利用自发射磁信号预测铁磁构件服役寿命的基础研究

铁磁性装备关键构件在制造及服役过程中，缺陷的产生难以避免，工况条件下不得不带"伤"运行。采用无损检测技术实时获取缺陷变化信息并预测其服役寿命是保证装备安全运行的必须手段。本项目基于前期金属磁记忆检测技术研究中发现的重要试验现象：铁磁材料开裂时产生自发射磁信号，选用系列不同碳当量的军用钢材为试验材料，进行疲劳试验研究各因子与自发射磁信号的相关性；通过磁畴结构、位错组织观察，结合表面缺陷显微扩展行为分析结果，基于磁学和力学理论，探索自发射磁信号的物理机制；分析在线和离线条件下缺陷扩展时自发射磁信号特征，提出一种利用自发射磁信号实时监控缺陷变化的新方法；针对特定装备铁磁构件，利用自发射磁信号建立其服役寿命预测模型。本项目的研究成果将拓宽金属磁记忆技术的理论研究范围，推动该技术在寿命预测领域的应用，提高铁磁构件服役寿命预测的准确性和可靠性。

我国重大机械装备多由铁磁材料制成，其关键结构件往往承受疲劳交变载荷，疲劳裂纹是导致其失效破断的最为危险的因素。目前疲劳损伤程度实时监测手段的不足是我国重大机械装备频发安全事故发生的主要原因。本项目基于铁磁材料开裂时产生的自发射磁现象，研究利用自发射磁信号表征铁磁材料疲劳损伤程度的基础科学问题，并探索汽车发动机关键零部件在疲劳过程中自发射磁信号的演化规律和表征方法，推动其在工程领域的推广应用。本项目取得的重要研究结果包括：（1）基于磁偶极子理论及表面漏磁理论建立在铁磁材料表面自发射磁信号的二维数学模型。通过研究不同深度、宽度预制缺陷在静载拉伸过程中二维自发射磁信号的变化特征，阐明自发射磁信号产生的内在机制。（2）提出疲劳载荷、疲劳周次、材料成分、应力集中程度及检测位置等多影响因素与自发射磁信号间的相关关系。通过研究铁磁试件在受载试验中二维自发射磁信号Hp(x)和Hp(y)分量的变化规律，提取表征铁磁试件疲劳损伤程度的特征参量，阐明多因素对自发射磁信号的影响机制。（3）提出以自发射磁信号表征铁磁试件疲劳裂纹萌生扩展的新方法。研究拉压疲劳过程中试件表面自发射磁信号的演化规律并提取特征参量，实现利用自发射磁信号监测铁磁构件的疲劳损伤状态；（4）针对重载车辆发动机曲轴，设计研发疲劳试验台架并开展曲轴零件疲劳试验，获得曲轴连杆轴颈R角部位的自发射磁信号随疲劳累积产生的特征规律；（5）基于曲轴疲劳台架试验结果建立服役曲轴疲劳损伤程度评估模型。研发曲轴维修再制造前疲劳损伤快速无损诊断的原理样机。该样机能够快速自动采集曲轴R角自发射磁损伤信息，诊断曲轴疲劳损伤程度，给出可再制造性评价。. 本项目的研究结果突破金属磁记忆技术现有的“发现应力集中位置”的理论窠臼，促进金属磁记忆技术的理论构架进一步完善；同时形成新的监控疲劳裂纹发展变化的无损检测方法，推动金属磁记忆技术的工程应用进程。