金属磁记忆检测技术研究新进展与关键问题

金属磁记忆检测技术是一种适用于铁磁材料的新兴的无损检测技术,主要优势在于无需外加激励磁场源,即在天然地磁场的激励作用下,通过测量材料表面的漏磁信号,就能够对铁磁构件的早期损伤进行检测,避免结构或构件发生突然的脆性破坏。针对近10余年金属磁记忆检测技术的研究现状,概述了该技术的理论基础,总结了该技术理论研究、试验研究以及工程应用新进展,探讨了磁记忆检测技术的损伤评判准则,分析了影响磁记忆检测信号的因素,基于此,提出了磁记忆检测技术目前存在的问题和未来的研究发展方向。      

不同材料在不同应力状态下的磁记忆信号特征

磁记忆是力磁效应的一种表现,目前关于力磁效应的基本规律及机理研究还没有统一的定论。为了进一步对磁记忆效应的机理及不同材料不同应力状态下磁记忆信号特征进行试验性的研究,对不同铁磁材料(Q235,20号钢,45号钢)圆棒试件进行静载拉伸试验,分别测量某固定点处在线加载和在线卸载2种不同应力状态下的磁记忆信号。试验结果表明:3种不同材料在线加载时磁记忆信号各表现出了不同的力磁效应;在线卸载时测得的磁记忆信号更能有利地分析构件的应力阶段;弹性阶段时磁荷梯度GF变化幅度不大,接近屈服阶段时,磁荷梯度变化幅度变大,可以利用磁荷梯度对低碳钢材料应力定量评价。试验结果为磁记忆效应机理研究提供了一定的依据,也为金属磁记忆检测的定量检测提供了潜在可能性。     

基于粒子群最大似然估计的焊缝早期隐性损伤磁记忆精确定位模型

针对由于焊接残余应力、磁场噪声等干扰,造成磁记忆检测在焊缝早期隐性损伤位置定量评价上的困难,提出基于粒子群算法优化的最大似然估计磁记忆梯度定量模型.通过对预制未焊透缺陷的Q235焊接试件进行焊缝疲劳拉伸实验,同步对比扫描电镜和X射线检测结果,发现磁记忆信号梯度对早期隐性损伤位置反应比较敏感,并获得了梯度随着与隐性损伤的距离增大而减小的衰减变化规律,构建隐性损伤位置参数与磁记忆梯度的非线性函数,考虑磁场噪声对隐性损伤定位结果的影响,引入最大似然估计建立目标函数,进一步考虑目标函数的非线性容易陷入局部极值而非全局极值的问题,采用具有全局搜索能力的粒子群算法对目标函数进行优化,建立基于粒子群最大似然估计的焊缝隐性损伤位置磁记忆定量模型,验证结果表明定位误差仅为3.48%,为实际工程中利用磁记忆技术及时发现早期隐性损伤并精确定位提供了新的思路.      

利用磁声发射法对钢铁件微观损伤与残余应力的研究

本文通过４５钢和Ｔ１０钢在不同组织及应力状态下，磁声发射信号的强度，幅值和脉宽分布等特性的研究，表明了磁声发射特性的变化与材料内部应力状态有关。利用磁声发射可以无损地检测钢铁材料服役中出现的微观损伤和残余应力，避免应力，避免在役工件的意外事故发生。     

40Cr钢应力磁化过程中的磁化反转特征

金属磁记忆检测技术是一种可早期检测铁磁构件应力集中程度的新方法,但进一步定量评价和广泛应用的瓶颈问题是复杂的应力磁化反转特征.对40Cr钢圆棒试件在不同最大拉力下进行反复加载-卸载拉伸试验,测定试件表面某确定点处漏磁场与拉应力的关系.试验结果表明,当试件处于弹性变形阶段时,漏磁场强度与拉应力的变化规律为线性关系;当试件受力超过屈服强度时,漏磁场强度与拉应力的变化规律变为折线,表现为先减小后增大再减小的应力磁化反转现象.随着最大拉力的增大,应力磁化反转极值点位置向较高拉应力方向移动,漏磁场强度最大变化量△Bmax也逐渐增大.     

