利用铁磁性材料的弱磁信号预测疲劳寿命的方法与流程

本发明涉及工程构件无损检/监测领域，具体讲是一种屏蔽地磁场环境下利用铁磁性材料的弱磁信号检测铁磁材料疲劳扩展和定量预测疲劳寿命的方法。

背景技术：

疲劳破坏是承受循环荷载作用下工程结构构件主要的失效模式，表现为构件的疲劳裂纹在循环应力作用下萌生并逐渐扩展至临界裂纹长度，其中裂纹萌生阶段的寿命占比很小，实际工程中一般不予考虑，认为裂纹扩展阶段的寿命约等于疲劳寿命。因此如何准确通过把握承受循环荷载作用工程构件的疲劳裂纹扩展长度和扩展速率，从而根据断裂力学公式计算其疲劳寿命，这对于预防构件突发性的脆性破坏和评估结构的疲劳寿命具有极其重要的意义。

无损检测方法能够在不损坏结构或构件的前提下评价结构或构件的性能，已广泛应用的常规无损检测方法如超声波法和射线检测法存在局限性，比如只有当疲劳裂纹产生且已经发展到一定尺寸时才能应用，不能预警初始损伤部位；必须停止工作才能检测；不能反映材料损伤的内部机理等。我国学者将俄罗斯学者提出的金属磁记忆无损检测技术应用于铁磁性材料的疲劳损伤检测。研究表明基于金属磁记忆技术可以实现铁磁性材料疲劳损伤的早期检测和损伤发展，可通过检测裂纹周围磁场分布确定裂纹长度。2008年在nature上报道的压磁效应更关注靠近损伤区域的弱磁信号随外力的变化，研究表明压磁-应力滞回曲线相比传统的应力-应变滞回曲线更能够反映疲劳损伤的相关信息，钢筋压磁时变曲线和滞回曲线的特征点和变幅等参数与疲劳损伤演化规律一致，能够记录钢筋裂纹形成和扩展过程，能够应用于钢筋等铁磁性材料的疲劳研究。本发明结合金属磁记忆的磁场分布信号和压磁信号，获取铁磁性材料疲劳裂纹扩展的关键参数，从而评估其疲劳寿命。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，提供一种能实现铁磁性材料裂纹扩展进程的无损评估和疲劳寿命的定量预测的利用铁磁性材料的弱磁信号预测疲劳寿命的方法。

本发明的技术解决方案是，提供一种利用铁磁性材料的弱磁信号预测疲劳寿命的方法；它包括以下步骤：

1、以钢材为原材料制作的标准紧凑拉伸(ct)试样为例，采用线切割技术制备含直通形v形缺口的ct试样，使试样的尺寸和表面平整度达到规范要求，并测量实际尺寸作为计算依据，按照规范对标准试样进行最终热处理，使标准试样表面获得纯净的初始磁状态；

2、将试样固定到疲劳试验机上，并安装弱磁信号测试装置，且主要包括以下步骤：

2.1、将两个磁探头分别安装固定，并分别调整磁探头朝向，使其中一个固定磁探头朝向与试样预期的裂纹扩展方向平行，称为第一磁探头；可移动的磁探头称为第二磁探头，其朝向与试样预期的裂纹扩展方向垂直；

2.2、调整各磁探头和试样表面之间的距离，使得磁探头与试样表面平行，并且与试样表面之间的距离为5～15mm；

2.3、在测试装置四周放置固定高导磁性坡莫合金制作而成的磁场屏蔽环屏蔽外界环境磁场；

3、通过疲劳试验机加载，设定疲劳试验参数，所述测试力为正弦波形或者三角波形的循环力，进行疲劳试验，在疲劳裂纹约扩展0.25mm时停机，采集并处理测试数据以及得到结论；

a、记录此时对应的循环次数ni，通过测量引伸计位移vx计算裂纹长度a，以ni为横坐标而以a为纵坐标形成一个曲线，计算此时的(da/dn)i，并计算裂纹尖端的应力强度因子幅值δk，以(da/dn)i为纵坐标而以δk为横坐标形成一个曲线，基于断裂力学中的paris公式da/dn＝c(δk)m拟合得到参数c和m；

