基于弱磁测量的航空铝/钛合金疲劳监测机理和试验研究

Aluminum alloy and titanium alloy are widely used in the core components of aviation equipment. It is of great significance to study its fatigue monitoring technology due to the occurrence of major accidents caused by fatigue fracture. In the previous study, it was found that the magnetic induction intensity on the surface of the test blocks showed a certain change rule with the increase of the loading fatigue cycle times, and the peak phenomenon appeared in a special period before the fatigue fracture. The magnetic susceptibility and lattice constant at the position of fracture were found to change. Therefore, by adopting the combination of theoretical research and experimental research method, and using the weak magnetic inspection technology to monitor the fatigue process of non-ferromagnetic aluminum alloy and titanium alloy materials, this project is expected to establish an effective means of fatigue life monitoring. The main research contents are as follows: ① Through magnetization testing and microscopic measurement, the magnetic susceptibility and microcosmic composition of the fractures before and after fatigue fracture of the test blocks will be analyzed. The magnetic properties and micro-structure changes of aluminum alloy and titanium alloy will be studied and the mechanism of the generation of magnetic anomaly signals will be explained. ② The cyclic stress loading-coupled geomagnetic field model will be established for simulation analysis, and the magnetic anomaly characteristics of weak magnetic signals in the fatigue process of aluminum alloy and titanium alloy will be discussed. ③ On the basis of the determination of monitoring mechanism and the characteristics of the magnetic anomaly signals, combined with the field application conditions, the fatigue monitoring method of aluminum and titanium alloy based on weak magnetic measurement will be studied, and the data analysis and processing methods will be established.

铝合金、钛合金广泛应用于航空设备的核心构件，但因其疲劳断裂所酿成的重大事故时有发生，研究其疲劳监测技术意义重大。在前期研究中发现，随加载疲劳周次的增加，试块表面磁感应强度表现出一定的变化规律，在疲劳断裂之前的某个特殊时期会出现峰值现象。测试断口处的磁化率和晶格常数，均发现一定的变化。因此，本项目采用理论研究与试验研究相结合的方法，利用弱磁检测技术监测非铁磁性的铝合金、钛合金材料的疲劳过程，期望建立疲劳寿命监测的有效手段。主要研究内容如下：①通过磁化测试和微观测量，分析试块疲劳断裂前后断口处的磁化率和微观成分，研究铝、钛合金的磁化特性和微观组织变化，阐述磁异常信号产生的机理。②建立循环应力加载-耦合地磁场模型进行仿真分析，研究铝、钛合金疲劳过程中弱磁信号的磁异常特征。③在确定监测机理和磁异常信号特征的基础上，结合现场应用条件，研究基于弱磁测量的铝、钛合金疲劳监测方法，建立数据分析及处理方法。

铝合金、钛合金广泛应用于航空设备的核心构件，但因其疲劳断裂所酿成的重大事故时有发生，研究其疲劳监测技术意义重大。项目采用理论研究与试验研究相结合的方法，利用弱磁检测技术监测非铁磁性的铝合金、钛合金材料的疲劳过程，主要研究内容及重要结果如下：①设计并制作了无磁加载试验机和无磁环境下的力磁监测系统，通过磁化测试和微观测量，分析试块疲劳断裂前后断口处的磁化率和微观成分，铝合金在无磁环境下，外加应力会使材料的磁特性发生变化，即存在力致磁现象。应力作用导致材料发生表面择优取向的变化，晶格常数和晶格畸变增大，磁化率减小。拉伸试验过程中，弹性变形阶段磁感应强度变化量迅速增加，加工硬化阶段缓慢增加，而在颈缩断裂前转而下降。②建立循环应力加载-耦合地磁场模型进行仿真分析，研究铝、钛合金疲劳过程中弱磁信号的磁异常特征。设计铝/钛合金平板模拟试件，利用有限元仿真分析软件ANSYS建立三维实体模型，先通过疲劳分析计算得到给定载荷循环次数下的试件等效应力分布，再采用载荷传递耦合方式，通过静磁学分析得到相应的试件磁场分布。③弱磁检测以地磁场为天然激励源，基于此提出一种新的力磁模型，即晶胞力磁模型。地磁场作为天然的激励源，一个个组成金属的晶胞可看做处在磁场的“线圈”，地磁场的磁力线穿过金属时，测磁传感器可获取材料表面的感应磁信号。疲劳过程中的监测磁信号反映出构件内部的形变，依据观测的磁信号可预警疲劳断裂及预测疲劳寿命。在确定监测机理和磁异常信号特征的基础上，结合现场应用条件，研究基于弱磁测量的铝、钛合金疲劳监测方法，建立数据分析及处理方法。④发现铜合金具有特殊的磁特性，在拉应力作用下黄铜表面磁信号强度一直在减小，通过地磁场下的应力磁信号曲线和应变磁信号曲线，发现只有在应力大于黄铜屈服强度时，磁信号才会随着应力的增大而急剧减小，且应力越大，磁信号变化趋势越明显。