金属磁记忆疲劳损伤检测的应用现状及发展前景

铁磁材料因力学性能良好而被各工业领域广泛应用.由于其所处的工作环境和所承受的工作载荷极其复杂,使得铁磁材料构件经常产生应力集中和微裂纹.金属磁记忆检测技术因能够准确检测构件应力集中和微裂纹部位及有效预防铁磁材料的早期疲劳损伤而被广泛关注.然而,由于金属磁记忆检测技术发展时间较短,对应力集中和微缺陷部位还不能实现定量检测.因此,近年来为如何实现金属磁记忆检测技术的定量检测,学者们对材料疲劳损伤在检测中所呈现的磁记忆特征、磁记忆检测机理及检测方法进行了深入研究.目前,研究发现铁磁材料应力集中和缺陷部位的磁场强度以及磁场梯度会发生变化.对于磁记忆检测机理,研究者们提出了自有漏磁场、最小能量原理、等效磁场和微观磁化等主要机理.检测方法起初主要通过磁场法向分量过零,切向分量拥有最大值来判断,但该方法容易出现误判.之后研究者们又通过磁场梯度、二维检测等方法进行判断,极大提高了检测的准确性.本文归纳了金属磁记忆疲劳损伤检测的研究进展,分别对铁磁材料疲劳损伤在检测中的磁记忆特征、金属磁记忆检测机理、金属磁记忆检测铁磁材料疲劳损伤的方法等进行了介绍,分析了金属磁记忆疲劳损伤检测技术面临的问题并对其前景进行了展望,以期为实现金属磁记忆疲劳损伤定量化检测提供参考.     

铁磁构件磁记忆检测技术的研究进展

金属磁记忆技术在检测铁磁构件应力集中和疲劳损伤等早期失效方面具有潜力.从磁记忆效应的机理研究、基础性试验探讨到检测信号的影响因素分析以及工程应用,对该技术在近几年来的发展现状进行了综述,并讨论了其在理论和实际应用中存在的问题.在国内外现有研究的基础上,指出了磁记忆检测技术的特点和需要进一步研究的发展方向.     

受扭轴类零件磁记忆信号的初步研究

金属磁记忆检测技术是通过测试构件在外载荷作用过程中形成的表面微弱磁场的变化来监测其损伤状态的。利用该技术，研究了受扭磁性轴类构件的磁记忆检测信号特征，并探讨了磁场环境对构件在扭矩作用下磁记忆信号的影响。结果表明，磁记忆检测信号与构件的损伤状态之间具有明显的相关性，磁场环境对改善金属磁记忆检测效果具有较好的作用。     

金属磁记忆技术检测低碳钢静载拉伸破坏的实验研究

为探索磁记忆现象的物理机制,在地磁场环境中,静载拉伸低碳钢板状试件.对应试件加载前、静载拉伸过程中不同的载荷水平以及断裂后等不同阶段,分别采用EMS-2003磁记忆诊断仪检测试样表面磁场强度垂直分量信号的变化.结果发现,加载前各试件初始磁状态对试件断裂后信号有影响.试件拉伸过程中塑性变形阶段内磁信号无较大数值变化,断裂后信号突变.拉伸过程中过零点漂移,最后集中在断口处.过零点对判定损伤破坏的铁磁构件危险区域具有一定意义.     

拉伸载荷下金属磁记忆信号盒维数的变化规律研究

为研究载荷与磁记忆特征信号之间的量化关系,以API 5L X70管线钢为研究对象,首先利用分形理论对金属磁记忆信号的分形特性进行了分析,证明金属磁记忆信号是一种无规则分形信号;然后对不同载荷下的磁记忆特征信号的盒维数进行研究,得出随着载荷的增加,金属磁记忆特征信号的盒维数减小的规律.为利用金属磁记忆检测技术评价铁磁构件的受力状态提供了一种有效的方法.     

