sc o r r e s p o n d i n gr e l a t i o nb e t w e e nm a c r o s c o p i c a lm a g n e t i cm e m o ws i g n a la n dm i c r o s t r u c t u r ei sf a rf r o mp e r f e c t f o rt h e s et w oi s s u e s ，t h i sa r t i c l eh a sd o n et w oa s p e c t se x p e r i m e n t so fs t a t i cl o a dt e n s i o na n dh i g h c y c l ef a t i g u e t h i sp a p e rf o c u s e so nm e t a lm a g n e t i cm e m o r yc h a r a c t e r i s t i c si nt h ep r o c e s so fm g h - c y c l ef a t i g u ea n ds t a t i cl o a dt e n s i l e ，a n df i n a l l ys t u d yt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec h a n g e so fm e t a lm a g n e t i cm e m o r ys i g n a lo fm a t e r i a la n dt h ep r o c e s so f1 1 j e , h c y c l ef a t i g u eo rs t a t i cl o a dt e n s i l ef r o mm a c r oa n dm i c r ol e v e l s i no r d e rt os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm e t a lm a g n e t i cm e m o r ) rs i g n a la n dm i c r o s t r u c t u r e ，t h i sp a p e rh a sd o n et h ee x p e r i m e n t so fd i f f e r e n tt y p e ss a m p l eo fd i f f e r e n tm a t e r i a l s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：w i mt h ec h a n g e so fm e t a l l i cm a t e r i a ls p e c i m e n sd e f o r m a t i o n ，t h ei n t e n s i t yo fm a g n e t i cf i e l do nt h es u r f a c eo fm e t a lm a t e r i a ls p e c i m e nc h a n g e s t h ec h a n g e so fm a g n e t i cf i e l di n t e n s i t yh a sn o t h i n gt od ow i t ht h eo u t s i d ee n v i r o n m e n tm a g n e t i cf i e l d ，i th a sn or e l a t i o nw i t hr e p e a t e dl o a d i n g w h e nt h em a t e r i a ld e f e c tw h i c hc a u s e db ys t r e s sc o n c e n t r a t i o n ，t h ei n t e n s i t yo fm a g n e t i cf i e l d ( h p ) o c c u r r e dc o n c a v ec h a n g e s ，a n dt h ed e r i v a t i v eo fm a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y ( d h p d x ) s h o wal a r g e ri n c r e a s e t h e r ea r ed i f f e r e n tt h r e s h o l dl i m i tv a l u eo fd e r i v a t i v ea b o u td i f f e r e n tm e t a lm a t e r i a l s n l er e s u l t sa b o u tm a c r o s c o p i c a lm a g n e t i cm e m o r ys i g n a la n dm i c r o s t r u c t u r ei nt h ep r o c e s so fh i 曲一c y c l ef a t i g u es h o w e dt h a t ：w h e nt h ed h p d xc o m eu pt ot h el i m i tv a l u es t a t e ，t h em i c r o s t r u c t u r eo nt h es u r f a c eo fs p e c i m e ni sn a t u r a l ，w h i l eo n c et h es t a t eo v e r s t e pt h el i m i tv a l u es t a t e ，i fo n l yas h o r t t i m e ( a b o u t3 0 0 0 , - 4 0 0 0f a t i g u ec y c l e ) ，t h ed h p d xs u d d e n l yi n c r e a s e ，al a r g en u m b e ro f1 1 1北京t 业大学t 学硕十学位论文曼皇曼! ! 曼曼曼! 曼曼曼! 曼曼! 曼! 曼曼曼! 曼曼皇_ 一1 1i i 曼曼! ! ! ! ! ! ! 曼! ! ! 鼍曼! ! ! ! 曼蔓曼曼! ! 曼! 曼曼m i c r o s t r u c t u r ea r ee m b o s s e d ，a n dt h e r ea r eo b v i o u sd i s l o c a t i o n so nt h eb o u n d a r yo fm i c r o s t r u c t u r e t m sr e s u l ts h o wt h a tt h em e t a lm a g n e t i cm e m o r yt e c h n o l o g yh a st h es p e c i a le f f e c to nt e s t i n gs t r e s sc o n c e n t r a t i o no fm a t e r i a la n de a r l yd i a g n o s i s t h ef a c tt h a tw h e t h e rt h es p e c i m e ni sd e s t r u c t i v eo rn o th a sn or e l a t i o nw i t hd h p d x ，a n di th a sn o t h i n gw i t hz e r o p o i n ta b o u tm a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y ( h p 2 0 ) t h em a t e r i a lw h e t h e ri th a sw e l d i n gs t r u c t u r eo rn o td o e sn oe f f e c to nt h ed i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y i no r d e rt os t u d yt h ep r a c t i c a l i t yo fm e t a lm a g n e t i cm e m o r ym e t h o di ne n g i n e e r i n g ，an u m b e ro fm e t a lm a g n e t i ce v