（工程力学专业论文）损伤记忆元件研究.pdf

南京航空航天大学硕十研究生学位论文 摘要 会属磁记忆检测技术是一种新型的无损检测技术。它能够实现对构件的早期损伤 的检测。鉴于其基础研究工作不足，本文主要做了如下工作： ( 1 ) 系统地研究了金属磁记忆检测技术的基本理论； ( 2 ) 研究了退火试件和未退火试件在自然磁场和激励磁场环境中进行拉伸的磁 记忆信号： ( 3 ) 研究了退火试件在三种磁场环境中进行拉伸试验的磁记忆信号。通过试验 总结出对于受拉伸载荷作用的试件使其工作在激励磁场环境中可以明显地改进检测 的效果。 ( 4 ) 研究了未退火试件在三种磁场环境中扭转的磁记忆信号。通过试验发现不 同的磁场环境对试件扭转的磁记忆信号的改善没有拉伸试验明显。 关键词： 损伤无损检测磁记忆铁磁性构件应力集中 损伤记忆元件研究 a b s t r a c t t h em e t h o do fm e t a lm a g n e t i cm e m o r y m m ) i san e wn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g t e c h n o l o g y i tc a nj u d g et h ep o s i t i o nw h i c ht h ed a m a g ei sg o i n gt oa p p e a ri n a d v a n c e ，t h u s r e a l i z e st o p r e d i c td e s t r u c t i o n s e e i n g t h a tt h eb a s i c r e s e a r c h e so ft h em e t h o do fm e t a lm a g n e t i cm e m o r yi n s u f f i c i e n t l y ，t h i st e x t h a sd o n et h ef o l l o w l n gw o r km a i n l y ： ( 1 ) s t u d i e dt h eb a s i ct h e o r yo ft h em e t h o do fm e t a lm a g n e t i cm e m o r y ： ( 2 ) s t u d i e dt h es i g n a lo fm e t a lm a g n e t i cm e m o r yo fs a m p l e sb o t ha n n e a l s a n dn o ta n n e a l si nn a t u r a lm a g n e t i cf i e l da n dd r i v em a g n e t i ef i e l du n d e rt h e d r a w nl o a d s ； ( 3 ) s t u d i e dt h es i g n a lo fm e t a lm a g n e t i cm e m o r yo fa n n e a l ss a m p l e si nt h r e e m a g n e t i cf i e l d su n d e rt h ed r a w nl o a d s i th a sb e e nf o u n dt h a tt h ed r i v e m a g n e t i cf i e l dc a ni m p r o v et h em a g n e t i cm e m o r y s i g n a l ( 4 ) s t u d i e dt h es i g n a lo fm e t a lm a g n e t i cm e m o r yo fs a m p l e sn o ta n n e a l si n t h r e em a g n e t i cf i e l d su n d e rt h et o r s i o nl o a d s i th a sb e e nf o u n dt h a td i f f e - r e n t m a g n e t i cf i e l d sh a sn o ti n f l u e n c e dt h em a g n e t i cm e m o r y s i g n a lr e m a r k a b l y k e yw o r d s ：d e s t r u c t i o n ：n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g ：m a g n e t i cm e m o r y f e r r o m a g n e t i cs t r u c t u r e ：s t r e s sc o n c e n t r a t i o n i i 塑室堕! 堕丕查堂堡圭婴塞圭堂垡丝兰 第一章绪论 1 1 引言 任何工程结构都不可避免地存在着类似于微裂纹的损伤，它们或是结构材料中 固有的，或是制造加工过程中造成的，也可能是使用过程中造成的损伤。这些损伤 的存在，降低了结构的承载能力。