一种利用表面磁场的变化判定铁磁材料开始发生塑形变形的方法
【专利摘要】本发明公开了基于磁记忆检测技术的铁磁材料发生塑形变形的判断方法，将磁记忆表面磁场测量与弹塑性力学以及材料学相结合，以表面磁场法向分量作为特征参量，建立了一种针对铁磁构件拉伸载荷下材料进入塑形变形的表征方法。本发明采用金属磁记忆检测拉伸过程中构件表面磁场的变化，通过表面磁场梯度是否开始小于零以及表面磁场是否出现“跳水式”下降来确认材料开始产生塑形变形。
【专利说明】-种利用表面磁场的变化判定铁磁材料开始发生塑形变形 的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于铁磁材料磁性无损检测领域，涉及一种利用表面磁场磁记忆信号的变 化确定铁磁材料进入塑形变形的方法。
【背景技术】
[0002] 以钢铁为主的铁磁性材料具有良好的强度、刚度、韧性等性能，在工业生产的各个 领域应用越来越广泛。诸如油气管道、高铁、舰船、石油平台、桥梁、跨空间钢架等大型构件， 以及航空、航天、核反应堆的有关设备等，如何有效的分析这些构件的应力应变状态，进而 得到构件的强度、刚度、稳定性，已成为迫切需要解决的问题。特别地，材料进入塑性变形是 材料失效的一个衡量标准。材料进入塑形变性后，线弹性力学方程已不再适用。弹性和塑 性变形在微观结构上的变化是不同的，弹性变形主要是原子间距的增加或减少，而塑性变 形则导致多种缺陷（例如位错、滑移等）的产生和积累。塑性变形的早期阶段引起畴壁钉 扎点的大量增加，以位错、位错缠结以及位错胞形式出现的钉扎点与塑性变形成幂次数迅 速增加，而这个过程相对于材料塑性变形的整个阶段是非常短暂的，占材料塑形变形阶段 的5%左右。
[0003] 材料变形由弹性向塑形变形过渡是材料的一种临界应力应变状况。对材料临界应 力应变状况的有效评价是评价设备和构件结构强度和可靠性的一个重要依据。目前，判断 材料发生塑形变形一般是依据材料应力-应变曲线出现水平线段，或根据材料滑移及其伴 随的现象来判断。铁磁材料位错稳定滑移带区域，在外加载荷和地磁场共同作用下会产生 自有漏磁场，而这个自有漏磁场包含着材料的应力（应变）状态的信息。因此，可以利用金 属磁记忆方法测得的表面磁场来识别材料的应力应变状态。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够利用表面磁场的磁记忆特 征参量，对拉伸载荷作用下的构件的应力应变状态进行表征，以识别确定材料进入塑形变 形的开端。
[0005] 本发明的技术目的通过下述方案予以实现：
[0006] 利用材料塑性变形时的伴随现象来判断材料发生了塑性变形，该方法包括如下步 骤：
[0007] 1)对金属磁记忆检测装置按照相关技术文档，对其磁性传感器进行标定，一般以 地磁场为40A/m进行标定，其中A/m为磁场单位；
[0008] 2)采用退磁机械对构件进行退磁处理，若是经过去应力退火的材料不必进行退磁 处理，并用磁记忆检测装置记录测量测点表面磁场法向分量的初始值，记为=Hp(Y) tl，其中 Hp (yh为表面磁场法向分量的初始值；
[0009] 3)按一定步长的载荷或者应变对试件进行第η次加载，小心将构件从整体结构中 取出，放置在无磁平台上，即采用离线测量的方式，记录测量测点表面磁场法向分量，记为 Hp (y) ' n，与表面磁场法向分量初始值Hp (y)C1相减，获得第η次载荷下完全由载荷引起的表 面磁场记为Hp (y)n，其中Hp (y) ' η为第η次加载后材料离线方式测量的表面磁场法向分量， Hp (yh为表面磁场法向分量的初始值，Hp (y)n为第η次载荷下完全由载荷引起的表面磁场 法向分量；
[0010] 4)进行第η+1次加载，加载至预定载荷后，以步骤3同样的方式进行表面磁场法 向分量的测量，记录值记为Hp (y) ' n+1，将其与表面磁场法向分量初始值Hp (y) ^相减，获得第 η+1次载荷下完全由载荷引起的表面磁场记为Hp (y)n+1，其中Hp (y) ' n+1为第η+1次加载后材 料离线方式测量的表面磁场法向分量，Hp (y) ^为表面磁场法向分量的初始值，Hp (y)n+1为第 η+1次载荷下完全由载荷引起的表面磁场法向分量；