a l u a t i o nh a db e e nd o n et h r o u g ht h em e t a lm a g n e t i cm e m o r ym e t h o db a s e do nt h el a b o r a t o r ys t u d i e s t h eo i lt a n k si nt h er e f i n e r i e sp l a n to fy a n s h a np e t r o c h e m i c a la n dt h eb o i l e ri nz h u h a ip o w e rp l a n th a db e e nt e s t e dt h o u g h tm e t a lm a g n e t i cm e m o r ym e t h o d ，t h e nal a r g em o u n t so fd a t ao b t a i n e d ，a f t e rt h ea n a l y s i so ft h e s ed a t a ，t h ep r a c t i c a l i t ya n dr e a s o n a b l ef e a s i b i l i t yo fm e t a lm a g n e t i cm e m o r ym e t h o di ne n g i n e e r i n gh a db e e nv e r i f i e d i nt h i sp a p e r ，t h er e s u l t so fr e s e a r c hi sf u r t h e re v i d e n c eo fm a g n e t i cm e m o r ym e t h o df o re a r l ye v a l u a t i o no ft h ef a t i g u ed e f e c t s ，t h i ss t u d yl e a dt oac o n c e p tw h i c hi sl i m i td e r i v a t i v ev a l u eb a s e do nal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t s ，t h i ss t u d yp r o v i d ea ni m p o r t a n te x p e r i m e n t a lb a s i sf o rt h ea p p l i c a t i o no fm a g n e t i cm e m o r ym e t h o di np r a c t i c a le n g i n e e r i n ga n dt h ed e v e l o p m e n to f m a g n e t i cm e m o r ym e t h o do np r e s s u r ee q u i p m e n t ”k e y w o r d sm e t a lm a g n e t i cm e m o r y ；h i g h - c y c l ef a t i g u e ；t e n s i o n ；n d t ；m i c r o s t r u c t u r ei v 独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)签名：日期：第1 章绪论m,n。z-一-。皇曼曼! ! 曼曼曼蔓! ! ! ! ! ! ! ! 曼! ! ! 曼皇曼曼曼曼皇! ! 曼! 曼曼皇曼! 鼍曼1 1 课题背景第1 章绪论铁磁性金属构件设备长周期运行过程中必定会由于间断操作和开停工作、温度变化、外加载荷及运行工艺等因素的影响而致使构件装置承受交变载荷而产生疲劳累积损伤破坏【l 】，或者是机械构件在制造和运行过程中因各种微观或宏观的应力而产生的应力集中区域i z j ，此外在现代工业中，大量的铁磁性金属构件，特别是锅炉、压力容器、管道、桥梁、铁轨道、螺栓和重要焊接部件等的大量使用，随着使用时间的推移，不可避免地存在着由于应力集中和缺陷产生扩展而引发事故的危险性。并且，现代工业正朝着高温、高速、高载方向发展，设备和构件在“三高”运行状态下往往未到下一个常规检测周期就已发生损坏【3 】，造成严重后果。