拉压不同应力对磁记忆信号的影响及机理

通过对Q235钢退磁试件的拉伸、压缩试验,利用磁记忆在线监测系统实时跟踪记录了不同拉压应力作用下试件表面的磁信号变化特征. 结果表明:拉伸载荷对合成磁场的影响是先减小后增加的,在接近材料屈服强度的0.3倍左右后趋于稳定不变;而压应力引起的合成磁场初期快速下降,之后处于上下波动变化. 通过引入拉压应力所产生的不同应力退磁项,对J-A磁机械效应模型进行了改进,模拟结果与试验数据具有较好的的一致性,可用于拉压不同应力致磁机理的理论解释.      

磁制冷材料在不同温度下的M-H曲线测量方法及设备的研究

为了选择合适的磁制冷材料,得到材料的磁热效应,即ΔS-T曲线,必须测出材料在不同温度下的M-H曲线.我们采用脉冲磁场的方式提供测试所需的高磁场,自行研制了符合测试精度要求的M-H曲线测试装置,测试了金属Gd的-50℃～50℃之间的每隔10℃的不同温度下的M-H曲线.     

铁磁试件应力磁化过程中的磁化反转效应

在反复加载-卸载条件下,测量了35号冷轧钢试件在不同的最大拉应力作用下试件表面某确定点漏磁场随拉应力的对应关系,并进行了讨论和分析。建立了两种应力磁效应的数学模型,即应力磁化反转效应的应力等效磁场模型和应力磁化反转效应的磁导率模型。理论模型都能很好地反映应力磁化耦合的反转现象,和试验数据基本一致。理论模型的建立进一步证明了金属磁记忆定量检测的可能性。     

基于金属磁记忆的钻具无损评价技术

石油钻具在钻井作业中,要承受拉、扭、压弯等多种应力作用,同时受到泥浆的冲刷和腐蚀,服役条件十分苛刻。为了提高生产安全效率,对钻具的损伤情况和预期寿命有必要做认真检测。基于金属磁记忆检测技术,提出一种适合钻井现场使用的钻具适用性评价方法,用以评价在役钻具的使用状况,检测出不能继续使用的钻具,从而有效避免井下钻具事故的发生...     

漏磁法检测薄带钢内部缺陷的研究进展

漏磁法检测带钢内部缺陷是利用铁磁性材料在磁场中的导磁现象,若材料中有缺陷存在,就会在材料表面缺陷处形成漏磁场,通过漏磁场大小即可检测出缺陷大小。文章中给出了基于漏磁技术的薄带钢内部缺陷检测试验结果。在试验中,采用厚度为0.13mm的薄带钢为检测对象,并在其上打出直径为0.13mm的通孔和盲孔作为人工缺陷,将钢板磁化至深度饱和,能够较好地得到该缺陷的漏磁信号。目前,日本太平工业和Nireco两家公司开发出的漏磁检测设备已经进入工业化大生产阶段,二者的缺陷检测精度分别为0.0014mm3和0.000373mm3。分析认为可以根据现场检测条件和检测精度需求选择合适的磁敏传感器,并采用直流磁化方法,将带钢磁化至深度饱和来保证微小缺陷信号的检出。采集到漏磁信号后,用小波分析法进行信号预处理,然后以统计法或者神经元网络法来实现缺陷尺寸量化,往往能够得到较为精准的检测结果。对漏磁技术应用中的难点和技术发展趋势进行了展望。     

工业型CLLP-φ1000振动高梯度磁选机磁系设计

本文着重介绍了工业型CLLP-Φ1000振动高梯度磁选机矩形磁系的设计与计算．主要包括激磁线圈、铠装铁轭及冷却水量三个部分。同时对磁系的磁场性能进行了检测．结果表明．该设计是可靠的。     

