基于OLCAO算法金属塑性变形磁记忆信号特征研究

塑性变形是金属材料在应力作用下产生损伤的早期阶段,对其的有效检测可预判危害的发生,实现设备破坏前的预警。针对金属磁记忆检测技术,利用量子力学密度泛函理论建立铁磁材料力磁耦合计算模型,采用原子轨道正交化线性组合法（Orthogonalized linear combination atomic orbitals,OLCAO）计算铁磁晶体在应力作用下的磁特性变化及磁记忆信号特征。结果表明：应力作用引起晶体内部电子运动状态及其分布特征改变,导致体系能带结构和电子态密度分布发生变化,材料的磁特性发生改变,定量表现为原子磁矩随应力的增加而变化。拉应力导致原子磁矩线性减小,压应力导致原子磁矩线性增大。当金属发生塑性变形时,体系的磁矩均发生突变,应力磁矩关系曲线出现拐点,变化速度变慢,表现为磁记忆信号的特殊变化特征。通过铁磁材料的拉伸及压缩试验,验证了理论计算结果的正确性。     

磁场处理降低残余应力过程中应力应变的测量

在前期研究强脉冲磁场处理与低频交变磁场处理降低残余应力，并取得显著效果的基础上，进一步在磁场处理低碳钢制作的试样（包括单向拉伸试样和无应力试样）时，对应力应变过程进行测量。结果表明，单向拉伸试样经过低频交变磁场处理后，材料内部残余应力在下降的趋势，而且处理过程中具有磁振动现象。无应力试样与单向拉伸试验在磁场中，随场强的增加，试样中的应变逐渐由正值变为负值。克应力试验在不同频率的交变磁场中的应变各不     

基于OPWP算法力磁耦合磁记忆信号特征研究

铁磁材料的塑性变形是严重影响其使用安全的隐患,对其有效检测可以预防破坏事故的发生。磁记忆检测技术可以实现对应力集中引起的材料塑性变形的检测。本文基于密度泛函理论建立铁磁晶体磁记忆检测模型,采用正交化平面波赝势法(OPWP)计算了体心立方晶体结构的铁在塑性变形后力磁耦合磁记忆检测信号的变化特征。结果表明:铁磁材料在塑性变形后晶格结构及能带分布发生改变,仍表现一定的铁磁性但磁性减弱。在受力过程中,晶体内部电子间交换关联作用过程改变,进而导致晶体能带向低能带底移动,轨道电子分布局域性增强,力磁耦合程度减弱。自旋向上和自旋向下的电子态密度分布改变,原子磁矩减小。宏观表现为:磁记忆信号强度下降,磁场变化率与未塑性变形铁相比减小,实验曲线斜率降低,材料整体磁特性减弱。     

基于NCPP平面波算法磁记忆信号特征研究

磁记忆检测技术能够对铁磁性金属构件的应力集中区和微观裂纹进行有效的检测。但是,由于缺乏科学的理论解释和系统的实验研究,磁记忆信号特征和磁力学定量变化关系至今没有定论,严重影响了该项技术的发展。本文利用固体电子理论,采用模守恒赝势(NCPP)算法建立了全电子势磁力学模型,计算了固体屈服时,原子磁矩、晶格结构及磁记忆信号的变化特征。计算结果表明:固体的原子磁矩、晶格常数和漏磁信号强度与应力成线性变化趋势,当应力集中程度达到固体的屈服强度时,晶格结构发生畸变,磁记忆信号会产生突变。本文的实验结果与理论计算结果具有很好的一致性。     

X70管线钢金属磁记忆信号特征研究

针对铁磁构件表面磁记忆信号法向分量在裂纹或应力集中处存在过零点现象,很多学者对此有争议,通过线切割模拟裂纹,在拉伸试验机上拉伸管道构件,并分析管道构件表面漏磁信号法向分量,发现在裂纹处法向分量确实存在过零点现象,但是过零点随着拉伸栽荷的变化发生漂移,当载荷增加到一定程度过零点不再漂移.结果表明,不能单纯以法向分量过零点判断裂纹或应力集中处.     

磁记忆信号定量分析的电子交换模型及性能

磁记忆法可以有效地判断铁磁性金属构件的应力损伤区域。但是,磁记忆自发漏磁信号形成机理和影响因素复杂,不同应力集中程度的磁记忆信号特征很难得到定量化分析,严重影响了该项技术的实际应用。根据电子自旋理论,建立了s-d轨道电子交换模型,计算了晶体屈服前后电子自旋态密度、原子磁矩、晶格尺寸的变化规律,进而定量分析磁记忆信号与应力集中程度的对应关系。研究结果表明,磁记忆信号与应力成一一对应的线性变化关系。晶体在屈服前,磁记忆效应主要由d轨道电子自旋作用决定,磁记忆信号与应力的对应关系具有很好的可重复性;晶体发生屈服后,电子自旋交换作用增强,d轨道电子自旋作用减弱,s轨道电子自旋作用增强,磁记忆信号变化幅度减小,磁记忆效应整体减弱。     