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。例如加压天然气管道在管内气压作用下，微裂纹会快 速扩展，管道在瞬间就会破裂数百米乃至上千米。美国和欧洲都发生过数起加压天 然气管道破裂的重大事故。同类性质事故在船舶、飞机、压力容器与桥梁等重大金 属结构中也常有发生。由此可见，存在于工程结构中的损伤是工程结构安全、正常 工作的一大隐患。而传统的无损检测方法( 超声、磁粉、渗透、涡流和射线等) 由 于原理和工艺的局限性仅能检出已发展成形的缺陷，但对于金属构件中存在的微裂 纹等早期损伤，特别是尚未成型的隐性不连续变化，难以实施有效的评价。为了可 靠、灵敏地检出金属结构中的早期损伤，尤其是金属结构的隐性不连续变化，以满 足现代工业无损检测的需要，必须探索新理论，开发新仪器。在测试技术迅猛发展 的今天，这些新仪器和设备的最关键之处就在于其传感元件。这些传感元件必须能 够较好地敏感于结构中的损伤，并且产生的信号可以被方便地进行放大、处理、显 示。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，俄罗斯科学家提出 金属应力集中区一金属微观变化一磁记忆效应相关学说，并形成一套全新的金属诊 断技术金属磁记忆( 删m ) 技术，该理论立即得到国际社会的承认。这一被誉 为2 l 世纪n d t 新技术的检测法，是集常规无损检测、断裂力学和金相学诸多功能 于一身的崭新诊断技术，已迅速在澳大利亚、印度及东欧等国家和地区的许多企业 中得到推广和应用，中国也开始引进这项新技术。 1 2 损伤检测研究的发展及现状 机械设备和工程结构中的构件，从毛坯制造到加工成形的过程中，不可避免地 会使构件的内部或表面产生微小的缺陷( 如小于l m m 的裂纹或空隙等) 。在一定的 外部因素( 载荷、温度变化以及腐蚀介质等) 作用下，这些缺陷会不断扩展和合并， 形成宏观裂纹。裂纹继续扩展后，最终可能导致构件或结构的断裂破坏。这些导致 材料和结构力学性能劣化的微观结构的变化就称为损伤。 按材料变形的性质和状况，可将损伤分类m ，如表卜1 。 不同形式的损伤，虽然其产生的原因、特点不同，有的是在制造或加工过程中 引起的，如金属材料在冷热加工时产生的夹杂、偏析等；有的是在外力作用或环境 因素影响下发生和演变的，如塑性韧窝、界面脱层等，但是它们在载荷、温度或环 境效应等因素持续作用下都会进一步增长、扩展，并且逐渐并集、聚合，形成一定 尺度的宏观裂纹，从而导致结构的强度、刚度下降，以至破坏。可现场应用于实时 损伤记 乙，l 件研究 监测工件的损伤的检测手段可以控制和保证工件的可靠性。 表i 一1损伤分类 类别特点 弹性损伤( 脆弹性材料中由于应力的作用而导致的损伤。材料发生损伤后，没 弹性损伤)有明显的不可逆变形。在强度高韧性低的金属和合金、高强度混 凝土、陶瓷和岩石等中常出现此类损伤。 弹塑性损伤弹塑性材料中由于应力的作用而引起的损伤。材料损伤时，同时 ( 延性塑性损产生残余变形。在强度较低韧性较好的金属材料、中强度混凝土、 伤)复合材料、高分子材料等中常出现此类损伤。 蠕变损伤( 粘材料在蠕变过程中产生的损伤。在给定的温度下，这类损伤是时 塑性损伤)间的函数。金属材料在高温或较高温度下蠕变过程中会产生此类 损伤。 低周疲劳损伤当材料承受较大应力或较大应变循环载荷时，在微裂纹形核和扩 展阶段前的潜伏期后，损伤与循环塑性应变一起发展，损伤的局 部化程度较高。 高周疲劳损伤当材料承受低幅值应力循环载荷时，细微观塑性应变很小，但在 ( 微观塑性损微观水平的某些点处的塑性变形可能很高，在这些点处只在一些 伤)平面上会产生穿晶微开裂。 剥落损伤由冲击载荷或高速载荷产生的弹性损伤和弹塑性损伤。 无损检测技术正是为了满足这种需要雨兴起的一门新兴的应用技术学科。所谓 无损检测技术就是在不损伤被检材料、工件或设备的情况下，利用材料内部结构异 常或缺陷存在所引起的对热、声、光、电、磁化等反应的变化，来探测各种工程材 料、零部件、结构件等内部和表面缺陷，并对缺陷的类型、性质、数量、形状、位 置、尺寸、分布及其变化做出判断和评价。其实质是利用材料的物理性质因有缺陷 而发生变化这一事实，测定其变化量，从而判断材料内部是否存在缺陷。目前在无 损检测中所利用的材料物理性质有：材料在射线辐射下呈现的性质，如射线检测； 材料在弹性波作用下呈现的性质，如超声检测；材料的电学性质、磁学性质、热学 性质以及表面能量的性质等，如涡流检测、磁粉检测等。也就是说，无损检测的原 理是利用材料内部组织和结构异常时所引起的物理量变化来推断材料内部的组织 和结构的异常。其目的在于定量掌握缺陷与强度的关系，确定构件的允许负荷，预 测构件的寿命或剩余寿命；检测设备或构件在制造过程中产生的缺陷，以便改进工 艺，提高产品质量；实时监测在役设备或构件的损伤情况，保证设备安全、高效、 可靠地运行。与传统的学科相比，无损检测技术自问世、发展到今天，其历史不长， 规模也不算大，影响也不够广泛。但它发展异常迅速，给工业领域和新材料新工艺 南京航空航天大学硕士研究生学位论文 研究等提供了大量的技术支持和有效的帮助，在国民经济建设中发挥了十分显著的 作用，小到人们日常生活用品，大到火箭、飞船，都与无损检测技术，特别是无损 检测新技术的发展密切相关。