P元素的替代对LaFe_(11.4)Si_(1.6)的磁热效应影响

通过电弧炉熔炼法制备了LaFe11.4Si1.6-x P x(x=0.05,0.1,0.2,0.3)系列合金,XRD分析表明少量P元素替代,LaFe11.4Si1.6-x P x(x=0.05,0.1,0.2和0.3)合金仍然保持NaZn13型结构,但晶格常数减小。在居里温度T c附近磁化曲线表明,该系列合金经历由磁场引起巡游电子由顺磁态到铁磁态变磁转变的一级相变。随着P含量的增加,LaFe11.4Si1.6-x P x(x=0.05,0.1和0.2)的居里温度T c减小,等温磁熵变也减小。在外加磁场变化为0~1.5 T时,等温磁熵变最大值分别为19.3 J/(kg·K),15.3 J/(kg·K)和10.3 J/(kg·K)。     

高梯度磁分离法的工业应用研究

作为一种新型分离方法,高梯度磁分离法凭借其简便快捷、高效环保、成本低廉等诸多显著优点得到了人们的青睐并被广泛应用于能源、化工、冶炼、选矿等各个方面。该方法通过系统中电磁感应产生的磁力来对磁场中的微小颗粒进行捕获和分离,而增大磁场强度梯度则是提高磁场力的重要方法之一。目前,高梯度磁分离法已被成功用于废水处理、矿产分选和固体废料回收等工业过程中,取得了良好的工业效果。随着高梯度磁分离法的日臻成熟和完善,它必将在现代分离领域发挥越来越重要的作用。     

基于改进的支持向量回归机算法的磁记忆定量化缺陷反演

针对焊缝缺陷磁记忆检测中存在定量化反演难题,建立了基于改进的支持向量回归机定量反演模型.以预制不同尺寸未焊透和夹渣缺陷的Q235焊接试样为试验材料,进行磁记忆扫描检测发现:缺陷位置的磁记忆信号特征参数随尺寸变化而呈现一定的变化规律,但同时存在分散性和不确定性.鉴于磁记忆信号样本的有限性、分散性和非线性,首先将提取到的磁记忆特征参数进行归一化处理,引入支持向量回归机建立焊缝缺陷磁记忆定量反演模型,并进一步利用模拟退火算法对支持向量回归机参数进行优化,使目标函数达到全局最优而非局部最优.最后,考虑到由磁记忆信号逆向反推缺陷的三维尺寸,存在解的不确定性,为此在缺陷单维尺寸反演模型的基础上,通过构建多层结构的支持向量回归机进行多尺寸反演输出,建立了基于模拟退火支持向量回归机的焊缝缺陷磁记忆定量反演模型,结果表明:未焊透缺陷尺寸反演最大相对误差为7.96%,夹渣缺陷为4.97%,为焊缝缺陷的磁记忆反演与定量化评价提供一种新的思路.      

疲劳载荷下金属材料的磁记忆信号特征

设计拉伸疲劳试验,研究了疲劳载荷下磁信号暂时到达的稳定状态的特点以及疲劳过程中磁信号的分布、变化情况,并结合改进的J-A理论进行分析和讨论.结果显示:磁信号暂时到达的稳定状态在一个循环周期内沿环线变化,并且环线随循环载荷类型不同而变化,说明用改进的J-A理论描述磁记忆现象合理;疲劳过程中磁信号分三个阶段变化,这个特征由改进的J-A模型中描述磁畴壁运动所受阻碍的参数(ξ″)随疲劳损伤发展的变化规律解释;磁信号在缺陷附近呈"⌒"形的分布,这个特征由缺陷附近ξ″的分布规律解释.      

一种具有高速旋转磁系的干湿磁选机初级模型

经过大量查阅磁选机和磁系的发展现状资料和总结整理后发现,铁矿石磁选过程中的磁团聚现象仍是阻碍精矿品位提高的重要原因。为避免其不良影响,本项目对磁选机磁场特性对磁性颗粒的受力和运动的影响进行了研究,并计划采用高速旋转的交变磁场,设计一种新型磁系及磁系伸缩调节装置,避免磁性颗粒在磁选过程中磁链的形成和磁性夹杂,从而最大限度提高磁铁矿精矿品位。     