b、利用固定磁探头得到循环次数ni时的压磁-应力(b-σ)滞回曲线，其中b为磁感应强度，σ为试样名义应力，计算该曲线的极值比rd，以δk为纵坐标而以曲线的极值比rd为横坐标形成一个曲线，拟合得到δk＝α1·rd2+β1·rd+γ1，其中α1、β1、γ1为曲线拟合参数；

c、沿着预先设定的检测线移动磁探头检测得到磁场强度分量hp(y)，以磁场强度分量hp(y)为纵坐标而以检测线长度x为横坐标形成一个曲线，计算曲线波峰波谷之间对应的δx，以裂纹长度a为纵坐标而以δx为横坐标形成一个曲线，拟合得到a＝α2·δx2+β2·δx+γ2，其中α2、β2、γ2为曲线拟合参数；

d、基于断裂力学中的paris公式da/dn＝c(δk)m，得到剩余疲劳寿命其中a0为疲劳裂纹起始长度，ac为疲劳裂纹扩展临界长度，从而实现基于弱磁信号特征参数定量预测疲劳寿命。

作为增益，所测量的弱磁信号包括固定点的压磁信号和检测线上的磁场分布，能够更为准确地表征铁磁性材料的应力集中效应和疲劳损伤状态。

作为优选，利用无损检测方法得到的弱磁信号特征参数表征铁磁性材料的裂纹尖端的应力强度因子δk和疲劳裂纹长度a，从而定量评估材料疲劳裂纹扩展的状态。

作为再优选，利用上述测得的疲劳参数基于断裂力学中的paris公式计算裂纹扩展速率和疲劳寿命，从而定量评估铁磁性材料的疲劳损伤进程和剩余疲劳寿命。

本发明利用铁磁性材料的弱磁信号预测疲劳寿命的方法与现有技术相比，具有以下显著优点和有益效果。

(1)本发明中无损检测获得的弱磁信号能够基于裂纹扩展反映铁磁性材料的内部疲劳损伤状态；(2)可以建立不同循环次数的弱磁信号特征参数与应力强度因子幅值和裂纹长度的定量关系，从而基于断裂力学理论中的paris公式建立疲劳寿命基于弱磁信号特征参数的定量预测；(3)无损检测获得的弱磁信号能够综合反映铁磁性材料的由裂纹扩展导致的疲劳损伤状态，更加合理地表征实际状态。

附图说明

图1为具体实施方式的标准紧凑拉伸(ct)试样尺寸及检测线示意图。

图2为标准紧凑拉伸(ct)试样的b-σ滞回曲线(对应疲劳循环次数为ni)；

如图所示：1、直通形v形缺口；2、磁场检测线；3、第一磁探头；4、第二磁探头；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示，本发明利用铁磁性材料的弱磁信号预测疲劳寿命的方法，它包括以下步骤。

1、以钢材为原材料制作的标准紧凑拉伸(ct)试样为例，采用线切割技术制备含直通形v形缺口的径向ct试样，使试样的尺寸和表面平整度达到规范要求，并测量实际尺寸作为计算依据，按照规范对标准试样进行最终热处理，使标准试样表面获得纯净的初始磁状态。

2、将试样固定到疲劳试验机上，并安装弱磁信号测试装置，且主要包括以下步骤。

2.1、将两个磁探头分别安装固定，并分别调整磁探头朝向，使其中一个固定磁探头朝向与试样预期的裂纹扩展方向平行，称为第一磁探头；可移动的磁探头称为第二磁探头，其朝向与试样预期的裂纹扩展方向垂直；

