金属磁记忆检测分析残余应力定量化研究

金属磁记忆检测是利用金属磁记忆效应来检测部件应力集中部位的快速无损检测方法，它能够对铁磁性金属构件内部的应力集中区，即微观缺陷和早期失效、损伤等进行诊断，防止突发性的疲劳损伤，是无损检测领域的一种新的检测手段。目前金属磁记忆检测备受业界重视，在某种程度上也得到较好的应用，但是该方法至今还未建立令人满意的铁磁构件内部残余应力与表面漏磁场之间的对应关系，还不能定量分析漏磁信号与应力集中和变形集中区的关系。本项目将着重研究这两方面的问题，在实验上借助超导量子干涉仪、超声波检测仪、应力分析仪对比分析磁记忆信号，研究相关缺陷的识别和精确评估，特别是残余应力集中的定量分析，以期获得漏磁信号与应力集中或变形集中区的关系。理论模型方面从电磁学、铁磁学基本物理原理出发，结合仿真计算来定量研究缺陷形状、应力大小等因素对磁记忆信号的影响，为磁记忆方法与被检测对象损伤情况的对应性与对比性定量分析研究提供理论依据。

本项目基于力磁效应，比较系统地研究了金属磁记忆检测应用中的相关基础问题，研究结果为该方法的定量化分析提供了一定的理论和实验依据。.1、机理研究：基于Sablik-Jiles-Atherton模型和材料的自发磁化规律，通过理论推导，建立圆孔类缺陷模型，得出缺陷位置漏磁信号切向最大，法向过零的特点，并推导出漏磁场与应力的定性关系，结合板件的弹塑性分析，得到在缺陷处漏磁场变化比较剧烈，可通过检测漏磁信号梯度结合过零点来判定试件的潜在缺陷位置。.2、模拟研究：利用ANSYS软件进行力磁耦合分析，分析不同厚度、不同孔径大小的试件在不同拉应力状态下其表面漏磁场分布情况。分析表明，缺陷周围的漏磁场值随应力的增加而增加；缺陷大小影响漏磁信号峰值，孔径越大，漏磁信号越强；厚度对漏磁信号基本没有影响，在缺陷附近，法向漏磁信号出现过零现象，切向信号出现最大值。.3、实验研究：a. 利用不同类型的钢试样进行静拉伸试验，研究孔径大小、试样厚度以及加载载荷等因素对磁记忆信号的影响；对带圆孔缺陷类型试件的试验数据进行特征量的提取和分析，实验表明以试件磁场强度梯度最大最小值比值来评价铁磁构件早期损伤部位的危险程度更为准确。b. 对拉伸试件进行磁畴检测，通过观察磁畴在拉伸过程中的变化情况，发现同一载荷下，应力集中区磁畴分布较非应力集中区更密集；同一测量点处随着载荷增加，磁畴分布逐渐密集，180°畴壁逐渐变为 90°畴壁，磁畴宽度变小，数量增多。.4、测试系统研究：采用虚拟仪器开发平台LabView构建了以计算机为核心的三维漏磁检测系统，利用步进电机控制智能数字磁场计HMR2300，实现了对磁场信号的实时采集、图形显示和自动保存。.5、提出新的应力集中分析方法：利用漏磁检测系统进行了含中心圆孔缺陷Q235钢试件经不同程度拉伸并卸载后表面漏磁场的测量。对测量后的法向、切向磁记忆信号进行一阶微分，得到微分信号的波峰-波谷间的差值DH及波峰-波谷间的距离DL；同时，通过傅里叶变换研究切向信号的二维谱熵分布规律，并结合支持向量机模型，实现幅值谱熵和重心频率确定点的位置分类。结果表明：随着拉伸载荷的增大，峰-谷差值DH随之增加，而峰-谷间距DL却没有明显变化；利用磁记忆信号的二维谱熵分布可以诊断出材料内部应力集中状态。