利用异变磁信号监测铁磁材料疲劳裂纹扩展的方法

专利名称：：利用异变磁信号监测铁磁材料疲劳裂纹扩展的方法
技术领域：
：本发明涉及一种利用地磁场环境下自发产生的异变信号监测疲劳裂纹扩展的方法，适用于承受疲劳载荷的铁磁零部件的动态质量控制，属于无损检测
技术领域：
。
背景技术：
：处于地磁场环境中的铁磁材料在加工制造及服役过程中表面会自发产生杂散磁场信号，可以通过检测杂散磁场的法向分量Hp(y)零值点并结合磁场梯度最大值来定性判断铁磁材料应力集中的位置，即潜在的危险区域。这又被称为金属磁记忆检测技术。金属磁记忆检测技术发展时间较短，其微观物理机制尚未明确，近年来虽然对该技术展开了大量的基础研究，但多是应用于电站、石油、管道、压力容器等部门进行静态缺陷检测、残余应力及应力集中程度半定量评估，如中国专利说明书01123977.8公布了一种利用地磁场检测铁磁性材料表面缺陷的方法，将检测信号经过处理后与设定的缺陷阈值对比来判断有无表面裂纹、腐蚀坑、近表面夹渣、气孔等缺陷；中国专利说明书01143445.7公开了一种应力分布的磁检测方法，利用地磁信号与铁磁材料内部应力的线性关系测得其应力分布。中国专利说明书200510122191.X公布了利用金属磁记忆检测信号诊断管道焊接裂纹的方法，釆用小波变换理论，分析处理磁记忆检测信号，得到判定阈值K，实现对焊接裂纹的快速无损检测；中国专利说明书200510122190.5公布了用金属磁记忆检测技术确定管道焊接裂纹应力集中方法，根据磁场高斯定律确定管道壁内部应力与金属磁记忆信号之间的关系，定义焊接裂纹尖端应力最大值作为焊接裂纹应力集中程度的一种度量，实现对管道中焊接裂纹尖端应力集中程度定量评价等。而金属磁记忆技术在疲劳寿命预测领域如何应用目前鲜有报导，仅有中国专利说明书200410067574.7提出了利用涡流与磁记忆检测技术进行汽车退役曲轴剩余疲劳寿命的检测方法，但该方法只是首先利用涡流技术检查退役曲轴关键部位有无产生裂纹，如无裂纹产生，则应用金属磁记忆技术检测该部位应力变形状况，根据应力变形状况与剩余寿命之间的映射关系来评价其剩余寿命是否足以维持下一次生命周期。如有裂纹存在，则认为其剩余疲劳寿命不足以维持一个生命周期，不再使用磁记忆技术检测。对于承受疲劳载荷的含裂纹或可能产生裂纹的重要构件，目前仅有声发射技术可以实现裂纹扩展的动态监测，虽然声发射现象早在50年代己经发现，但该技术使用时必须加载，同时背景噪声干扰等问题限制了它的实际应用。能否利用地磁场环境下铁磁材料自身的杂散磁场信号监测铁磁材料疲劳裂纹扩展进而预测其剩余寿命目前尚无任何文献及专利涉及。
发明内容本发明是要解决现有的唯一可以实现动态监控疲劳裂纹扩展的声发射技术使用时必须加载，在卸载状态下无法应用的问题。处于地磁场环境中的承受疲劳载荷的铁磁构件，在工况条件下，其表面会产生自发的杂散磁场信号，存在疲劳裂纹的部位，杂散磁场信号会出现异变，并且随着疲劳裂纹的扩展，异变信号会逐渐增强。本发明提出的方法通过检测疲劳过程中杂散磁场的法向分量Hp(y)的异变信号的变化来实现动态监控疲劳裂纹的扩展进程。本发明公开了一种利用自发的异变磁信号监测铁磁材料疲劳裂纹扩展的方法，其特征在于该方法包括以下步骤1)采用和被测铁磁构件相同材质的材料制作成含中心穿透裂纹的板状标准拉伸试样，按照被测构件的热处理规范对标准试样进行最终热处理，热处理工艺的最高加热温度超过材料的居里点温度，使标准试件表面获得纯净的初始磁状态；2)磁传感器垂直试件表面，按照固定提离值，沿垂直中心穿透裂纹方向，以直线行进方式，沿各检测线逐线扫描标准试件的中心穿透裂纹部位，获得试件初始状态下表面杂散磁场的法向分量Hp(y)信号；提离值指磁传感器与试件表面的距离。