基于磁记忆的应力集中神经网络识别

为了探索磁记忆检测技术定量表征工件应力集中程度的方法,加工制备了不同应力集中系数的42CrMo钢试样进行拉压疲劳试验,采用磁记忆检测仪器测量不同疲劳周次时试样表面的法向和切向磁记忆信号。确定了不同应力集中程度下磁记忆信号的特征参量,并以此作为输入特征向量建立了BP神经网络,对试样的应力集中程度进行定量识别。结果表明:利用建立的BP神经网络能够实现试样应力集中程度的定量识别。     

碳素钢在不同应力作用下的漏磁场分布特征

选取45#钢平板缺口试样进行拉伸实验,在线测量各组试样在不同拉伸载荷时的试样表面漏磁场分布;同时利用ANSYS有限元分析软件对各组试样在不同拉伸载荷下的应力分布进行有限元分析,并提取应力分布结果.分析了试样表面漏磁场分布与应力分布之间的关系以及应力对磁记忆信号的影响;在磁记忆特征值提取方面,利用传统的磁场梯度K值可以有效检验应力集中部位,同时本文提出一种新的基于磁记忆信号能量的检测特征值,实验证明可以通过此特征值对试样的安全性做出检测及评估.     

金属磁记忆检测技术定量评估构件疲劳损伤研究

对18CrNi4A钢缺口试件在三级应力水平下进行疲劳试验和磁记忆信号检测,研究金属磁记忆信号在疲劳过程中的变化规律和磁记忆检测技术对构件疲劳损伤的定量估评.结果表明:在稳定循环阶段,磁信号随疲劳循环周次增加无显著改变,疲劳裂纹萌生后,磁信号逐渐增加,并在断裂后发生激变;磁信号特征参量Kmax,Hp(y)max,Hp(y)min和Hp(y)sub值与应力水平和疲劳损伤程度存在强烈的相关性,特征参量绝对值随应力水平或疲劳损伤程度的增加而逐渐增加;磁信号特征参量Kmax平均值法可较准确地定量评估构件疲劳损伤,该方法判据为:当m(m=Kmax/KAVmax)＞1,试件存在严重的疲劳损伤.     

18CrNi4A钢力-磁效应的ANSYS模拟

采用大型有限元分析软件ANSYS建立18CrNi4A试样及其周围空气层的有限元模型,对其进行地磁场中拉伸载衙下的力-磁效臆有限几模拟,得出试样应力分布网以及试样表面切向和法向漏磁场分布结果;磁场下应力集中对磁记忆信号的影响进行分析;最后,将模拟结果与实际试验结果进行比对,得出分析结果,为磁记忆检测技术的机理和试验的深入研究提供依据.     

疲劳裂纹扩展的金属磁记忆信号特征

通过对Q235B钢缺口试件的方波载荷拉-拉疲劳试验,在不同循环次数下利用磁记忆检测仪在线测量试件表面的磁记忆信号。结果表明:未经处理试样沿缺口处的磁记忆信号在疲劳初始阶段随机分布;循环加载5000次后,磁记忆信号曲线转变为具有一个波峰-波谷的曲线波形;在循环稳定阶段,磁记忆信号曲线趋于稳定;宏观裂纹出现时,磁记忆信号曲线波形发散;最后阶段,磁记忆信号逐渐增强;磁机械效应能较好地解释循环初始阶段磁记忆信号变化规律。     

疲劳损伤磁性无损评估技术研究现状及发展前景

磁性无损检测技术是评估铁磁材料疲劳损伤以及重要结构件可靠性的重要检测手段。针对铁磁材料的疲劳损伤,介绍了几种典型的磁性无损检测技术,如磁巴克豪森噪声(MBN)、磁声发射(MAE)、漏磁(MFL)和金属磁记忆(MMM)等,对其产生机理及应用特点进行了概述;对几种磁性检测技术在疲劳损伤评估领域的研究现状以及取得的主要研究成果进行了综述;最后指出几种技术尚存的问题和进一步的研究方向,并对其发展前景进行预测。     

不同应力集中系数下磁记忆信号影响因素研究

以45CrNiMoVA钢为实验材料,加工不同应力集中系数的试件进行拉拉疲劳实验,采用磁记忆检测仪检测不同载荷及疲劳周次时试件不同位置的磁记忆信号.结果表明:载荷及疲劳周次的增加,均会使磁曲线顺时针转动,且载荷的影响明显强于疲劳周次;不同位置磁记忆信号特征不同.出现疲劳裂纹后,在一定范围内异变峰峰值显著增大.     