据不完全统计，2 0 0 0 年2 0 0 5 年期间，我国发生的成百起压力容器及压力管道爆炸事故中，究其原因属于设计方面的原因( 占2 2 。1 ) 、制造方面的原因( 占2 7 8 ) 、由于失检失修的原因( 占2 0 8 ) 等这几个方面的原因占据着主流，造成的直接经济损失巨大1 4 j 。如果没有对该设备装置的应力水平进行可靠的检测评估，查找到设备装置上所存在的应力集中区域等其它潜在的危险，就很容易造成重大事故，针对目前的压力容器等高参数高危险性的设备装置的评价方式的局限性，就需要有一种行之有效的方法应用到工程实际的检测过程中。金属磁记忆方法是近年来发展起来的一门无损检测技术，是在2 0 世纪9 0 年代由俄罗斯学者杜波夫率先提出来i 5 】并在一些工程检测中得以应用，此后便引起了众多国家学者的关注与研究，传统的无损检测方法( 如超声、磁粉、涡流和渗透等检测方法) 对设备和构件的相关部位可以进行非常全面的检测，能够发现己发展成形的宏观或大部分微观缺陷，但是对于金属构件设备的早期损伤，特别是尚未成形的潜在的不连续的变化，难以实施有效的评价，从而无法避免检修后设备构件由于意外的疲劳损伤而致使恶性事故的发生。金属磁记忆方法就是可以实现对设备装置的早期诊断，相对于常规无损检测方法而言，金属磁记忆方法具有如下的优势【6 卜【9 】：( 1 ) 金属磁记忆方法的检测针对铁磁性构件的应力集中区域进行检测，能够对预出现缺陷的部位做出早期诊断，防患于未然。( 2 ) 当对设备装置的外露部分进行检测时，无需设备停止工作，可以实现对设备装置的在线检测。( 3 ) 对被检测对象表面无需进行去除涂层、打磨等处理，检测工艺简单。( 4 ) 检测设备轻便，能够实现快速检验。然而目前对金属磁记忆的研究中还存在很多的问题，比如被检测试件磁状北京丁业大学1 = 学硕十学位论文态的影响问题、外部磁场作用机制问题、应力集中的分布描述和定量检测问题、材料特性对磁记忆效应的影响问题、磁记忆信号与疲劳状态的对应关系问题等，在复杂的工程实际环境中，金属磁记忆方法能否可以真正解决工程实际问题，这关系到方法本身，也是当前应用中必须要解决的问题。金属磁记忆技术通过检测铁磁性构件自有磁场的非均匀性来判定潜在的危险区域，实验研究和大量的工程检测业已证明了该方法具有重要的实际应用价值。但目前束缚该项技术进步发展的瓶颈是磁记忆现象的形成机理存在争议，以及磁记忆检测中深入的定量问题没有得到解决【1 0 l 【2 2 】。因此对疲劳过程中的金属磁记忆信号的提取及特征分析研究就具有重要的价值，本课题是国家“十一五”科技攻关课题的一个子课题，主旨目的就是通过大量的实验，探索磁记忆方法用于工程检测评价的定量、定性方法，从宏观和微观角度来找到磁记忆信号所对应的疲劳损伤程度，为深入研究磁记忆效应的评定方法打下理论与实验基础。1 2 研究现状1 2 1 金属磁记忆技术国际研究现状在2 0 世纪9 0 年代，俄罗斯的杜波夫教授首先提出了金属磁记忆检测方法，之后在1 9 9 1 年到1 9 9 8 年间，俄罗斯学者重点进行了金属磁记忆检测方法的工程应用，验证了金属磁记忆检测方法用于早期诊断的可能性【2 3 】【2 6 1 ，对蒸汽管道的、管焊缝进行了金属磁记忆信号的检测，并指出了高应力集中是设备失效的根源【2 7 h 2 9 1 ，随后的一段时间内对金属磁记忆检测方法的机理也进行了一定的研究，并提出了一些实际的检测应用方法恻 【删j 。d c j i l e s 对铁磁性材料构件的磁机械效应和自磁化理论进行了比较深入的研究【4 0 】_ 【4 1 1 。s m t h o m p s o n 对经过特殊处理过的不同含碳量的钢材料在发生塑性变形过程中的磁信号特征进行了初步的研刭4 2 。j m m a k a r 也对随塑性变形过程中的磁信号特征进行了一定的探讨阳h 4 。1 2 2 金属磁记忆技术国内研究现状我国于1 9 9 9 年开始引进磁记忆检测技术。郑州大学电气工程学院周俊华、雷银照通过建立一个近似的有效分子场，解释了正磁致伸缩铁磁性材料在应力集中处漏磁场切向分量出现最大值，同时法向分量为零值【4 8 】；铁道科学研究院黎连修通过磁致伸缩方程来解释在地磁和应力作用下磁记忆现象的产生【4 9 1 。第1 苹绪论immm一_ m m 曼曼皇曼曼清华大学黄松岭等通过盲孔法测量焊缝残余应力和磁记忆测试结果的对比，认为可以用磁记忆方法测试应力分布1 5 纠，对磁记忆检测技术也展开了一些列的研究【s l l “【6 0 】。