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。     

铁磁性构件典型缺陷磁记忆信号特征研究

采用磁记忆技术研究了石化企业铁磁性构件典型缺陷（如裂纹、未焊透、错边、气孔、偏析等）的灵敏度和信号特征。结果表明：该技术在检测上述缺陷时有较高的灵敏度,磁信号特征与检测方向和缺陷主平面间相对夹角有关。当两者垂直时,法向磁场强度Hp （y）在缺陷正上方有过零点;当两者平行时,对称置于缺陷主平面两侧的通道的Hp （y）极性相反,且变化趋势相对。但不管夹角如何,磁记忆信号均在裂纹部位出现突变,不易引起漏检。在偏析严重区域,磁记忆信号沿检测位移出现波峰或波谷变化,这为检测铁磁性材料偏析严重部位提供了一种新的检测手段。     

焊接裂纹金属磁记忆信号特征研究的进展

反映焊接裂纹的金属磁记忆信号特征包括信号过零点位置、小波分析能量极大值点位置、傅立叶分析相位突变位置、区域信号的最大值与最小值差值、信号在检测方向上的梯度、信号在检测方向垂直方向上的梯度。以上6个信号特征通过金属磁记忆信号特征判断焊接裂纹的方法。可以描述焊接裂纹时的作用以及相互之间的关系。研究表明:过零点特征和小波分析极大值点位置特征是不可靠的,用其他4个特征来判断焊接裂纹得到的结论很可靠。未来需要建立用这4个特征来判断焊接裂纹的系统。     

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.     

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。     

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。     

疲劳过程中磁记忆信号变化的机理

从微观角度研究磁记忆现象是机理研究的突破口,材料微观结构变化由塑性变形引起。因此设计拉伸疲劳试验,同步研究疲劳过程中切向磁信号Hpx变化与材料微观形貌及塑性应变变化之间的关系。试验结果显示,疲劳初期,Hpx快速增强,对应快速塑性变形;疲劳中期,Hpx平缓增强,对应塑性变形放缓,晶界微裂纹萌生并缓慢发展;疲劳后期,Hpx相比疲劳中期有跳变,并且增强速度加快,对应塑性变形加剧,宏观裂纹出现并快速扩展。分析表明,塑性变形产生微裂纹等晶体缺陷,阻碍磁化,使塑性变形集中区域成为内部磁源,向外散射磁场,形成磁记忆现象。并得出磁记忆场Hp的表达式,Hp随测量点位置、塑性变形集中区的磁导率μ(或塑性应变εp)变化。某固定测量点沿某方向的磁记忆信号随μ线性变化、随εp的单调递增变化,因此疲劳各阶段Hpx增强速度不同是由εp增加速度不同引起。并提出可以通过选择合适的测量点及测量方向来提高磁记忆信号对εp变化的灵敏度。     

基于金属磁记忆的宏观焊接裂纹识别方法

为研究焊接裂纹和其他缺口效应造成的应力集中对金属磁记忆信号的不同影响,利用小波分解的方法提取金属磁记忆信号的细节部分,对细节部分做离散Fourier变换后得到其幅值,该幅值是被测材料应力集中程度的一种反映。研究表明,通过反映应力集中水平的金属磁记忆信号特征,可以实现焊接裂纹金属磁记忆检测信号的自动识别及焊接裂纹的检测。     

基于Kp微扰算法的磁场中MMM信号特征的研究

金属磁记忆(MMM)法可以对铁磁性金属构件微观损伤区域进行早期预判和评估,但是磁记忆信号很容易受到外界强磁场的干扰,给检测结果带来偏差。为研究磁场强度对磁记忆信号的影响规律,采用Kp微扰算法,在K空间,通过有效玻尔磁子数p建立多元超原胞磁力学模型,计算在外界磁场作用下,磁力学定量变化关系。研究结果表明,在外界磁场作用下,电子轨道运动增强,晶格结构发生畸变,原子磁矩增大。当磁场较小时,磁记忆信号随外界磁场强度增大而线性增大;当磁场强度达到临界值时,原子磁矩近似等于独立原子的磁矩,磁记忆信号趋于定值;当磁场强度大于临界值以后,应力集中区的磁记忆信号将被磁场覆盖。磁记忆检测实验结果与理论分析结果具有很好的一致性。     

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.     

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。     

助基于磁梯度张量的金属磁记忆检测方法

金属磁记忆是对铁磁材料早期微观损伤及应力集中进行无损检测的有效方法。为提高磁记忆检测的可靠性,充分利用磁记忆信号的矢量信息,将磁梯度张量测量及分析方法引入磁记忆检测中。根据张量缩并分析理论得到了磁记忆信号的磁梯度张量模量,通过求解梯度局部相位的一阶导数得到信号的梯度局部波数,然后分析信号的磁梯度张量模量和梯度局部波数分布特征,得到磁梯度模量和梯度局部波数极值点分别与应力集中边界和中心位置的对应关系。实验结果表明：磁梯度张量方法能够克服检测方向与缺陷夹角变化对测量信号的影响,准确地对应力集中进行判断。     

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。     

特种钢的磁记忆检测研究

本文借助静载拉伸实验进行特种钢18CrNiWA试件的磁信号变化测试，验证了磁记忆检测技术用于该材料损伤检验的可行性。结果显示，弹塑性加载阶段试件磁信号差别显著，检测方式的不同对试件磁特性有明显影响，离线检测较在线检测实际效果更好。此外，对实验过程中磁场强度变化现象做了相应的解释。     

裂纹的磁记忆检测分析

介绍了金属磁记忆法-无损检测方法的原理、检测法特点、记忆信号的特征,从力学分析结果就各种因素对金属磁记忆检测结果的影响进行了讨论,并对构件隐性损伤的磁记忆检测分析、金属磁记忆检测技术的实施提出方案.