专利名称：利用铁磁材料表面杂散磁场信号监测疲劳损伤的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用自发的表面杂散磁场信号评价承受疲劳载荷 的铁磁零部件疲劳损伤程度的方法，属于磁性无损检测技术领域。
技术背景铁磁材料作为一种强磁性物质，具有良好的强度、硬度、塑性、韧性等 特点，广泛应用于工业生产的各个领域。机械装备中许多关键部件都是由铁 磁材料制成，这些部件很多处于交变载荷反复作用的工况环境下，疲劳失效 是它们最主要的破坏形式。疲劳破坏是一个缓慢的延滞破坏过程，通常是在低于屈服极限的交变应 力作用下发生的，宏观上无明显塑性变形，破坏时具有隐蔽性，常引发灾难 性后果。因此，实时监测铁磁材料疲劳损伤程度，进而预测铁磁构件的剩余寿 命一直是学术界及工程界关注的热点和难点问题，当疲劳裂纹己经产生且达到一定尺寸时，常规的无损检测技术如超声波 法、涡流法、渗透法、磁粉法即能发现缺陷。而在宏观疲劳裂纹出现之前的 早期疲劳损伤阶段，由于没有明显的微观和宏观物理参量的变化，检测非常 困难。当前针对这一阶段的检测应用较多的是声发射技术，声发射技术通过 "监听"零件结构变化而发射出来的声波信号，来实现对铁磁材料疲劳损伤的动态监控。虽然声发射现象早在50年代已经发现，但由于检测时必须加载、 背景噪声干扰等问题限制了它的实际应用。此外，近年来有报导采用磁性无损检测技术，如磁巴克豪森噪声法、磁 声发射法等检测铁磁材料损伤状态，这些方法一方面还处于基础研究阶段， 尚不成熟，另一方面它们进行检测时需对构件进行磁化，需附加磁化设备及 退磁装置。处于地磁场环境中的铁磁构件，受地磁场及载荷的影响，其表面会产生 自发的杂散磁场信号，目前通过检测该杂散磁场的法向分量Hp(y)零值点并结 合磁场梯度最大值k可以定性判断铁磁材料应力集中的位置，即潜在的危险 区域。这一技术又被称为金属磁记忆技术。已有技术中，仅有申请号200410067574.7，公开号CN 1603812A的中国 发明专利——汽车退役曲轴剩余疲劳寿命的检测方法，提出首先应用涡流技 术检测退役曲轴的危险部位，如发现有裂纹存在，则认为其剩余寿命不足以 维持下一个生命周期；在没有裂纹产生的条件下，应用金属磁记忆技术检测 该部位的应力变形状况，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。该方法针对的是已退役报废的 汽车曲轴，目的是根据其危险部位的应力变形状况，考虑是否具有再制造的 可能性。而对于服役过程中的承受疲劳载荷的铁磁构件，由于疲劳载荷通常 低于材料的屈服极限，尤其是早期服役阶段，铁磁构件的危险部位不会出现 可测量的应变，难以利用应力与变形状况评价铁磁材料的损伤程度。并且上 述方法没有提出明确的应力变形状况与剩余寿命的映射关系。 发明内容本发明的目的是发明一种能在卸载状态下实现动态监控铁磁构件疲劳损 伤程度的新型检测方法。本发明所提供的是一种利用铁磁构件表面自发产生的杂散磁场的法向分量Hp(y)信号，可以由Hp(y)信号曲线的斜率Ks的变化确定构件经历的疲劳循 环次数N(即疲劳寿命)，进而可以预测其剩余寿命，实现评价铁磁材料疲劳 损伤程度的目标。本发明通过如下技术方案实现1) 采用和被测铁磁构件相同材质的材料制作成板状光滑标准拉伸试样， 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； 其中最终热处理是试件精加工后使用前进行的热处理。2) 磁传感器垂直试件表面，按照固定提离值，分别扫描标准试件表面的 检测线，获得试件初始状态下检测线表面杂散磁场的法向分量Hp(y)信号；对 于标准板状光滑件的检测线的间距没有特殊要求。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，利用 磁传感器，按照第2)步所述方法，以相同的固定提离值，扫描标准试件表面 的各检测线，获得该循环次数下杂散磁场法向分量信号；N的确定根据试件 的预测寿命，考虑检测的方便性确定。在步骤3)中具体的疲劳实验参数要根 据试件的不同要求来设定。4) 重复步骤3)，直至试件断裂；在上述步骤中磁传感器测得的磁信号 经计算处理，建立检测线表面杂散磁场法向分量HP (y)与疲劳循环次数N的关 系曲线； 5) 提取不同循环次数下检测线磁曲线的斜率L，建立斜率K,与循环次数N的对应关系曲线，确定标准试样疲劳破坏前的临界斜率值L。，建立疲劳裂纹萌生前Ks —N映射关系式；6) 用步骤2)所用的磁传感器，按照和步骤2)相同提离值，按照预定 的时间间隔连续监测被测构件表面检测线的H,(y)信号，采集的信号经计算处 理，提取磁曲线的斜率L，将获得的L值与第5)步中确定的临界斜率值L。 对比，L》L时，认为疲劳裂纹己萌生，铁磁构件即将破坏，采用新构件替 换；L〈L。时，则认为构件尚处于早期疲劳阶段，按照步骤5) Ks—N映射关 系式确定构件的疲劳损伤程度。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。使用的磁传感器测量精度等于或高于1A/m。本发明确定的方法，为金属磁记忆技术引入新的检测参量——检测线磁 曲线的斜率Ks。这一检测参量是利用铁磁材料自身发射的信息来表征早期疲 劳损伤的程度。本发明在检测过程中无需外加激励磁场及退磁装置，不需要对试件表面 作任何预处理，检测简便，检测结果精度高、重复性好。即使试件卸载，该 磁信号依然存在，易于实现动态监控铁磁材料的疲劳损伤程度。
图1为检测试件及检测线示意2为检测线磁曲线斜率Ks与循环次数N关系图具体实施方式