南昌航空工业学院任吉林、宋凯等从铁磁晶体的微观结构及能量最小原理出发来解释磁记忆形成机理【6 1 1 “【6 3 】；北方交通大学温伟刚、萨殊利从晶体结构出发，在理论和实验上进行分析，并建立了系统模型【删。北京理工大学的张卫民等人对金属磁记忆检测方法及其应用进行了一些研零v 1 6 5 一 6 7 1u口爱德森( 厦门) 电子有限公司林俊明等开发出e m s 2 0 0 0 金属诊断仪及基于u s b 接口的多通道金属磁记忆检测仪【6 3 】。清华大学李路明等介绍了一种新型采用p d a 的掌上型金属磁记忆检测仪【捌。仲维畅对金属磁记忆方法诊断的理论基础进行了研究，阐述了铁磁性构件次弹塑性应变磁化的理论1 7 0 h 7 n 。金信鸿、吴伟、卢超、邬冠华研究了1 6 m n r 钢板焊接接头附近垂直于焊板平面的漏磁场强度分布情况及其对应的残余应力分布情况。试验结果表明，铁磁性焊接接头近焊缝区不同形变引起的磁导率不连续变化产生漏磁场；磁记忆效应所产生的垂直于焊板平面方向上的漏磁场峰值与焊接残余应力造成的塑性变形区域和弹性变形区域分界具有直接对应关系。金属磁记忆法在焊缝残余应力测量中具有良好的应用前景1 72 。李光霁、孙国豪、潘家祯等介绍了金属磁记忆检测的原理及其应用方法。铁磁性工件在载荷的作用下，应力和变形集中区会产生最大的漏磁场变化，对漏磁场法向分量的测定可以准确地推断工件的应力集中区。通过对1 4 块对接焊缝钢板分别用磁记忆、超声波方法进行实际检测，验证了磁记忆检测方法的有效性，取得了一些有益的经验1 7 引。李光海、刘时风、沈功田介绍了磁记忆检测的原理、标准现状、仪器要求及其在压力容器制造、检验过程中的应用，并对压力容器磁记忆检测存在的问题进行了探讨1 7 引。王文江、戴光根据磁效应机理，分析了地磁场和检测环境对疲劳试件磁记忆检测结果的影响，以及试件断裂前后磁记忆检测信号的变化。理论分析和实验结果表明：地磁场和检测环境对检测结果会产生较大影响，检测时应尽可能将试件东西方向放置；疲劳试件断裂前后的磁记忆信号的幅值和过“o ”线将发生变化【75 1 。装甲兵工程学院的徐滨士科研小组对承受静载和交变载荷的试样磁信号进行了初步的研究【7 6 h 8 0 1 。邢海燕等人对q 2 3 5 材料进行了金属磁记忆方法检测分析( 8 1 1 一【8 2 l ：另外王翔对4 8 m n v 材料的磁信号特征进行了研列韶j 。北京t 业大学丁学硕十学位论文曼量i i一一_一1 1 1 皇曼! ! ! ! 曼曼! 曼曼! ! 曼! 曼皇曼曼曼! 曼曼1 3 课题研究目的和意义在现代工业中，大量的铁磁性金属构件，特别是锅炉压力容器、管道、桥梁、铁路等结构的大量使用，作为受力结构部件都不可避免的存在着类似于微观裂纹的损伤，引发疲劳裂纹或出现频率损伤失效的原因或是结构材料中固有的，或是制造加工过程中造成的，也可能是在使用过程中由于不同程度承受疲劳载荷而造成的。正是由于这些损伤的存在而使结构的承载能力大大降低。即使在静态或缓慢变化的载荷作用下，也会由于损伤的动态扩展而导致断裂破坏。由于疲劳裂纹大多萌生于表面或近表面的微观缺陷所带来的应力集中区域。故有效地实施部件表面及近表面的应力检测对铁磁性材料部件的安全使用及维护具有非常重要的研究意义。采用传统的无损检测方法对铁磁材料设备与构件进行检测可以有效地发现已发展成形的宏观缺陷或大部分微观缺陷，但是对于在役金属构件及构件的早期损伤，特别是尚未成形的隐性不连续性变化的早期损伤难以实施有效的评价，从而无法完全避免设备检修后由于意外的疲劳损伤发展而引发的恶性事故。所以为满足现代工业无损检测的需要，必须探索新理论、采用新方法。1 9 9 7 年在美国旧金山举行的第5 0 届国际焊接学术会议上，俄罗斯学者提出金属应力集中区一金属微观变化磁记忆效应相关学说，并形成一套全新的对铁磁性金属材料构件的早期诊断技术金属磁记忆( m m m ) 技术，该理论立即得到国际社会的承认。磁机械效应从1 9 世纪发展至今，已经形成较为完整的理论体系，部分应用技术已比较成熟。但对应力一磁化曲线相关方面仍存在许多与实验事实不能完全符合的问题，磁机械效应的微观机理也不能从本质上得到彻底清楚的阐明。具体说来，对于微弱磁场环境下，非弹性应力以及非线性应力分布( 如应力集中) 情况下的磁机械效应( 磁记忆现象) 研究少有涉及，尚有许多空白。