筒式永磁室温磁制冷机的研制

包头稀土研究院已经研制出新型双筒式室温磁制冷机。每个筒均由两个内外同心嵌套的具有Halbach结构的NdFeB磁场系统组成,最大磁感应强度1.5 T。两内套磁体通过齿轮啮合同步联动运转,实现两工作空间磁场周期变化,并保持相位相反。以金属Gd颗粒作为蓄冷器的制冷工质,零负载条件下达到近18℃的冷热端温差。     

铁磁试件静载拉伸时应力磁化的反转效应

 以20钢含V型缺陷平板试样为研究对象,通过试验方法和ANSYS仿真方法对试样在拉伸载荷下的应力分布进行反复加载卸载分析,测量了试样表面规定路径的切向和法向的漏磁场分布;分析了V型缺陷对磁记忆信号的影响以及固定位置的磁场值随应力的变化关系;最后将试验结果与模拟结果进行对比,发现试验结果与模拟结果具有很好的一致性。在应力小于50MPa时磁场值随应力的增加而减小,在应力大于50MPa时磁场值随应力的增加而增加。变化关系表现出了明显的应力磁化反转现象,磁化反转位置在50MPa(约是最大应力的30%)。     

基于IPSO-GRU深度学习算法的海底管道缺陷尺寸磁记忆定量反演模型

针对海底管道缺陷磁记忆定量反演的难题,提出一种基于改进粒子群优化的门控循环神经网络模型,即IPSO-GRU模型。以两端焊有盲板的X52管道作为实验材料,其上预制有不同直径、深度的缺陷,采用TSC-5M-32磁记忆检测仪,外接11-6W非接触探头,进行水下磁记忆检测试验,提取不同缺陷尺寸的磁记忆信号特征值。考虑到磁记忆信号特征值随缺陷尺寸呈复杂的非线性变化,引入门控循环神经网络,利用其双门结构能够记忆缺陷处的信号特征,非线性回归拟合能力强的特点,构建海底管道缺陷定量反演模型,进一步考虑到模型超参数选择的随机性,采用改进粒子群算法进行超参数寻优。验证结果表明:该模型对缺陷深度反演平均精度达96%;对缺陷直径反演平均精度达93%,为海底管道缺陷的磁记忆定量化识别与反演提供了新的思路和方法。      

Tb3NiSi2合金磁相变与磁热性能研究

依据X射线衍射(XRD)与等温磁化曲线和等磁场变温磁化曲线,主要研究了Tb₃NiSi₂合金相结构与磁性相变和磁热性能。XRD表明,采用800℃保温14天,然后炉冷至室温的热处理方法制备的R3NiSi2(R=Tb,Dy,Ho,Er)合金中,主相均为Gd3NiSi2型正交结构(空间群:Pnma,No.62)相,但杂相R5Si3含量存在差异,其规律是从Er到Tb,含量依次减少,Tb₃NiSi₂合金样品基本为一个单相,其相应晶格常数分别为a=1.1240(8)nm,b=0.41009(8)nm,c=1.12058(1)nm。等温磁化曲线显示在50~300 K温度范围内,Tb₃NiSi₂合金仅展现出铁磁-顺磁相变,并没有在130,82,66,53 K等观察到相关文献报道的多重的反常反铁磁态-铁磁态(AFM-FM)相变。0.01 T磁场下的磁化强度对温度求导曲线(d M/d T)和0~2 T磁场下的Arrott图结果证实合金铁磁-顺磁二级磁相变居里温度(Tc)=88 K。居里外斯定理拟合表明合金中Tb³⁺粒子的有效磁矩为9.90μB(μB为玻尔磁子),同期望值μeff/Tb³⁺=g(J(J+1))1/2=9.72μB基本一致。在磁热性方面,Tb₃NiSi₂合金在0~2 T磁场范围内,低场响应性较差,铁磁态分子的有效磁矩远低于顺磁分子有效磁矩,最大磁熵变(-ΔSM_max)为3.2 J·kg^-1·K^-1;在对应的半高宽温跨(δTFWHM)=35.5K范围内,相对制冷量为113 J·kg^-1。