基于磁场梯度测量的磁记忆试验

金属磁记忆检测是无损检测领域的新技术。为探索以磁场梯度为判据的磁记忆检测方法,采用自制的专用磁场梯度检测仪,在地磁场环境对棒状低碳钢进行拉伸试验。结果显示磁场梯度与应力的关系随测量方法不同有很大差异。当将试件原位放置在拉伸机上测量时,磁场梯度与应力之间没有确定的关系;当将试件从拉伸机上取下测量时,磁场梯度与近期曾经受到的最大应力成线性关系。通过测量铁磁性构件表面的磁场梯度,为非破坏性测量应力提供新途径。另外,磁记忆信号会随试件取下后搁置时间而逐渐减弱的事实,表明用金属磁记忆技术检测应力集中具有时效性。     

磁记忆拉伸应力测量中外磁场干扰的影响

利用磁记忆技术进行杆索钢构件拉伸应力测量时,作为激励磁场的地磁场极易受到外界干扰,极大地降低了测量精度.为研究外磁场干扰对测量精度的影响,建立了力磁耦合理论模型,推导出传感器输出与拉伸应力、地磁场和干扰磁场的关系式.用永磁体模拟干扰磁场,控制其与传感器的相对位置可改变干扰方式,分别测试不同干扰下传感器输出与构件拉伸应力的关系.试验结果与理论分析一致:当干扰磁场较强,比地磁场高一个或几个数量级时,传感器输出曲线斜率和截距均受影响而变化;当干扰磁场较弱,与地磁场同数量级或更弱时,斜率变化可忽略,但截距仍变化较大.对于实际工程测量中弱磁场干扰情况,根据其影响特征,提出了一种差动式消除方法,提高了测量精度.     

激励磁场对力磁耦合作用的强化机制研究

力磁耦合作用是金属磁记忆检测等电磁无损检测技术的基础。为了探明外加激励磁场在不同应力水平下对力磁耦合作用的影响机制,从磁导率与应力及环境磁场变化关系的角度,在理论上计算了外加激励磁场下力磁耦合作用下与力和磁单独作用下的表面磁场强度之差ΔH,并推导出该差值随着拉应力的增大而增大的结论。用预制缺陷的45钢试样进行对照试验,发现激励磁场对力磁耦合作用的影响ΔH是随着应力的增大而呈类似指数形式递增的。经设计的正交试验验证,激励磁场与应力对磁信号的交互耦合作用显著,且在受力过程中激励磁场对信号的作用水平最大,这与理论分析结果吻合。说明外加激励磁场对力磁耦合作用起到了一定的强化作用。     

基于磁场测量的行程传感液压缸技术的研究

对基于磁场测量的行程传感液压缸技术的磁性标尺，传感器结构及布置方法，信号处理方法等进行了研究，通过理论分析确定了传感器部分的测量磁路结构参数，提出了磁性标尺的帧重叠编码方法，通过对双磁敏传感器布置形式的研究，提出了消除间隙影响的信号处理方法，实验结果证明，各项技术能够应用于行程传感液压缸。     

基于LMTO算法磁记忆屈服信号的定量化分析

磁记忆法对铁磁性金属构件的应力集中区域具有很好检测效果。但是,目前构件在弹性阶段和塑性阶段的磁记忆信号特征很难被区分,从而无法对构件的应力集中程度和使用寿命进行有效评估。基于固体电子理论建立了磁记忆效应的边界滑移模型,利用线性化M-T轨道算法(LMTO)计算了固体在弹性、塑性阶段,系统的能量变化、不同轨道电子的自旋态密度的变化情况,进而定量分析了构件发生屈服后的磁记忆信号变化规律。研究结果表明,应力集中程度与系统边界滑移能量呈线性正比例关系,与电子自旋态密度峰峰值、磁记忆信号呈线性反比例关系;构件发生塑性形变后,体系能量和电子自旋发生不可逆的变化,磁记忆信号曲线出现转折点;构件每发生一次塑性变形,磁记忆信号初始值都会变小,曲线斜率变小。     

基于LAPW算法磁记忆信号相变特性的研究

当应力达到临界屈服点时,铁磁性金属构件将产生塑性形变,造成重大的安全隐患。金属磁记忆检测技术可以快速、有效地检测出应力集中区域,但是,目前尚无有效的方法对临界屈服点处的磁记忆信号特征进行定量化分析。采用基于密度泛函理论的线性缀加平面波法(LAPW),建立了磁力学耦合模型,分析了临界屈服点的磁记忆信号特征,计算了弹性形变和塑性形变范围内,体系的差分电荷密度、原子磁矩、晶格结构随应力的变化关系。研究结果表明:随着应力的增加,固体中原子之间的结合力逐渐减弱,晶格结构的稳定性变差;当应力达到临界屈服点时,固体发生相变,磁记忆信号产生突变,磁记忆效应减弱。理论计算结果与实验结果具有很好的一致性。     