实验研究以及实际工程应用也大多局限在恒定外场和人为磁化情况下。而磁记忆的研究工作主要集中在技术应用领域，对于金属磁记忆的微观机理、金属磁记忆效应的不可逆过程的研究、地磁场下非均匀分布应力及非线性应力下的磁记忆机理没有清楚的解释。由于对磁记忆检测的影响因素很多，对其物理机制的认识尚不深入，出现了许多相互矛盾的检测结果；同时金属磁记忆检测技术虽然有强子常规无损检测方法对构件的早期缺陷损伤进行判断的优势，但是目前还存在着无法准确判断早期缺陷位置的问题：在工程实际中也没有一套明确的判断标准可依据；磁记忆信号随材料塑性变形程度的变化规律以及承受交变载荷作用下构件的磁记忆信号和微观金相组织特征与早期缺陷的对应关系尚不明朗。在复杂的工程环境中，金属磁记忆方法能否可以真正解决工程实际i 口- j 题，这关系到方法本身，也是当前应用第l 苹绪论曼曼皇! 曼曼曼皇毫曼! 皇i 一一- -= ：i 。一；一一。! ! 曼曼曼中必须要解决的问题，对拉伸过程中磁记忆信号随塑性变形程度的变化规律及高周疲劳过程中磁记忆信号随疲劳周次和早期缺陷产生的变化规律进行深入研究便具有了重要的意义。本研究完成了材料在高周疲劳环境以及静载拉伸环境中的试验，提取磁记忆信号，并在试验过程中进行微观观察，力图找到微观损伤与磁记忆信号特征的对应关系；总结分析在试样损伤过程中磁记忆信号的特征，从宏观微观两层面得出磁记忆信号与拉伸及疲劳过程的对应关系，对真正解决工程实际问题提供判别依据。1 4 研究思路通过静载拉伸过程中磁记忆信号和微观金相组织随不同塑性变形程度的变化及高周疲劳过程中磁记忆信号和微观金相组随疲劳早期缺陷产生的变化规律展开实验研究，并结合工程实际应用进行磁记忆检测技术的实地检测，具体研究思路框图如下：北京工业大学工学硕十学位论文金属磁记忆效应及工程实际应用研究拉伸过程磁记忆特征研究高周疲劳过程磁记忆特征研究母材试件il 焊缝试件il 母材试件ll 焊缝试件不同检测亚面检测东jjo驯茧采用相互平行测量线不同变形阶段磁信号检测微观金相组织观察采用数学线性拟合及统计方法计算斜率变化的平均值及方差、标准差不同材料在拉伸过程中磁信号变化规律1 5 研究主要内容及创新点1 5 1 研究内容不同检测平面内检测采用2条平行的测量线长主勇不同循环周次磁信号检测uo微观金相组织观察工程现场设备构件磁记忆信号检测基于以上研究思路，本文以多种金属材料( q 2 3 5 、1 6 m n r 、2 0 9 ) 为研究对象，进行了以下几方面的研究：( 1 ) 静载拉伸过程中磁记忆信号及微观金相特征研究进行两种材料( q 2 3 5 、16 m n r ) 的母材与焊缝两种状态的研究。共进行3 0根试样的测试。( 2 ) 高周疲劳过程中磁记忆信号及微观金相特征研究进行三种材料( q 2 3 5 、1 6 m n r 、2 0 9 ) 的母材与焊缝两种状态的研究。共进行5 0 根试样的测试。6 一小嚣第l 章绪论l i i! i i 。皇曼! 曼皇! 曼! ! 曼!( 3 ) 工程实际中磁记忆信号提取及分析研究通过工程项目现场提取大量的磁记忆信号特征，分析金属磁记忆检测技术用于工程实际诊断的特点。1 5 2 创新点在评价金属材料静载拉伸过程磁记忆信号特征的过程中，考虑了微观金相组织特征的变化，将微观金相组织特征与宏观磁记忆信号相对应，得到了金属材料塑性变形过程中磁记忆信号特征。在评价金属材料承受疲劳载荷过程磁记忆信号特征的过程中，发现金属材料承受疲劳载荷、微观缺陷形成及扩展过程中磁记忆信号的特殊性，通过宏观与微观、细观层面上的对应关系，得到了微观失效下磁记忆信号特征，探索了疲劳早期缺陷的准确定位方法，基于大量实验研究提出了临界极限导数值的概念，为金属磁记忆技术的工程应用提供了实验依据。1 6 文童结构第一章，绪论：第二章，金属磁记忆检测技术的基本理论；第三章，静载拉伸过程中磁记忆信号及微观金相特征研究；第四章，高周疲劳过程中磁记忆信号及微观金相特征研究；第五章，金属磁记忆技术的工程实际应用研究；第六章，金属磁记忆研究成果的综合分析：结论。第2 章金属磁记忆榆测技术的基本理论第2 章金属磁记忆检测技术的基本理论2 1 物质磁性的分类及来源2 i 1 物质磁性的来源物质的磁性来源于组成物质的基本质点原子的磁矩f 8 4 1 。物理学中曾详细阐述了组成物质的原子构成：原子核和电子。由于原子核的磁性比电子的磁性小得多，所以原子核的磁性对原子磁矩的贡献可以忽略。