在我国机械、冶金、航空、航天、原子能、国防、交 通、电力、化工等工业部门都得到了广泛的应用，并愈来愈受到各方面的重视。假 如没有无损检测技术的应用，钢材的质量难于保证，机器可能会停止运转，飞机难 于起飞，火箭难于上天，汽车可能会在路上翻车，火车可能会出轨，石油和天然气 管道可能会发生泄漏，锅炉和压力容器可能会发生爆炸，可以说，在现代科学 技术应用领域中，没有哪种技术能够象无损检测那样具有如此广泛的科学基础和应 用领域。作为现代工业的基础技术之一，无损检测技术在保证产品质量和工程质量 上发挥着愈来愈重要的作用，其“质量卫士”的美誉已得到工业界的普遍认同。 以1 8 9 5 年伦琴发现x 射线为标志，无损检测作为一门多学科的综合技术正式 开始进入工业化大生产的实际应用领域。1 9 0 0 年法国海关开始应用x 射线检验物品， 1 9 2 2 年美国建立了世界第一个工业射线实验室，用x 射线检查铸件质量，以后在军 事工业和机械制造业等领域得到广泛的应用，射线检测至今仍然是许多工业产品质 量控制的重要手段。1 9 1 2 年超声波探测技术最早在航海中用于探查海面上的冰山， 1 9 2 9 年超声波技术用于产品缺陷的检验，至今仍是锅炉压力容器、铁轨、重要机械 产品的主要检测手段。1 9 3 5 年第一台涡流探测仪器研究成功。五十年代初，德国科 学家霍斯特发表了一系列有关电磁感应的论文，开创了现代涡流检测的新篇章。2 0 世纪6 0 年代和7 0 年代是无损检测技术发展的兴旺时期，各种无损检测的新方法和 新技术不断出现。2 0 世纪8 0 年代和9 0 年代，在无损检测诊断仪器的研制和改进方 面得到了迅速发展和提高，并迅速走向工业现场和向实用化发展。例如，金属陶瓷 管的小型轻量x 射线机、x 射线工业电视和图像增强与处理装置、安全可靠的y 射 线装置和微波直线( 回旋) 加速器等都应用于工业现场检测。x 射线、y 射线和中 子射线计算机辅助层析摄影技术( c t 技术) 在工业无损检测中已经得到成功应用。 超声c 一扫描、超声b 一扫描、超声p 扫描、超声t 扫描成像检测技术和超声c t 检 测技术、超声显微技术、导波检测技术等新技术也不断被推出。 长期以来，无损检测有三种简称，即n d i ( n o n d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o n ) 、 n d t ( n o l l d e s t r u c t i v et e s t i n g ) 和n d e ( n o n - d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n ) 。目前我们还是习惯 称它为n d t ，即无损检测。无损检测以检出缺陷为目的，传统的无损检测方法如超 声、射线、涡流、渗透、磁粉等可以检出裂纹等危害性缺陷，并指出缺陷的尺寸、 形状，但是对于缺陷的危险程度以及缺陷的去留难以进行有效的评价。实际上国外 工业发达国家的无损检测技术已逐步从n d i 和n d t 向n d e 过渡，即用无损评价 来代替无损探伤和无损检测。这是因为无损评价已经包含了无损探伤和无损检测的 内容，而且它比无损探伤和无损检测更积极和更具综合性。无损评价基本做法是： ( 1 ) 对材料( 构件) 进行应力分析，根据构件承受的载荷，计算和测定构件有缺 陷的部位的应力；( 2 ) 测定或估算缺陷部位和残余应力：( 3 ) 确定材料的断裂强度； 塑垡：! 曼坚垄生塑塞 一一 ( 4 ) 进行定量的无损检测：( 5 ) 进行断裂力学计算，判断缺陷的危险程度，最后 对缺陷的去留作出评定。近年兴起的金属磁记忆检测技术正是一项集无损检测、断 裂力学、金属学等学科于一体的新的无损检测方法。该方法只要通过检测构件表面 漏磁场强度的法向分量，就可确定构件缺陷的位置，并可通过漏磁场强度法向分量 的变化估算缺陷处残余应力的变化，判断缺陷的危险程度。无损检测技术的另个 发展是从n d e 向a n d e 和q n d e 发展。也就是说，从一般无损评价向自动无损评 价和定量无损评价发展。这样可以减少人为因素的影响，改用计算机来进行检测和 分析数据，以提高检测可靠性。 随着微电子学和计算机等现代科学技术的飞速发展，无损检测技术也突飞猛 进。它涉及的领域不仅局限于无损检测和试验，还涉及到材料的物理性质、制造工 艺、产品设计、断裂力学、数据处理、模式识别等多种学科和专业技术领域。各种 无损检测诊断方法的基本原理几乎涉及到现代物理学的各个分支。据统计，已经应 用于工业现场的各种无损检测诊断方法已达7 0 余种。如表1 2 所示”1 。目前工业现 场中常用的无损检测方法主要是射线检测、超声检测、磁粉检测、渗透检测、涡流 检测等无损检测方法。如表1 - 3 所示”1 。 表1 - 2 无损检测方法分类 射线检测x 射线、y 射线、高能x 射线、中子射线、质子和电子射线等 声和超声检测声撞击、超声脉冲反射、超声透射、超声共振、超声成像、超声频 谱、声发射和电磁超声等 电学和电磁检测电阻法、电位法、涡流法、录磁与漏磁、磁粉法、核磁共振、微波 法、金属磁记忆、外激电子发射等 力学和光学检测目视法和内窥镜、荧光法、着色法、脆性涂层、光弹性覆膜法、激 光全息摄影干涉法、泄露检定、应力测试等 热力学方法热电动势法、液晶法、红外线热像图等 化学分析法电解检测法、激光检测法、离子散射、俄歇电子分析等 表1 - 3 常见无损检测方法简介 设备用途优点局限性 超声检测超声探伤仪、探检测锻件的裂纹、对平面形缺陷为耦合传感器， 头、耦合剂及标分层、夹杂，焊缝十分敏感。