环境磁场对20钢应力-磁效应的影响

应力的磁效应是磁记忆检测技术的理论基础,也是探讨相关机理问题的关键所在。测量了在不同环境磁场条件下,20钢试样的磁化状态随拉应力的变化规律。结果发现,环境磁场对力-磁效应的关系规律具有明显的影响,磁记忆检测技术的定量评价体系与地磁场有关。     

金属磁记忆技术表征应力集中、残余应力及缺陷的探讨

对应力集中、残余应力及缺陷三者之间的关系进行讨论,举例分析磁记忆信号对不同应力集中程度、疲劳裂纹及残余应力的反映.结果表明:金属磁记忆技术适宜表征铁磁材料存在磁导率急剧变化的位置;磁记忆信号能否表征残余应力还需要进一步的深入研究.     

拉伸载荷作用下中碳钢磁记忆信号的机理

测量了中碳钢试件表面各点的磁记忆信号，并观察断口的组织，研究了外载荷对磁记忆信号的影响和金属磁记忆的微观机理．结果表明：在弹性变形阶段内，随着载荷的增加中碳钢试件表面各点磁信号值由初始无规律分布逐渐向磁有序状态转变；进入塑性变形阶段后，位错对磁畴运动的钉扎使磁有序转变过程停止，磁信号几乎不再随载荷而变化．对于在弹性和塑性加载范围内卸载的两个试件，表面磁信号均具有不同程度的时效现象，试件的断口呈现韧窝及准解理混合断裂形式．     

Characteristics of metal magnetic memory signals of different steels in high cycle fatigue tests

The detection of crack initiation in steel Q235, 16MnR and 20 g was carried out by metal magnetic memory (MMM) technique. Fifty specimens of welded and base metal were tested. Both MMM testing and metallographic examination were done to them when unloaded at the different phase of high‐cycle fatigue testing, and hence MMM signals before and after crack initiation could be recorded. The values of magnetic intensity gradient were calculated, and whose critical value was determined and proposed for early defects detection. The results show that the magnetic intensity (Hp) curve became concave responding to the occurrence of stress concentration, and its gradient (dHp/dx) increased greatly; at the critical dHp/dx, no change occurred to the microstructure, but beyond the critical value, dHp/dx increased suddenly and a large number of intragranular slips were found in the microstructure. Three different kinds of materials have different critical values of magnetic intensity gradient.     

基于磁记忆技术的疲劳损伤监测

通过中碳钢缺口退磁试件的拉-拉疲劳实验,利用磁记忆检测仪研究不同循环次数下试件应力集中区的离线磁信号变化特征.结果表明:试件加载前在缺口部位由于几何形状形成漏磁场而产生一异常波,加载后异常波可能产生反向;当循环加载到一定次数后,磁信号曲线趋于稳定;而到最后阶段,缺口部位的异常波波幅不断增加,到断裂时产生激变.通过消除钢...     

X80管线钢不同缺陷类型的磁记忆检测试验研究

为探究X80管线钢不同缺陷类型的力磁耦合特性,设计了平板试件与穿孔、边缘切槽3种不同试件,通过金属磁记忆检测方法对X80管线钢试件不同缺陷类型的磁记忆信号特征进行了试验研究.采用材料试验机对试件导入不同程度的塑性损伤与应力集中,通过光学应变测量系统获取试件表面的实时应变情况,同时采用磁记忆检测仪对试件表面诱发磁场的法向分量与切向分量进行卸载离线检测.结果表明:随着塑性损伤程度的增加,无缺陷试件的磁记忆信号法向分量与切向分量从平缓趋向波动,但未出现明显的峰值;含穿孔与切槽试件磁记忆信号法向分量在缺陷处出现过零点与反对称双峰,切向分量出现单峰值,并且渐趋明显.初步探究了X80管线钢塑性损伤与磁记忆信号之间的关联性,为油气管道塑性损伤程度的无损定量评价奠定了基础.