近代物理证明，每个电子都具有残余的两种运动：环绕原子核的轨道运动和电子本身的自旋转运动，因此而产生磁矩【8 5 j 。2 1 2 物质磁性的分类磁性是物质的基本属性之一。大约在三千多年前物质的磁性就己受到注意了。但是在1 9 世纪以前，人们还是普遍认为只有极少数物质有磁性。直到1 9 世纪中叶，人们才逐渐认识到自然界中一切物质都具有磁性。根据物质磁化后对磁场的影响，可以把物质分为五大类：抗磁性、顺磁性、反铁磁性、铁磁性、亚铁磁性【8 5 】。2 。2 铁磁性物质的自磁化及磁弹性效应2 2 1 铁磁性物质的自磁化铁磁性物质的基本特点是白发磁化现象和磁畴结构的存在。地球是一个巨大的磁体，地球内部和表面的铁磁体都会在定程度上受到地磁场的磁化作用。处在地球磁场中的铁磁性物体由于地磁感应效应的作用而使物体内部的每一点引起的涡流产生了一个磁化场，所以物体在地磁场中运动便能产生感应电动势和物体能够导电。由法拉第电磁感应定律知。任何原因使通过任意回路所包围面积的磁通量发生变化时，回路中产生的感应电动势与磁通对时间的变化率之负值成正比，即巨= 一2 = b s2 - 2式中，巨为感应电动势，v ；为磁通量，w b ；t 为时间，s ：b 为磁感应强度，t ；s 为回路包围的面积，聊2 。由此可见，在均匀磁场中作匀速直线运动的物体中通过其内任意回路的磁通量不变，并且地球上某较小范围内的地磁场强度一般可认为是均匀的，所以在地球上作匀速直线运动的物体不会引起自发磁化。如果物体在非均匀磁场中作匀速9北京工业大学工学硕士学位论文直线运动，或是在均匀磁场中作加速运动，则通过物体中任意回路的磁通量一般都不能保持恒定，所以能激励出感应电动势【8 5 】。在铁磁性物质的内部，分成了许多小的区域，这些小的区域就称为磁畴。磁畴与磁畴之间有一过渡层，称为磁畴壁，其厚度约等于几百个原子间距。磁畴的形状、大小及搭配方式，统称为磁畴结构。磁畴结构的运动变化是磁性好坏的内因【8 5 1 。2 2 2 铁磁性物质的磁弹性效应铁磁学的研究指出，磁弹性效应是指当铁磁性材料受到弹性应力作用时，铁磁体不但会产生弹性形变还会产生磁致伸缩性质的形变，从而引起磁畴沿磁畴壁方向上的的位移，改变了其自发磁化的方向。广义上的“磁致伸缩”是指伴随着铁磁性物质的磁化状态变化而产生的大小和形状的变化，同时也包括由应力产生的磁化状态的变化。铁磁体在受到外应力的作用后，会在磁晶体内增加应力能，以致产生磁弹性效应峭引。aa m p a 图2 1 磁弹性效应作用示意图f i 9 2 1t h ep r i n c i p l eo fm a g n e t i ct e n s i o n如图2 1 为磁弹性效应作用示意图，它表明当铁磁性构件的某一部位在周期性载荷和外部磁场的共同作用下，在该部位会引起残余磁感应强度的增长。由于外应力的存在将对铁磁体内磁化强度的方向产生影响，使得磁化强度的方向呈现有规律的重新排列取向。在应力的作用下，依据不同的磁致伸缩系数，磁化强度的方向也将趋向于与应力平行或者垂直，以减小应力能的增加。这种由于应力而造成的各向异性称为应力各向异性，是引起磁弹性效应的重要原因之一。当铁磁体受到外应力作用时，尽管物体内磁化强度会在应力作用下被迫改变方向，以减小应力能，但是由于物体内仍然有应力的存在，或者是外应力消除后在铁磁体内滞留的残余应力总会引起应力能的增加，这就势必打破原有的能量平衡状态，促使磁弹性能量的增加。当弹性应力作用于铁磁体时，铁磁体不但会产生弹性应变，还会产生磁致伸缩性质的形变。当有外应力存在时，不仅由于外应力引起的形变会增加磁弹性能量，而且应力也将改变铁磁体内磁畴的自发磁化方向，以增加磁弹性能。在外应第2 覃金属磁记忆检测技术的基本理论力作用下，铁磁体产生的磁致伸缩性质发生改变，从而引起磁畴沿磁畴壁方向上的位移，也是引起磁弹性效应的重要原因。2 3 金属磁记忆检测原理2 3 1 金属磁记忆效应磁记忆效应是磁弹性效应和磁机械效应共同作用的结果。磁弹性效应表明当铁磁性金属构件的某一部位在周期性载荷和外加磁场的共同作用下，在该处会造成残余磁感应强度的增长。金属构件上的各种微观和宏观机械应力集中是使其发生损坏的主要根源。在应力集中区域，腐蚀、疲劳和蠕变过程的发展最为激烈。在地磁场的作用条件下，缺陷处的磁导率降低，构件表面的漏磁场增大，铁磁性材料的这一特性称为磁机械效应。磁机械效应的存在使得铁磁性金属构件的表面磁场增强，增强后的磁场“记忆”着部件的缺陷或应力集中的位置，这就是所谓的“磁记忆”效应。