基于双磁场管道复合型缺陷应力信号提取方法研究

缺陷和应力共同存在的复合型缺陷是影响管道安全运行的重要因素之一。双磁场管道内检测法可用于复合型缺陷处应力损伤程度判断,但应力信号提取方法亟待解决。本文将J-A理论中的磁力学关系引入磁荷模型中,解析计算了不同应力、外磁场下复合型缺陷磁信号,建立基于双磁场信号比值的复合型缺陷应力信号提取模型,提出比值因子用于缺陷处应力水平的评估,并进行了系统的实验验证。研究结果表明,强磁信号对缺陷处应力大小不敏感,信号主要包括缺陷尺寸信息;弱磁信号对缺陷处应力大小敏感,信号包括缺陷尺寸信息和缺陷处应力信息。提出的比值因子可反映缺陷处应力情况,弱磁场强度较低时,比值因子随缺陷处应力的平均变化率大于9%,随着弱磁场强度的增加,比值因子随应力变化幅度变小。     

基于GGA算法磁记忆检测模型的研究

磁记忆法可以对铁磁性材料应力集中区域进行有效的检测,但是,磁记忆现象产生的物理本质尚没有定论,无法实现定量化测量.为了研究磁记忆信号的定量变化规律,利用固体能带理论,建立了磁记忆检测模型,采用广义梯度(GGA)算法计算电子自旋条件下,外力场作用和掺杂作用对材料磁记忆特性的影响.研究结果表明:外力作用下,电子自旋态密度分布和晶体能带结构发生变化是磁记忆现象产生的基础.压应力增加,磁记忆信号线性增大;拉应力增加,磁记忆信号线性减小.此外,掺杂作用会影响材料的磁特性,但不会影响磁记忆信号的变化规律.     

Modeling and analysis of magnetic dipoles in weak magnetic field

The magnetic leakage field distribution resulting from linear defects of a tube sample in the geomagnetic field is modeled according to the magnetic dipole theory. The formula to compute the normal component of the weak magnetic field is deduced based on the spatial distribution of the magnetic dipole. The shape and characteristics of the zero line (an important criterion for magnetic memory testing) of the normal field is analyzed under different longitudinal magnetizations. Results show that the characteristics of the zero line should be considered when the metal magnetic memory testing method is used to find and locate the defect. __________ Translated from Transactions of Beijing Institute of Technology, 2007, 27(147): 395–398 [译自: 北京理工大学学报]     

基于金属磁记忆信号垂向特征分析的损伤状态识别

金属磁记忆是一种可对铁磁材料早期微观损伤进行有效诊断的无损检测技术。为消除磁记忆信号不确定影响因素,提高损伤状态识别的准确率,引入了磁梯度张量和磁场垂向特征分析方法。首先,利用磁梯度张量测量方法获取磁场完整的变化信息,为克服检测方向选取对检测信号的影响,利用磁场不变特征量-总梯度模量来判断损伤及损伤区的边界位置;然后,通过测量不同高度下总梯度模量的平面分布,得到总梯度模量的垂向分布特征;最后,分析了不同损伤的边界处总梯度模量的垂向分布特征差异。理论分析和实验结果表明,在提离高度逐渐增大过程中,裂纹边界处的磁梯度张量振幅的衰减速度和幅度远大于应力集中作用的结果,根据磁记忆信号的垂向特征,可有效地识别损伤状态。     

基于磁记忆的油气管道应力损伤检测方法研究

应力集中是油气管道损坏的关键因素,对管道安全构成重大威胁。对其进行有效检测,既可发现由应力集中引起的机械损伤亦可实现对管道早期损伤的预判。磁记忆检测技术作为一种应力检测方法得到了业界认可。从能量平衡角度出发,分别从宏观和微观的角度对应力作用下的铁磁体磁记忆信号特征进行分析,建立应力与材料磁化率及原子磁矩之间的理论关系模型。采用基于第一性原理的CASTEP软件对铁碳金属体系的磁记忆力磁耦合过程进行仿真。结果表明,铁磁体在外力作用下,体系能量将重新平衡并达到稳定状态,电子能带及态密度分布特征发生改变,导致材料磁性下降,原子磁矩及材料磁化率随应力增大呈线性减小的变化趋势。通过对含裂纹管道的磁记忆检测,验证了应力损伤磁记忆检测方法的理论分析正确性及工程应用有效性。     

单光束 SERF 磁强计三轴磁场解耦磁补偿校准方法

针对单光束SERF原子磁强计磁补偿过程中的三轴磁场耦合问题,提出了一种对磁强计三轴顺序补偿值进行反向校准的方法,用于减小三轴补偿过程中产生的耦合磁场。首先,构建了三轴磁场耦合数学模型,即一个3×3的耦合系数矩阵,来描述三轴之间的磁场耦合关系,并对实验室磁强计样机进行了三轴耦合系数测试。然后,提出了一种应用三轴耦合系数对三轴顺序补偿值进行反向校准的方法;最后,对比了校准前后的磁补偿效果。实验表明,经三轴顺序补偿反向校准后,磁强计的响应线宽平均变窄2～10 Hz,灵敏度提高3～5 fTHz^1/2,验证了该方法的有效性,为进一步优化磁补偿技术奠定了基础。