经要求被检表面 准试块等中的裂纹、气孔、探伤便知结果；光滑；难于探测 夹渣、未熔合、未易于携带：穿透出细小裂纹：不 焊透，型材的裂力强。适用于形状复 纹、分层，铸件的杂或表面粗糙 缩孔、气泡等。的工件。 磁粉检测磁头，轭铁，线检测铁磁性材料简单、操作方限于铁磁材料； 塑塞盟窒堕墨查堂璧主竺塑兰兰垡堡苎一 圈，电源及磁粉和工件表面或近 便，速度快，灵探伤前宓、须清 表面的裂纹、折敏度高。洁工件；涂层太 叠、夹层、夹渣等，厚会引起假显 并能确定缺陷的示；某些应用要 位置、大小和形求探伤后退磁。 状。 y 射线检测y 射线探伤仪，检测焊接不连续可永久记录，y 不安全，要保护 底片夹、胶片，性以及腐蚀和装源可以定位在被照射的设备， 射线铅屏蔽，胶配缺陷。最宜检查诸如钢管和压要控制检验源 片处理设备，底厚壁体积型缺陷。力容器之类的的曝光能级和 片观察光源，曝物体内。剂量，对易损耗 光设备、辐射监的辐射源必须 控设备。定期更换，成本 高。 x 射线检测x 射线源和电检测焊缝未焊透、功率可调，照相投资大，不易携 源，其余同y 射气孔、夹渣，铸件质量比v 射线带，有放射危 线检测。中的缩孔、气孔、高，可永久记险，较难发现焊 疏松、热裂等，并录。缝裂纹和未熔 能确定缺陷的位合缺陷，不适用 置、大小及种类。于锻件和型材。 涡流检测涡流探伤仪和检测导电材料表经济、简便，可仅限于导体材 标准试块。面和近表面的裂自动对准工件料，穿透浅，要 纹、夹杂、折叠、探伤，不需耦有参考标准，难 凹坑、疏松等缺合，探头可以不以判断缺陷种 陷，并能确定缺陷接触试件。类。 位置和相对尺寸。 渗透检测荧光或着色渗能检测金属和菲对所有的材料涂料、污垢及涂 透液，显像液，金属材料的裂纹、都适用，设备轻覆金属等表面 清洗剂及清洁折叠、疏松、针孔便，投资少，探 层会掩盖缺陷， 装置。等缺陷，并能确定伤简便，结果易孔隙表面的漏 缺陷的位置、大小解释。洞也能引起假 及形状。显示；探伤前后 必须清洁工件； 不适用于疏松 的多孔性材料。 目前，无损检测技术正向快速化、标准化、数字化、程序化和规范化的方向发 损伤记忆元件研究 展。其中包括高灵敏度、高可靠性、高效率的无损检测诊断仪器和无损检测诊断方 法，无损检测诊断和验收标准的制定，无损检测诊断操作步骤的程序化、实旌方法 的规范化、缺陷判断和评价的标准化等。 未来无损检测新技术的发展将可能会在以下几个方面更具发展优势： ( 1 ) 非接触无损检测方法。 ( 2 ) 与材料性能和结构变化相结合的无损检测方法。如残余应力测量、微结 构分析、寿命评估等。 ( 3 ) 快速无损检测新技术。 ( 4 ) 外场检测技术。 ( 5 ) 无损检测传感器、换能器技术。 金属磁记忆检测技术正是适应了这些发展趋势而兴起的一种新的无损检测方 法。应用该方法不需要对受检对象作任何准备( 清理表面等) ，提离效应的影响小； 检测设备轻便、尺寸小，有自主电源和记录与存储装置，不需要采取祸合技术，特 别适合外场使用；工作效率高，根据被检测表面几何形状的复杂程度检测速度可达 1 0 0 米4 时或更高，根据检测的劳动强度，该方法属于快速检测。因此，这项集无 损检测、断裂力学、金属学等学科于一体的无损检测技术必将在各工业部门得到广 泛的应用。 1 3 隐性损伤的概念 美国加州的n o r t h b r i d g e 大桥，在1 9 9 4 年1 月1 7 日大地震主震过后的检查中 未发现有明显损伤，但稍后却在震级不大的余震中倒塌。这说明。主震给桥梁结构 造成了较大的损伤，但这种损伤并没有以裂纹等物质的宏观的不连续的方式表现， 这种不具形状的不连续变化本文中称为隐性损伤。 隐性损伤常常出现在构件的表面。因为受弯曲应力或扭转应力及组合应力时， 表面应力最大。即使受拉伸载荷作用。截面上处处承受均匀拉伸，但表面晶粒不受 约束，易于塑性变形，这就为隐性损伤的产生提供了优于内部晶粒的条件。一般情 况下，隐性损伤可能出现在表面滑移带上、晶粒边界或孪晶界上、第二相与基体的 界面等处。这是由于n ，： ( 1 ) 在构件上某些应力集中部位，其应力值首先达到屈服强度。产生显微范围 内局部塑性变形，在择优滑移面上的滑移形成密集的滑移带，在承载过程中，形成 “挤出峰”和“挤入谷”，引起表面粗糙： ( 2 ) 优先产生滑移的位错，容易在晶界上受阻，由此形成位错塞积，位错的塞 积在晶界处造成应力集中，当此应力峰值达到某临界值时便引起晶界开裂； ( 3 ) 许多金属材料，都不同程度地存在各种非金属夹杂物，此外，为了强化金 属材料往往使材料中形成第二强化相，这些夹杂物和强化相与基体相交的界面也成 为隐性损伤优先萌生的部位。 6 南京航空航天大学硕上研究生学位论文 隐性损伤的存在，并不意味着在任何情况下都会造成一条疲劳裂纹的最终发 展，但是这聃局部范性现象和某些载荷、环境与温度等条件的组合，肯定将会引起 开裂。因此应积极寻找对隐性损伤的无损检测方法。 