2.2、调整各磁探头和试样表面之间的距离，使得磁探头与试样表面平行，并且与试样表面之间的距离为5～15mm；

2.3、在测试装置四周放置固定高导磁性坡莫合金制作而成的磁场屏蔽环屏蔽外界环境磁场。

3、通过疲劳试验机加载，设定疲劳试验参数，所述测试力为正弦波形或者三角波形的循环力，进行疲劳试验，在疲劳裂纹约扩展0.25mm时停机，采集并处理测试数据以及得到结论：

a、记录此时对应的循环次数ni，通过测量引伸计位移vx计算裂纹长度a，以ni为横坐标而以a为纵坐标形成一个曲线，计算此时的(da/dn)i，并计算裂纹尖端的应力强度因子幅值δk，以(da/dn)i为纵坐标而以δk为横坐标形成一个曲线，基于断裂力学中的paris公式da/dn＝c(δk)m拟合得到参数c和m；

b、利用固定磁探头得到循环次数ni时的压磁-应力(b-σ)滞回曲线，其中b为磁感应强度，σ为试样名义应力，计算该曲线的极值比rd，以δk为纵坐标而以曲线的极值比rd为横坐标形成一个曲线，拟合得到δk＝α1·rd2+β1·rd+γ1，其中α1、β1、γ1为曲线拟合参数；

c、采用组合滑轨上的磁探头沿着预先设定的检测线移动检测磁场得到磁场强度分量hp(y)，以磁场强度分量hp(y)为纵坐标而以检测线长度x为横坐标形成一个曲线，计算曲线波峰波谷之间对应的δx，以裂纹长度a为纵坐标而以δx为横坐标形成一个曲线，拟合得到a＝α2·δx2+β2·δx+γ2，其中α2、β2、γ2为曲线拟合参数；

d、基于断裂力学中的paris公式da/dn＝c(δk)m，得到剩余疲劳寿命其中a0为疲劳裂纹起始长度，ac为疲劳裂纹扩展临界长度，从而实现基于弱磁信号特征参数定量预测疲劳寿命。

以下结合附图与具体实施方式对本发明做进一步描述，但是本发明不仅限于以下实施方式。

磁记忆检测的原理在于：根据“能量最小原理”，铁磁体在外应力作用下为了保持自身能量体系最低，其内部必然会发生磁致伸缩性质的磁畴转动，从而改变其自发磁化方向，增加磁弹性能来抵消应力能的增加。但是由于金属内部存在内耗效应(粘弹性，位错内耗等)，使得外应力消除后，加载时形成的应力集中区得以保留，且具有很高的应力能，此时磁畴的重新取向会保留下来，在表面形成畸变的漏磁场，可以通过测量裂纹周围的磁场分布反映裂纹长度。

将压磁效应应用于疲劳损伤研究的机理为：在交变荷载作用下，微观塑性化过程将导致材料内部结构的滑移错位，从而改变材料的纹理，空隙，内含物以及其他瑕疵，这种物理变化反过来又会改变与它共存的铁磁材料结构的排列，从而影响材料所表现出来的磁场强度，通过量测铁磁性试件周围压磁场的演变过程就能记录其疲劳损伤过程。其物理原理是铁磁性材料的力磁机械效应，即在荷载作用下，铁磁性材料周围的磁场信号会相应改变，压磁效应是循环加载过程中系统能量变化的磁学反映，也能够表征材料中的非均匀应力应变场。

弱磁信号将金属磁记忆和压磁效应结合起来便可以综合评估铁磁性材料由于疲劳裂纹导致的裂纹扩展进程，从而通过无损检/监测的方法定量预测裂纹长度、裂纹扩展速率以及剩余疲劳寿命。

本发明所采用的测试方法主要包括以下步骤：

(1)、原材料选取江苏沙钢集团有限公司的热轧带肋钢筋40mm的hrb400钢筋，成分表如下表一：

表一

钢筋基本力学性能如下表二：

表二

按照国家标准gb/t6398-2017制备测试用的含直通形v形缺口的径向标准紧凑拉伸(ct)试样，试样尺寸及检测线布置见图1，制作完成后测试实际尺寸作为计算依据。

