铁磁材料不同应力状态下的磁记忆机理及建模研究

Metal magnetic memory (MMM) method is a novel nondestructive testing technique in diagnosizing early damage of ferromagnetic materials, which evaluates stress-strain states of component by testing its surface magnetic field distributions. Aiming at the deficiency of mechanism research and the lack of experimental research with specific purpose in magnetic memory testing so far, the magnetic memory phenomenon is interpreted from the force-magnetic behavior under elastic stress, dislocation growth mechanism under plastic strain and magnetization simulation under cyclic stress respectively based on parital results of the magnetomechanical effect and the experimental results in MMM testing, combined with dislocation theory and fatigue damage mechanics, and the magnetization models for different stress states are established. The main contents are as follows: (1)Force-magnetic effect model fit for the major and minor hysteresis loops under elastic stress, (2)The relationship between the distributions of surface magnetic field and elastic stress, (3)Magnetization simulation under plastic strain and the distribution of surface magnetic field, (4)Surface magnetic field variation induced by cyclic stress. The purpose of the current research is to reveal the deep mechanism of single and multi-period magnetic memory effect, and probe the methods of characterizing stress states and damages by virtue of magnetic memory parameters, providing the thoretical foundation and judging method for quantitative nondestructive evaluation and further engineering applications using magnetic memory technique.

金属磁记忆方法是诊断铁磁材料早期损伤的一种新兴无损检测技术，该方法利用构件的表面磁场分布来评估材料的应力-变形状态。针对目前磁记忆检测中机理研究的缺乏和针对性实验研究的不足，本课题利用磁记忆检测的实验结果，在磁机械效应理论部分成果的研究基础之上，结合位错理论和疲劳损伤力学，拟从弹性应力下的力磁耦合行为、塑性应变下的材料位错机制和循环应力下的磁化模拟等三个方面来解释磁记忆现象，建立适合于材料不同应力状态下的磁化模型。具体内容包括：（1）适合于主、次磁滞回线的弹性应力下的力磁效应模型；（2）弹性应力下表面磁场分布与应力分布之间的关系；（3）塑性应变下的磁化模拟以及表面磁场分布；（4）循环应力下引起的表面磁场变化。本研究旨在揭示单/多周期磁记忆效应的深层次机理，寻找利用磁记忆参量表征材料应力状态、损伤的方法，为磁记忆技术的定量无损评估及进一步工程应用提供理论基础和方法依据。

金属磁记忆技术在检测应用时很难给出对损伤的定量评价，目前相关研究多以实验结果定性分析为主，磁记忆的微观理论及建模方面少有研究，然而隐藏在实验现象背后的物理机制尚未完全阐明。本课题采用试验研究与理论建模相结合的方法，系统研究拉压、扭转等静应力以及循环动载荷下的磁记忆信号变化规律，对不同应力状态下的力-磁耦合行为进行建模分析，揭示单/多周期磁记忆效应的深层次机理。通过研究主要得出以下成果：1.搭建了拉压磁记忆在线监测实验系统，分析拉压不同应力作用下铁磁材料试件表面的磁信号变化特征，建立改进的J-A磁机械效应模型，理论解释了拉压不同应力致磁现象。2.结合COMSOL有限元力-磁耦合仿真，获得应力集中引起的表面磁场分布特征。通过圆轴扭转过程中的磁信号变化规律研究，提出基于休哈特控制图的早期损伤异常预警方法；基于扭转时的纯剪切应力状态，建立了弹性范围内磁化强度与扭矩之间的关系方程，为扭转应力下的磁记忆检测机理提供解释依据。3.考虑塑性变形的位错机制，推导得到塑性阶段磁化强度与塑性应变之间的微分关系模型，突破了目前磁机械效应模型仅在弹性范围内有效的局限性；基于弹塑性过程拉伸在线监测，构建适用于弹塑性整个变形阶段的应力-磁化强度关系模型，形成了初期塑性变形早期检测的磁记忆方法。4.开发出疲劳实验过程中的宏观磁场检测与原位磁畴观察系统，研究了疲劳循环磁场调整阶段的物理机制，同时从微观机制对磁记忆检测的力-磁效应进行了直观验证；通过提取表征疲劳损伤演化过程的磁记忆信号特征参量，提出了基于优化参数的支持向量机预测抽油杆剩余寿命方法。本研究揭示了弹性应力、塑性应变和循环应力下的力磁关系本质，对于丰富和完善磁机械效应理论，加强金属磁记忆检测基本理论和磁记忆效应机理认识具有重要意义，同时促进电磁无损检测技术的定量化评估、早期损伤诊断以及工程化应用具有较大的帮助作用，并为进一步研究和开发新的健康监测技术提供理论依据。