1 4 本文的主要研究内容 金属磁记忆检测技术具有设备轻便、操作简单、灵敏度高、可靠性好，以及提 离效应影响小等特点，因此是一种有着巨大的应用前景的无损检测技术，但是与其 应用相比，这种技术的基础研究却显得不足，目前对金属磁记忆检测技术研究的不 足主要有以下几方面： ( 1 ) 载荷作用下结构产生磁记忆信号的机理有待于深入研究。虽然金属磁汜忆 检测技术已经在许多场合得到了应用，但其产生机理没有得到公认的解释； ( 2 ) 金属磁记忆是存在于铁磁性金属中的一种特殊现象，因此目前所有的金属 磁记忆检测研究都集中于铁磁性金属结构的损伤检测。而随着材料科学的发展，非 铁磁性金属( 如轻质高强度合金，高性能复合材料等) 重要承力结构愈来愈多。现 有的金属磁记忆检测无法在这些结构的安全评定中得到应用； ( 3 ) 复杂应力状态下的行为研究不多； ( 4 ) 疲劳载荷作用下结构产生磁记忆信号的问题的研究不足。虽然有关磁记忆 现象首先就是在疲劳损伤导致的断裂结构中发现的。但系统的磁记忆技术用于疲劳 损伤的检测的研究不多见。特别是疲劳载荷作用下的损伤状态与磁记忆信号的准确 关系有待于进一步的明确； ( 5 ) 磁记忆信号的变化不是非常清晰，对信号的识别与准确判定要求操作者具 有非常丰富的理论知识与实际工作经验，是该技术的推广应用的一个障碍。 目前金属磁记忆检测技术的这种机理研究与应用状况失衡的情况，严重阻碍着 该技术的发展与应用，特别是在对可靠性要求较高的领域，这种制约作用更加严重。 所以，对金属磁记忆检测技术的基础问题进行充分的研究，是发展和完善这一崭新 的无损检测技术的重要的工作。 基于以上目的，本文进行了相应的研究工作。主要有以下内容： ( 1 ) 系统地研究了金属磁记忆检测技术的基本理论； ( 2 ) 研究了退火试件和未退火试件在自然磁场环境和激励磁场环境中进行拉伸 的磁记忆信号； ( 3 ) 研究了退火试件在三种磁场环境中进行拉伸试验的磁记忆信号：i ) 自然 磁场环境；i i ) 先磁化，后在自然磁场环境中加载；i i i ) 激励磁场环境。通过试验 发现，在自然磁场环境中加载，磁记忆信号比较混乱，尤其是过了屈服极限，出现 了多个法向磁场分量的过零点，因此根据过零点判断损伤位置有所困难：先磁化后 在自然磁场环境中加载，对拉伸试件的磁记忆信号的影响不明显；在激励磁场环境 中加载，磁记忆信号呈现明显的规律性，并且材料在屈服后，在不同的载荷下，只 7 损伤记忆元件研究 有唯一的明显的过零点，且该过零点随着载荷的增加很快地向颈缩处逼近，因此根 据该过零点可以预先判断损伤将要出现的位置，从而实现对构件的早期损伤的检 测。因此，对于受拉伸载荷作用的试件使其工作在激励磁场环境中可以明显地改进 检测的效果。 ( 4 ) 研究了未退火试件在三种磁场环境中扭转的磁记忆信号：i ) 自然磁场环 境；i i ) 激励磁场环境；i i i ) 先磁化，后在自然磁场环境中加载。通过试验发现不 同的磁场环境对试件扭转的磁记忆信号影响不显著。 一一一 塑曼堕兰堕奎奎兰堡圭竺塑竺堂垡堡壅 第二章隐性损伤检测技术概述 2 1 隐性损伤及检测的提出 无损检测技术自问世以来，得到了空前的发展，不仅使超声、射线等传统的检 测技术青春长存，而且还产生了像激光全息干涉、电子剪切成像、激光超声、红外、 声发射、微波、电磁超声等众多的无损检测新方法，并且在工业中得到了实际的应 用。但是，近年来，国内外仍时有出现灾难性的事故，一次又一次地对人们敲响了 警钟。 1 9 5 8 年美国北极星导弹固体燃料发动机壳体在试验发射时发生爆炸，其材料是 用屈服应力o 。= 1 3 7 g p o 的高强度钢，传统的强度和韧性指标全部合格，而爆炸时的 工作应力远低于材料的许用应力，调查研究表明，这次爆炸是由于深度为0 1 m m 至 0 5 m m 的微裂纹引起的； 1 9 6 7 年1 2 月，在美国o h i o 大河上的s l i v e r 大桥垮塌，造成了4 6 人死亡； 美国加州的n o r t h b r i d g e 大桥，在1 9 9 4 年1 月1 7 日大地震主震过后的检查中 未发现有明显损伤，但稍后却在震级不大的余震中倒塌； 1 9 9 4 年1 0 月韩国汉城发生了横跨汉江的圣水大桥中央断塌5 0 米，其中1 5 米 掉入江中，造成死亡3 2 人，重伤1 7 人的重大事故； 2 0 0 0 年8 月2 7 日台湾省内连接高雄与屏东的重要通道高屏大桥突然拦腰断 裂，造成1 6 辆汽车坠入河中，2 2 人受伤，交通中断； 号称“西南第拱”的四川省宜宾市南门大桥的坍塌事件，再一次敲响了警钟。 该桥梁主要由主拱，桥面和1 7 对钢绳组成。2 0 0 1 年1 1 月7 日凌晨，在短短的几十 分钟里，从南向北三次垮塌，1 7 对吊杆断了4 对。 在无损检测技术迅速发展的今天，为什么还会出现这样的悲剧呢? 究其原因， 结构材料中存在的微裂纹等缺陷是造成材料和结构失效破坏的一个重要原因“。 它们在外载荷作用下会产生动态扩展，在明显的裂纹尚未形成前，材料和结构仍然 能够保持原有的形态和形势，基本维持原有的承载能力，但在长期使用后，会在征 兆很不明显的情况下突然断裂，造成灾难性的损伤和严重的后果。由此可见，要保 证工程机构的安全运行，需要对结构中存在的微裂纹等隐性损伤进行实时监测。