固定提离值范围0.5mm15mm;各检测线之间距离范围0.01mra5咖53)设定疲劳试验参数，进行疲劳试验，疲劳循环至预定次数N后，测得中心穿透裂纹的总长度2a，利用磁传感器，按照第2)步所述方法，扫查试件中心穿透裂纹部位，获得该循环次数下试样表面杂散磁场法向分量信号；重复上述步骤，直至试件断裂；4)磁传感器在上述步骤中测得的磁信号经计算机软件处理，建立不同疲劳循环次数下表面杂散磁场法向分量H卩(y)的分布5)提取对应不同循环次数N的Hp(y)分布图中在试件中心裂纹部位产生的自发异变磁信号峰峰值AHp(y)，以其最大值AHp(y)^作为该循环次数下的检测阈值；6)绘制各循环次数下检测阈值AHp(y),与中心穿透裂纹总长度2a的关系曲线，利用最小二乘法进行线性拟和，得到AHp(y),-2a线性关系式；7)用上述步骤所用的磁传感器，按照相同提离值检测被测构件扫查区域的表面Hp(y)信号，将所测得的异变峰峰值最大值AHp(y)^与第5)步中确定的检测阈值对比，判断疲劳裂纹长度，根据已建立的AHp(y),-2a线性关系式，获知疲劳裂纹扩展进程。在上述方法中，所述中心穿透裂纹长度2a的测量采用非磁性测量方法；在上述方法中，所述的不同循环次数下表面杂散磁场法向分量Hp(y)的测量为试件在卸载状态下测得；在上述方法中，所述方法中使用的磁传感器测量精度等于或大于1A/m。本发明的优势在于疲劳裂纹产生的异变磁信号为地磁场环境中自发产生，并且异变峰峰值随疲劳裂纹扩展不断增加，能够实时提供裂纹变化的连续性信息。无需外加激励磁场及退磁装置，即使卸载该异变信号依然保留，可以实现动态监控裂纹扩展。该方法操作简便，检测结果准确，重复性好。附图l是具体实施方式的检测试件及检测线示意图，其中l是中心裂纹，2是检测线；附图2是具体实施方式中试件在寿命不同阶段扫査区域的表面杂散磁场法向分量Hp(y)分布附图3是具体实施方式中疲劳裂纹异变信号检测阈值与中心裂纹总长度线性拟和关系图。具体实施例方式下面结合附图及实施例详细说明本
发明内容。在具体实施方式中，构件的材料是18CrNiWA钢。首先，选用和被测构件材质相同的铁磁材料18CrNiWA钢，按照国家标准GB/T6398-2000制作含中心穿透裂纹的板状标准拉伸试件。预制的中心裂纹采用线切割技术加工，原始长度2an=12mm(如附图1所示)。按照被测构件的热处理规范对标准试样进行最终热处理，在真空度为8xlO"Pa的WZC-30型的真空热处理炉中加热至860QC，保温30分钟，油淬，而后180。C回火，水冷至室温。使标准试件表面获得纯净的初始磁状态。其次，在试件表面以中心裂纹为中心划定扫查范围30mmX50mm，标示出11条检测线，相邻检测线间隔3mm，各检测线垂直中心裂纹方向(如附图l所示)。采用EMS-2003金属磁记忆检测仪，其磁传感器基于霍耳元件，检测精度为1A/m。传感器垂直试件表面，提离值lmm，以直线行进方式(扫描方向如图l所示)，分别从第l条检测线至第11条检测线逐线扫描，各检测线扫描长度50mra。采集试件初始状态下表面杂散磁场的法向分量信号，经Origin软件处理，获得初始状态下Hp(y)值分布图(如附图2a所示)。提离值的选取要综合考虑铁磁构件的形状、尺寸、表面质量、杂散磁场的强弱等多种因素来确定。提离值小，即传感器靠近表面，检测精度高。在本实施例中，针对我们目前用的传感器，前期研究结果显示，当提离值超过10mm以后，采集的信号就有些失真，超过15mm将影响检测结果，会导致误判。因此在具体测试中选择提离值lmm。而后，对试件施加轴向拉拉疲劳载荷，疲劳试验为正弦波恒幅载荷控制，oraax=260MPa，应力比11=0，频率f二10Hz。施加疲劳载荷后，疲劳裂纹将从预制切口的两尖端萌生，随循环次数的增加逐渐向试件两侧边缘扩展。萌生疲劳裂纹后，中心裂纹的总长度为2a(见图1所示)。加载到预定循环次数后，首先采用JXD—250B型光学读数显微镜在线读取中心裂纹总长度2a，而后卸载取下试件，将试件沿南北方向放置于非磁性平台上，由三维电控位移台控制金属磁记忆仪的磁传感器探头沿各检测线按照固定方式移动，采集各检测线表面的Hp(y)数据，经Origin软件进行处理，获取该循环次数下Hp(y)分布。重复上述试验步骤，获得不同寿命阶段试件表面杂散磁场法向分量分布图(如附图2b、2c、2d所示)。提取对应不同循环次数N的Hp(y)分布图中在试件中心裂纹部位产生的自发异变磁信号峰峰值AH,，(y)，以其最大值Ali(y),作为该循环次数下的检测阈值。绘制各循环次数下检测阈值AHp(y)nx与中心穿透裂纹1的长度2a关系图，利用最小二乘法进行线性拟和(如图3所示)，得到获得上述试验条件下标准试件异变信号峰峰值阈值AHp(y),与疲劳裂纹长度2a之间的线性关系式2a=-9.81231+0.29885AHp(y)ax(1)最后，检测相同热处理状态的18CrNiWA钢构件，根据构件的工况条件划定检测区域，使确定的各条检测线均垂直于疲劳裂纹走向。