2 3 2 金属磁记忆检测原理简述如图2 2 磁记忆检测原理图所示，处于地磁场工作环境下的铁磁性金属构件由于受到工作载荷的作用，其内部结构会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向和不可逆的重新排列取向，并在应力和变形集中区域产生最大的漏磁场h p 的变化，即磁场的切向分量h p ( x ) 具有最大值，而法向分量h p ( y ) 改变符号且过零值点，这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后得以继续保副8 6 j 。通过对漏磁场法向分量h p ( y ) 的测定，便可以准确地判断金属构件的应力集中区和应力集中的严重程度，进而对结构的损伤程度做出安全评价。图2 2 金属磁记忆检测原理f i 9 2 2t h ep r i n c i p l eo fm m m北京工业大学t 学硕十学位论文曼曼量曼! 鼍曼曼曼曼曼曼曼! 曼! ! ! 皇! 曼! 曼! ! 曼曼! 曼曼! ! ! ! ! 曼曼曼! 鼍曼! m l !ii 罡曼曼! ! ! 曼皇曼曼鼍曼量曼曼曼曼曼曼鼍皇曼曼2 4 疲劳破坏及疲劳寿命s - n 曲线2 4 1 疲劳破坏概述疲劳破坏是指构件在承受交变载荷作用下，在某点或某些点产生局部产生的永久性损伤，并在一定疲劳循环次数后形成裂纹或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。疲劳破坏的过程一般解释如下：在长期的交变应力作用下，在构件高应力集中区逐步出现微观裂纹，即形成疲劳源。裂纹尖端应力集中促使裂纹逐渐扩展，由微观裂纹发展为宏观裂纹。在裂纹扩展过程中，当应力交替变化时，使裂纹两侧材料时而分离时而压紧，如同裂纹两侧材料在相互研磨，因而形成光滑区。随着裂纹的进一步扩展，界面面积逐渐被削弱，残余的部分界面上应力随之增大，当应力增大到一定数值时，构件在某种突加的外因作用下发生突然断裂。由于裂纹尖端一般处于三向拉伸应力状态，不易出现塑性变形，因此材料呈现脆性断裂，使破坏断口的另一部分形成颗粒状粗糙区。设备构件的疲劳破坏可分为3 个阶段：( 1 ) 微观裂纹形成阶段：在循环加载作用下，由于最高应力通常产生于物体的表面或近表面区，该区存在的滑移带、晶界和夹杂会发展成为严重的应力集中点并首先形成微观裂纹。此后，裂纹沿着与主应力约成4 5 0 角的最大剪应力方向扩展，裂纹长度大致在0 0 5 毫米以内，微观裂纹的进一步发展成为宏观裂纹。( 2 ) 宏观裂纹扩展阶段：裂纹基本上沿着与主应力垂直的方向扩展。( 3 ) 瞬时断裂阶段：当裂纹扩大到使物体残存截面不足以抵抗外部载荷作用时，物体就会在某一次较大的载荷作用下突然断裂。对应于疲劳破坏的3 个阶段，在疲劳宏观断口上出现有疲劳源、疲劳裂纹扩展的光滑区和瞬时断裂3 个区，如图2 - 3 所示。疲劳源区通常面积很小，色泽光亮，是两个断裂面相互研磨造成的；疲劳裂纹扩展区通常比较平整，具有表征间隙加载、应力较大改变等使裂纹扩展前沿相继位置的休止线；断裂区则常常使断裂面的材料呈现较粗糙的颗粒状。疲劳裂纹扩展区源图2 - 3 疲劳断口示意图f i 9 2 - 3t h ef i g u r eo ff a t i g u er u p t u r e第2 章会属磁记忆柃测技术的基本理论曼皇i i一皇曼曼曼! 皇曼曼曼! 曼鼍曼鼍! ! 曼! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼皇! ! ! 鼍曼曼曼曼曼皇皇曼鼍皇曼曼曼曼蔓皇皇皇皇曼! 曼! ! 曼曼曼曼2 4 2 疲劳寿命s n 曲线s - n 曲线中的s 为应力( 或应变) 水平，n 为疲劳寿命。s n 曲线是由试验测定的，在一定的应力比r 下，使用标准试样或实际构件，分别在不同应力水平s 下施加交变载荷，将所得到的试验结果以最大应力sm 。，或应力幅s 。为纵坐标，疲劳寿命n 为横坐标绘制s - n 曲线( 如图2 4 ) 。当循环应力小于某一极限值时，试样能经受无限次应力循环而不发生破坏，该极限应力值就称为疲劳极限，图2 4 中s - n 曲线水平线段对应的纵坐标就是疲劳极限。然而有实验指出有色金属及其合金的s - n 曲线一般不存在水平线，因此常常把左边竖直线段上每一点的纵坐标为