而 由表卜3 可以看出，传统的无损检测方法( 超声、磁粉、渗透、涡流和射线等) 虽 然发展成熟，在质量控制、安全保障、事故预防等方面发挥了重要作用，但它们都 存在着一个共同的缺点：只能检测出构件中已经形成的宏观物理不连续体( 如裂纹 等) ，而在构件未形成宏观物理不连续体以前，则不易准确检测构件的损伤情况， 也不易正确判断和评估构件的承载能力丧失程度和剩余承载能力。因而应积极寻找 对隐性损伤进行实时监测的新技术、新方法。 2 2 电阻式隐性损伤敏感元件的研究 9 损伤记忆元件研究 电阻式隐性损伤敏感元件“1 是一种载荷一损伤历程的记忆元件，它以自身的电 阻变化来反映结构的性能的弱化。它能指示结构疲劳寿命的消耗，以及还具有的剩 余疲劳寿命，正好弥补了传统无损检测方法以表现为物理不连续的缺陷为检测目标 的这一不足之处。2 0 世纪6 0 年代研究人员发现，某些工作于交变载荷下的应变片 的阻值变化不仅和当时所承受的应变有关，还与载荷循环的周次有关，据此提出了 疲劳寿命计的概念。美国波音公司首先研制成功s - n 疲劳寿命计并开始应用于航空 航天结构的疲劳监测。日本出于结构可靠性研究的需要也对疲劳寿命计进行了研 究，在产品目录中作了介绍，但很快就被取消。英国研究人员也曾发表了一些有关 论文，但一直没有形成产品。前苏联在疲劳寿命计的研究方面也进行了大量的工作， 我国某代表团访苏时曾见到其“累积损伤计算传感器”，即疲劳寿命计。但国外对 于疲劳寿命计研制中的关键技术都极端保密。疲劳寿命计对于开展结构的抗疲劳能 力的研究、保障结构安全有着重要的作用，而国外对此非常保密，2 0 世纪8 0 年代， 在航空工业部“电阻应变片及应用交流会”上，与会专家建议由航空工业部科技局 组织有关单位联合攻关。随后由南京航空航天大学牵头，联合6 2 9 所、上海有色金 属研究所、航天工业部7 0 2 所等共同攻关。打破国外限制，研制成功性能优于国外 报道的疲劳寿命计。 疲劳寿命计的外形与普通应变片相似，其生产工艺也基本相同，但其敏感栅的 合金成分和加工工艺、热处理规范、工作原理和检测方法等都不相同。普通应变计 是实时应变检测元件，载荷卸除后，电阻变化恢复。而疲劳寿命计在循环加载下电 阻值会发生不可逆的改变，最终的电阻变化量是各个循环加载下电阻累积变化之 和，具有电阻累积记忆功能，载荷卸除后，电阻变化值保留( 如图2 - 1 ) 。图中a r 。 为试件受载后的电阻应变效应，是由于循环应变引起的电阻累积效应。由图2 一l 可见，疲劳寿命计的阻值能够根据累积循环应变历程产生相应的变化。 r 普通应变计 r a r ： 疲劳寿命计 图2 一l普通应变计与疲劳寿命计的比较 疲劳寿命计的敏感栅材料及热处理工艺的特殊性决定了它的疲劳记忆特性。敏 感栅材料除镍、铜外，还有少量的铁元素。作为夹杂的铁元素能增强n i 原子的聚 集作用，有利于n i 原子形成积聚体，减小材料的电阻率。通过透射电镜可以发现， 箔材中n i 原子在溶剂原子中的状态为片状或杆状的积聚体，而铜元素的高电导率 构成了低阻抗的特性。循环载荷作用下由于一个原子面越过临近原子面时的滑移或 剪切会造成晶体的变形。对栅丝材料而言，循环载荷所造成的滑移或剪切破坏了积 聚体结构，对电子的散射作用增强，从而使得栅丝的电阻率增加。同时疲劳状态检 测元件的敏感栅箔片较软，其电阻值随它的应变硬化或冷作硬化而增加。较大的循 环载荷会造成单位作用周次内较强的滑移、剪切和应变硬化或冷作硬化，从而使箔 材的电阻率造成不可恢复的增加。稍小的循环载荷作用周次增多后，也会形成足够 的滑移或剪切增加箔材的电阻率。但太小的循环载荷难以破坏n i 原予的积聚体， 使得其电阻率的增加不明显。以上诸因素之间有如下关系”，： a r = k ( e ，一8 0 ) “ ( 2 一1 ) 式中a r 一疲劳寿命计产生的永久性的不可逆的电阻增量，用百分数表示( ) ： 一最大交变应变幅值( 4 - s ) “一i 临界交变应变幅值，即门槛值，在它以下的应变幅值的循环作用下不会 发生累积的、不可逆的电阻改变； 一交变应变循环周期次数； k 、h 一常数，表征了疲劳寿命计的疲劳响应特征。 疲劳寿命计是一种新型的损伤记忆元件，在结构损伤监控过程中使用方便，不 要带电工作。在监测点粘贴、安置后，只要定期监测其电阻变化即可，对结构的原 有服役状态没有影响。它的性能稳定，长期工作可靠性较高，是较理想的损伤记忆 元件。但是它也具有一些不足，主要是： ( 1 )制片工艺复杂，影响因素多，分散性较大； ( 2 )电阻相对变化6 8 是其工作界限，超过此界限后就不能正常工作； ( 3 )高温下不能正常工作； ( 4 ) 门槛值较高，大约是1 0 0 0 p ，而结构材料在动应力比疲劳寿命计电阻 门槛值低时就会发生疲劳累计损伤，而疲劳寿命计在低于该值后就不能正常工作。 2 3 电磁式检测技术的概述 近年来，俄罗斯学者杜波夫于1 9 9 7 年率先提出的一种新的无损检测技术“一 磁记忆检测技术则可以克服疲劳寿命计的上述不足。铁磁学的研究证明，铁磁性金 属在工作过程中会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织的定向的并且不可逆的重新 取向，载荷卸除后这种磁效应会有所保存，而且其程度与结构的损伤有关。因此， 详细研究载荷作用下结构产生磁记忆信号的机理，建立结构的损伤状态与磁记忆信 号的准确关系，利用这一关系研制开发损伤记忆元件，并且研究发展磁记忆信号的 测试方法和技术，可以发展、完善这一新型的无损检测技术，实现结构疲劳损伤状 态的准确评估，为保障重要结构的安全运行提供有效的手段。 