本发明通过如下措施来实现被测构件材料为18CrNiWAVA钢，金属磁记忆检测仪器为EMS-2003型。首先，选用和被测构件材质相同的铁磁材料18CrNiWAVA钢，按照国家标 准制作板状光滑疲劳试件。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18(^C回火，水冷至室温，获得纯净的初始磁状态。其次，在试件长度240 mm表面标示出2条平行检测线，检测线长lOOmm， 两线垂直间隔距离10mm，如附图1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lA/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箭头所示)分别扫描两条检测线，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。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，对试件施加恒幅拉拉疲劳载荷，最大应力o"自=560MP"，应力比/ =0，频率/=10&。试件加载到预定循环次数后，卸载取下试件，将试件沿 南北方向放置于非磁性三维平台上，由三维电控扫描架控制金属磁记忆检测 仪的探头沿检测线按照固定方式移动，获取各检测线表面Hp(y)数据，磁信号 送入计算机处理，获得该循环次数下表面杂散磁场法向分量分布。重复上述 步骤，获得不同循环次数下试件表面杂散磁场法向分量分布图，直至试件断 裂。提取不同循环次数下的磁曲线斜率L值，作出L值与循环次数N之间的 关系曲线如附图2所示。确定斜率临界值Ks。二1.8;采用多项式拟和L一N之间的映射关系Ks = 1. 12213+0. 38358N-0. 0977N2+0. 0097N3 (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 定检测线。分别在服役寿命的早期、中期、后期，将被测构件卸载沿南北方 向放置，磁传感器提离值lmm，按照上述方式扫査各检测线，采集构件表面的 Hp(y)信号，经Origin软件处理，提取磁曲线斜率Ks值，乘以修正因子后，与 L二1.8对比，判断有无疲劳裂纹萌生，如已萌生疲劳裂纹，则认为该构件已 接近寿命末期，采用新件替换该构件；如未疲劳裂纹萌生，则按照(1)式确 定其已经历的疲劳循环寿命N，决定该构件是否需要采用高新表面加工技术进 行修复。
权利要求
1.一种利用铁磁材料表面杂散磁场信号监测疲劳损伤的方法，其特征在于，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板状光滑标准拉伸试样，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，分别扫描标准试件表面的检测线，获得试件初始状态下检测线表面杂散磁场的法向分量Hp(y)信号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，利用磁传感器，按照第2)步所述方法，以相同的固定提离值，扫描标准试件表面的各检测线，获得该循环次数下杂散磁场法向分量信号；4)重复步骤3)，直至试件断裂；在上述步骤中磁传感器测得的磁信号经计算处理，建立检测线表面杂散磁场法向分量Hp(y)与疲劳循环次数N的关系曲线；5)提取不同循环次数下检测线磁曲线的斜率Ks，建立斜率Ks与循环次数N的对应关系曲线，确定标准试样疲劳破坏前的临界斜率值Ksc，建立疲劳裂纹萌生前Ks-N映射关系式；6)用步骤2)所用的磁传感器，按照和步骤2)相同提离值，按照预定的时间间隔连续监测被测构件表面检测线的Hp(y)信号，采集的信号经计算处理，提取磁曲线的斜率Ks，将获得的Ks值与第5)步中确定的临界斜率值Ksc对比，Ks≥Ksc时，认为疲劳裂纹已萌生，铁磁构件即将破坏，采用新构件替换；Ks＜Ksc时，则认为构件尚处于早期疲劳阶段，按照步骤5)Ks-N映射关系式确定构件的疲劳损伤程度。
2. 根据权利要求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。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法中使用的磁传感 器测量精度等于或高于1A/m。
全文摘要
利用铁磁材料表面杂散磁场信号监测疲劳损伤的方法属于磁性无损检测领域。铁磁构件早期服役阶段不会出现可测量的应变，难以评价损伤程度。本发明制作和被测构件材质、热处理状态相同的光滑板状标准疲劳试件，经高温退磁，获得纯净的初始磁状态，施加恒幅拉拉疲劳载荷，对应预定循环次数，卸载检测试件表面各检测线杂散磁场法向分量，提取不同循环磁曲线斜率值K<sub>s</sub>，确定临界斜率值K<sub>sc</sub>，建立疲劳裂纹萌生前斜率K<sub>s</sub>与疲劳循环次数N的映射关系式。按相同提离值检测被测构件，将所测得的磁曲线斜率值K<sub>s</sub>与临界斜率值K<sub>sc</sub>对比，确定疲劳损伤程度。本发明操作简便，检测结果准确，可在卸载状态下实现动态监铁磁构件的早期疲劳损伤程度。
文档编号G01R33/14GK101126799SQ20071017525
公开日2008年2月20日 申请日期2007年9月28日 优先权日2007年9月28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