服役一定时间后，卸载沿南北方向放置，磁传感器提离值lmm，按照上述方式扫查各条检测线，采集构件表面的Hp(y)信号，经Origin软件处理，获得检测区域中疲劳裂纹异变峰峰值的最大值AHp(y)自，按照公式(1)计算得到疲劳裂纹长度；作为比较，同时采用A型显示脉冲反射式超声波探伤仪按照最大波高衰减法检测疲劳裂纹长度。在服役期间共检测三次，数据如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>经超声波检测验证，本方法检测结果准确，操作简便，无需外加激励磁场，为在卸载状态下动态监控裂纹扩展提供了一种新的途径。权利要求1.一种利用异变磁信号监测铁磁材料疲劳裂纹扩展的方法，其特征在于该方法包括以下各步骤1)采用和被测铁磁构件相同材质的材料制作成含中心穿透裂纹的板状标准拉伸试样，按照被测构件的热处理规范对标准试样进行最终热处理，热处理工艺的最高加热温度超过材料的居里点温度，使标准试件表面获得纯净的初始磁状态；2)磁传感器垂直试件表面，按照固定提离值，沿垂直中心穿透裂纹方向，以直线行进方式，沿各检测线逐线扫描标准试件的中心裂纹部位，获得试件初始状态下表面杂散磁场的法向分量Hp(y)信号；固定提离值范围0.5mm～15mm；各检测线之间距离范围0.01mm～5mm；3)设定疲劳试验参数，进行疲劳试验，疲劳循环至预定次数N后，测得中心裂纹长度2a，利用磁传感器，按照第2)步所述方法，扫查试件中心裂纹部位，获得该循环次数下试样表面杂散磁场法向分量信号；重复上述步骤，直至试件断裂；4)磁传感器在上述步骤中测得的磁信号经计算机软件处理，建立不同疲劳循环次数下表面杂散磁场法向分量Hp(y)的分布图；5)提取对应不同循环次数N的Hp(y)分布图中在试件中心裂纹部位产生的自发异变磁信号峰峰值ΔHp(y)，以其最大值ΔHp(y)max作为该循环次数下的检测阈值；6)绘制各循环次数下检测阈值ΔHp(y)max与中心裂纹长度2a曲线，利用最小二乘法进行线性拟和，得到ΔHp(y)max-2a线性关系式；7)用上述步骤所用的磁传感器，按照相同提离值检测被测构件扫查区域表面的Hp(y)信号，将所测得的异变峰峰值最大值ΔHp(y)smax与第5)步中确定的检测阈值对比，判断疲劳裂纹长度，根据已建立的ΔHp(y)max-2a线性关系式，获知疲劳裂纹扩展进程。2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述中心裂纹长度2a的测量采用非磁性测量方法；3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述的不同循环次数下表面杂散磁场法向分量Hp(y)的测量为试件在卸载状态下测得。4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法中使用的磁传感器测量精度等于或大于1A/m。全文摘要一种利用异变磁信号监测铁磁材料疲劳裂纹扩展的方法，属于无损检测
技术领域：
。本发明涉及一种利用异变磁信号监测铁磁材料疲劳裂纹扩展的方法，制作和被测构件材质、热处理状态相同的中心裂纹的标准试样；在疲劳试验中循环预定次数后，用磁传感器按固定提离值扫查标准试件的中心裂纹区，获得扫查区的表面杂散磁场法向分量H_p(y)信号，测得中心裂纹的长度2a；提取疲劳裂纹产生的自发异变磁信号峰的最大值ΔH_p(y)_max，作为该循环次数下的检测阈值；对ΔH_p(y)_max与2a进行线性拟和，得ΔH_p(y)_max-2a关系式；用上述磁传感器按相同提离值检测被测构件，将所测得的ΔH_p(y)_smax与检测阈值对比，根据ΔH_p(y)_max-2a线性关系式，获知疲劳裂纹扩展进程。本发明操作简便，检测结果准确，可在卸载状态下动态监控裂纹扩展。文档编号G01N3/00GK101109728SQ20071012038公开日2008年1月23日申请日期2007年8月17日优先权日2007年8月17日发明者徐滨士,丹王,董世运,董丽虹申请人:中国人民解放军装甲兵工程学院