塑塑! ! 竖型! ! 竺釜一 金属磁记忆是无损检测领域的一门新兴学科“”1 。它主要是利用处于地磁环境 下的铁制构件受工作载荷的作用，内部会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向的 和不可逆的重新耿向，并在应力与变形集中区域形成最大的漏磁场h 。的变化。即 磁场的切向分量。g ) 具有最大值，而法向分量h ，) 改变符号且具有零值点。如 图2 2 所示。 工 应力集中线 圈2 2 这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后继续保留，从而通过漏磁场的法向分量 。( y ) 的测定，便可准确推断工件的应力集中部位。由此可以看出金属磁记忆检测 技术区别于其它常规无损检测方法( 如射线检测、超声检测、磁粉检测、涡流检测 等) 的独到之处在于它可以准确可靠地探测出被测对象上以应力集中区为特征的危 险部件和部位，是迄今为止对金属部件进行早期诊断唯一行之有效的无损检测方 法。因此，它不仅可以用来准确确定在役运行设备上难在形成或发展中的金属缺陷 区段，然后通过其它无损检测方法进一步确定具体缺陷的存在，并根据对构件应力 变形状态的评定，及时对构件的受损部件进行强化处理或更换；亦可以在设备或构 件的疲劳试验中准确确定应力集中的部位，为疲劳分析、设备定寿及结构与工艺设 计发挥有效的先导作用。同其它磁学检测方法相比，它又具有如下明显优点： ( 1 ) 不需要采取专门的磁化装置，而是利用构件在地磁场中的自磁化现象； ( 2 ) 不需要对构件表面进行专门清理，可在保持金属原始状态下进行检测； ( 3 ) 不需要采取耦合技术，特别适合外场使用； ( 4 ) 提离效应的影响很小； ( 5 ) 设备轻便、操作简单、快速便捷、灵敏度高，重复性与可靠性好。 2 。4 电磁式检测技术研究的发展与现状 国内外在外磁场激励下的铁磁材料漏磁场的检测方面作了大量研究工作，该激 励磁场利用电磁效应产生，作为常规无损检测技术得到了广泛应用。而利用铁磁构 件在加载的条件下产生的磁记忆效应进行无损检测是一项新技术，目前，正受到各 国同行的普遍重视，并竞相开展研究和应用。该项技术是基于铁磁材料在应力作用 南京航空航天大学硕上研究生学位论立 下具有磁机械效应和磁弹性效应。其中，美国爱荷华、r , i 立大学( i o w a s t a t eu n i v e r s i t y ) 无损评估中心的d c j i l e s 等人及加拿大女王大学( q u e e n su n i v e r s i t y ) 物理系的 d l a z h e r t o n 等人于上世纪八十年代开始，在铁磁材料的磁机械效应、磁化特性、 应力对一些磁特性( 磁化特性和磁致伸缩效应等) 的影响以及对铁磁物质的磁无损 检测方面作了大量的研究工作。他们通过研究发现，在应力作用下的磁饱和磁致伸 缩回线行为，分为高磁化与低磁化强度磁致伸缩过程。同时发现外加应力的先后次 序会影响初始磁致伸缩曲线和些饱和主磁致伸缩曲线。1 9 8 8 年，d c j i l e s 等人还 采用外加定常应力感应等效磁场理论，将外加定常应力效应用一等效感应磁场代 替，并通过推导得出了在m = o ，t t = 0 无磁滞的情况下微分磁化率同应力的变化关系， 指明了在应力作用下的铁磁材料的特性行为，以此作为一种对钢铁材料进行无损评 估的新手段。 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，俄罗斯学者杜波夫 教授率先提出利用加载铁磁构件中产生的磁记忆效应可以检测出构件表面的应力 集中区。这种磁记忆检测技术可望准确、可靠地探测铁磁构件中以应力集中为特征 的危险部件和部位，无疑是对金属构件进行早期诊断的一种新的无损检测方法，因 此，一问世便受到世界各国同行的重视。 1 9 9 9 年2 月和2 0 0 1 年2 月，在莫斯科分别召开了第一和第二届国际设备和 金属结构磁记忆诊断方法会议。会议资料曾在国际焊接研究所专题会上( w ) 审议( 里斯本，1 9 9 9 年7 月2 2 日；卢布尔亚娜，2 0 0 1 年6 月1 1 日) ，会议总结记 载在国际焊接学会n o x i 一7 1 4 9 9 和n o v 1 1 9 6 0 1 文件中。上述i i w 文 峰中反映了 金属磁记忆的物理原理和在俄罗斯、波兰、德国和中国实际应用的经验。根据俄罗 斯焊接科技学会的建议，在i i w 第v 委员会实施了有德国、美国、加拿大、波兰专 家参与的金属磁记忆方法r o u n dr o b i n 程序。会同无损检测研究所( 德国，萨 布吕肯市) ，制定了应力与变形检测课题的欧洲研究计划e n r e s c 。该计划提 出的一项任务是考察金属磁记忆方法的有效性并同已知的应力和变形检测方法进 行比较。现已同德国检测研究所签订了按照欧洲标准对磁记忆方法和仪表进行认证 的协议。从1 9 9 4 年起到2 0 0 1 年6 月问发布了2 0 个肯定金属磁记忆方法的i i w 文 件。 我国于上世纪9 0 年代末期开始引进磁记忆检测技术。