[0011] 5)表面磁场法向分量的梯度K
【权利要求】
1. 一种利用表面磁场的变化判定铁磁材料开始发生塑形变形的方法，其特征是：该方 法包括如下步骤： 1) 对金属磁记忆检测装置按照相关技术文档，对其磁性传感器进行标定，一般以地磁 场为40A/m进行标定，其中A/m为磁场单位； 2) 采用退磁机械对构件进行退磁处理，若是经过去应力退火的材料不必进行退磁处 理，并用磁记忆检测装置记录测量测点表面磁场法向分量的初始值，记为=Hp(Y)tl，其中 Hp(yh为表面磁场法向分量的初始值； 3) 按一定步长的载荷或者应变对试件进行第η次加载，小心将构件从整体结构中取 出，放置在无磁平台上，即采用离线测量的方式，记录测量测点表面磁场法向分量，记为 Hp(y) 'η，与表面磁场法向分量初始值Hp(y)^相减，获得第η次载荷下完全由载荷引起的表 面磁场记为Hp(y)n，其中Hp(y) 'η为第η次加载后材料离线方式测量的表面磁场法向分量， Hp(yh为表面磁场法向分量的初始值，Hp(y)n为第η次载荷下完全由载荷引起的表面磁场 法向分量； 4) 进行第η+1次加载，加载至预定载荷后，以步骤3同样的方式进行表面磁场法向分量 的测量，记录值记为Hp(y) 'n+1，将其与表面磁场法向分量初始值Hp(y) ^相减，获得第η+1次 载荷下完全由载荷引起的表面磁场记为Hp(y)n+1，其中Hp(y)'n+1为第η+1次加载后材料离 线方式测量的表面磁场法向分量，Hp(Y)tl为表面磁场法向分量的初始值，Hp(y)n+1为第η+1 次载荷下完全由载荷引起的表面磁场法向分量； 5) 表面磁场法向分量的梯度Κ，其中K为表面磁场法向分量的 梯度，Hp(y)n为步骤3第η次加载得到的表面磁场法向分量，Hp(y)n+1为步骤4第η+1次加 载得到的表面磁场法向分量； 6) 若表面磁场法向分量的梯度Κ>0,材料处于弹性阶段；若表面磁场法向分量的梯度 K< 0,材料处于塑性阶段；若表面磁场法向分量的梯度K= 0,材料处于由弹性向塑形变形 过渡时刻； 7) 当铁磁材料承受塑性变形之后，磁化受到外加磁场，残余应力场，和塑性应变场的影 响，总的有效场Hrff: Heff =H+aM+H0 ,+Hop-D0M 其中H为外加磁场，即地磁场，M为材料的磁化强度，α为平均场耦合系数，而残余应 力等效场凡,=和塑形变形等效场尽χρ= --I都是塑形应变ερ的函2μ0 dMan μ0 dM1 数，k为材料的钉扎系数，为残余应力，μ^为真空磁导率，λ为磁致伸缩系数，Man为无 滞后磁化强度，Ep为磁塑性能，对于多晶材料，磁性体的磁化M可以用下式来计算：
其中S = ±1分别对应于增加和减少的磁场，Ms为材料的饱和磁化强度，计算可得磁 化的表达式： 、- ，、
^v^y 式中a为规划常数，计算可知磁化强度与塑性变形之间是呈"跳水式"的关系，即塑形 变形初期，磁化强度快速下降，而后随着塑性变形继续增加，磁化强度缓慢变化； 8) 得出各载荷与测点的表面磁场法向分量Hp(y)值对应曲线，铁磁材料发生塑性变形 的开始阶段，材料的磁记忆信号会出现"跳水式"下降，而后随着塑形变形的增加而缓慢减 少； 9) 材料发生塑形变形的另外一个判据是材料表面磁场法向分量Hp(y)值出现"跳水 式"下降，上述方法即为利用表面磁场的变化判定铁磁材料开始发生塑形变形的方法。
【文档编号】G01N1/28GK104316419SQ201410624850
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年11月10日 优先权日:2014年11月10日
【发明者】李建伟, 钟苏, 肖良瑜, 田超, 徐敏强, 王燕, 陈光辉 申请人:哈尔滨电机厂有限责任公司