(2)将试样固定到疲劳试验机上，并安装弱磁信号测试装置，且主要包括以下步骤：

a、将两个磁探头分别安装固定，并分别调整磁探头朝向，使其中一个固定磁探头朝向与试样预期的裂纹扩展方向平行，称为第一磁探头；可移动的磁探头称为第二磁探头，其朝向与试样预期的裂纹扩展方向垂直

b、调整各磁探头和试样表面之间的距离，使得磁探头与试样表面平行，并且与试样表面之间的距离为5～15mm；

c、在测试装置四周放置高导磁性坡莫合金制作而成的磁场屏蔽环屏蔽外界环境磁场。

(3)通过20吨伺服疲劳试验机加载，设定疲劳试验参数，所述测试力为正弦波形或者三角波形的循环力，进行疲劳试验，在疲劳裂纹约扩展0.25mm时停机，采集并按照国家标准gb/t6398-2017处理测试数据以及得到结论：

记录此时对应的循环次数ni，通过测量引伸计位移vx计算裂纹长度a，对于本发明中的作为示例的ct试样，计算公式如下：

其中，式(1)式(2)中，ux为柔度，a表示从外载荷作用线开始测量的裂纹长度，a/w为归一化裂纹长度，w为ct试样的实测宽度，b为标准紧凑拉伸试样的实测厚度，e为弹性模量，vx为测量点的位移，f为试验力；对于图1中设置的柔度测量位置，c0＝1.0010，c1＝-4.6695，c2＝18.460，c3＝-236.82，c4＝1214.9，c5＝-2143.6。

以ni为横坐标而以a为纵坐标形成一个曲线，计算此时的(da/dn)i，步骤如下：

对a-n曲线上任意数据点i(最前三点和最后三点除外)，取其前后相邻的三点，加上i点本身共七点，采用最小二乘法进行局部拟合。局部拟合公式为

其中，b0、b1、b2为按最小二乘法得到的回归系数，ai为对应循环次数ni的裂纹长度。

hi＝(ni-c1)/c2、c1＝(ni+3+ni-3)/2、c2＝(ni+3-ni-3)/2(4)

对式(3)求导，得到对应ni的疲劳裂纹扩展速率：

(da/dn)i＝b1/c2+2b2(ni-c1)/c2²(5)

计算裂纹尖端的应力强度因子幅值δk：

式中，δp表示疲劳载荷范围，1≥α＝a/w≥0.2时有效。

以(da/dn)i为纵坐标而以δk为横坐标形成一个曲线，基于断裂力学中的paris公式da/dn＝c(δk)m拟合得到材料固有参数c和m。

利用固定磁探头得到循环次数ni时的压磁-应力(b-σ)滞回曲线，见图2，其中b为磁感应强度，σ为试样名义应力，计算该曲线的极值比rd：

其中，σd为极值点对应的应力，σy为材料的屈服强度。

以δk为纵坐标而以曲线的极值比rd为横坐标形成一个曲线，拟合得到：

δk＝α1·rd2+β1·rd+γ1(8)

其中，α1、β1、γ1为拟合参数。

沿着预先设定的检测线移动磁探头检测得到磁场强度分量hp(y)，以磁场强度分量hp(y)为纵坐标而以检测线长度x为横坐标形成一个曲线，计算曲线波峰波谷之间对应的δx，以裂纹长度a为纵坐标而以δx为横坐标形成一个曲线，拟合得到：

a＝α2·δx2+β2·δx+γ2(9)

其中，α2、β2、γ2为曲线拟合参数。

基于断裂力学中的paris公式da/dn＝c(δk)m，得到剩余疲劳寿命：

其中，a0为疲劳裂纹起始长度，可通过直接测量或者每次检测前通过检测磁场分布并根据式(6)得到，对于本发明中的作为示例的ct试样，a0＝5.6mm；ac为疲劳裂纹扩展临界长度，根据断裂力学由下式可确定：

变换可得：

其中，式(8)式(9)中，kic为材料的平面应变断裂韧度，为材料固有参数；σ为名义应力，即按照无裂纹计算的应力；y为形状系数，与裂纹大小和位置有关；对于本发明中的作为示例的ct试样：

其中，α＝a/w。

将式(8)、式(9)和式(12)代入式(13)可得基于弱磁信号特征参数定量预测得到的铁磁性材料的剩余疲劳寿命：