t 9 9 9 年1 0 月在广东汕头 召开的第七届全国无损检测学术年会暨国际学术研讨会上，俄罗斯学者杜波夫教授 发表了一篇题为“d i a g n o s t i c so fm e t a l i t e m sa n de q u i p m e n tb ym e a n so fm e t a l m a g n e t i cm e m o r y ”的学术论文。介绍了磁记忆检测技术的基本原理和在管道、压 力容器上的应用。该论文在会上引起了强烈的反响。同年，华北电力科学研究院金 属研究所从俄罗斯“动力诊断”公司购置了一台t s c 1 m 应力检测仪( 四通道) ， 在电站锅炉管道检测中开始了国内磁记忆检测技术应用的首例。此后，该项技术立 即得到国内无损检测界的关注，清华大学、南昌航空工业学院、爱德森( 厦门) 电 t 3 一 塑堕里垦歪生竺窒一 一 一 子有限公司、南京燃气轮机研究所、国家质检局锅检研究中心等高校与科研单位相 继在理论分析、仪器研制和推广应用等方面开展了磁记忆检测技术的研究工作。 2 0 0 0 年3 月爱德森( 厦门) 电子有限公司在国内首家研制成功磁记忆检测仪一 e m s 一2 0 0 0 智能金属诊断仪( 8 通道) ，并在无损检测杂志上发表了首篇关于磁 记， 乙检测技术的论文“n d t 新技术- - e m s 2 0 0 0 金属诊断仪的原理与应用”：2 0 0 0 年1 2 月中国电力出版社出版了金属磁记忆诊断技术( 任吉林、林俊明等) ，这 是国内首本介绍磁记忆检测原理、仪器和应用前景的论著；2 0 0 1 年8 月全国无损检 测学会秘书处在北京国家质监局锅检研究中心举办了我国首届金属磁记忆检测技 术学术研讨会，初步汇集了国内各工业部门与科研单位有关磁记忆检测技术的研究 和应用成果；2 0 0 2 年在学会部分专业学术会议上( 如电磁涡流、磁粉与渗透、新技 术等) ，又收录了多篇关于磁记忆检测技术研究和应用的学术论文；1 1 月，在北京 国家质监局锅检研究中心再次举办中一俄会属磁记忆检测与评价技术研讨会，由我国 和俄罗斯的科研人员分别作了关于磁记忆检测机理研究、标准化和应用实例的报 告：同年，无损检测杂志还专设了关于磁记忆检测技术的专题论坛，发表了相 关学术论文1 2 篇，为该项技术在我国的发展和应用起到了良好的推动作用。到目 前为止，撂初步估计，我国在电力、航空、石油、机械、铁道、造船、石化、锅炉 压力容器等工业部门，已有数十个单位在从事关于磁记忆检测技术的研究和推广应 用工作。 磁记忆检测技术可望准确可靠地探测铁磁构件以应力集中为特征的危险部件 和部位，无疑是对金属构件进行早期诊断的一种新的无损检测方法，在石油、化工、 冶金、电力、航空航天、建筑、交通、运输等领域有着广阔的应用前景。 例如，在现代飞行器中，预防飞机机体、起落架构件及其他重要组合件在使用 中发生疲劳破坏是保证给定期限内飞行安全的重要问题。为此，为保证飞机的飞行 安全，必须在飞机设计、制造等阶段对其可靠性与寿命进行评价工作。以起落架为 例，对其构件的实际强度的分析般有两种途径：1 ) 用概率计算方法来获得结构 可靠性和寿命，它是基于制造和使用阶段各种因素作用下结构承载能力统计规律性 的综合资料；2 ) 在最接近实际使用条件下，对实物进行大量的疲劳强度试验。在 实际使用中。构件疲劳破坏规律的主要参数是在统计计算的基础上通过大量实物构 件的疲劳试验来获取。由于进行这种试验，事先很难准确估计造成疲劳破坏的部位， 因而试验量大，持续时间长，而且要用大量的实物零件，从统计的观点来看是很困 难的。雨磁记忆检测技术能够及时准确地寻找出最大机械应力变形区域，无疑对飞 机构件强度分析与实验是一项有十分重大意义的开拓性工作。可为飞机构件的疲劳 分析、设备定寿及结构与工艺设计发挥有效的先导作用。 随着金属磁记忆检测技术在我国石油、化工、航空航天、冶金、电力、轻工、 建筑、交通、运输等领域的应用和推广，必将大大降低承压及特种设备和重要金属 部件的安全隐患。减少事故发生率，保障国民经济的安全运行和人民的生命财产安 1 4 南京航宅航天大学硕士研究生学位论文 全，产生巨大的社会效益和经济效益，同时，也将填补国内技术空白，为其它弱磁 检测技术的研究和应用提供基础和借鉴，推动我国无损检测技术的进步。 2 5 本章小结 ( 1 ) 提出了隐性损伤的概念和隐性损伤检测的重要性： ( 2 ) 介绍了电阻式隐性损伤传感元件工作的机理、国内外的发展和现状； ( 3 ) 介绍了电磁式检测技术的产生、发展和现状。 一 塑堑望坚兰堡竺塑 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - ，h - - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 第三章金属磁记忆检测技术的基本理论 3 1 物质磁性的分类及来源 物质的磁性约在三于多年前就受到注意了。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，其它绝大多数物质都无磁性。直到1 9 世纪中叶， 人们爿认识到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“”“1 ： ( 1 ) 抗磁性：表现为受到外磁场h 作用后，感生出与h 方向相反的