一种磁性金属构件表面应力集中区及微裂纹的磁探测方法
【技术领域】
[0001] 本发明是一种磁性金属构件表面应力集中区及微裂纹的磁探测方法，应用于铁磁 金属材料应力集中区及微裂纹检测。
【背景技术】
[0002] 广泛应用于工程实践的铁磁性金属材料（如多种碳钢、合金钢等）由于夹杂、偏析 等因素以及外部应力作用常常导致内部存在隐性不连续区域，在制造和使用过程中受载荷 的作用会发展成微观或准微观的应力集中区。应力集中会使金属材料产生疲劳裂纹，并逐 渐累积形成宏观缺陷，引起金属构件断裂，它是导致机械结构和设备失效乃至发生事故的 重要原因之一。对金属材料的损伤和应力集中程度进行检测和评估，一直是工程材料和传 感测试技术领域引人关注的问题。对于大型关键性金属构件的应力集中和损伤情况进行现 场快速检测和评定，及时准确找出最危险的应力集中区域，预防工件损坏，从而对设备的安 全性和使用寿命进行正确评估，是具有重要价值和广泛需求的一项技术。
[0003] 金属材料无损伤检测是通过利用声、光、热、电、磁等由于金属材料内部结构的形 态以及变化所做出的反应进行检测，从而查明材料内部是否存在异常或者缺陷。目前在金 属材料的无损检测领域中主要采用激光、超声波、射线、磁粉、渗透和涡流、巴克豪森磁噪声 法和磁声发射法、利用残磁和矫顽力测量机械应力法等方法对已经存在的缺陷进行检测， 具有较高的检出率，但在设备缺陷的早期检测和诊断方面研究较少，难以检测处于萌生阶 段的裂纹。这是因为，首先，导致金属构件损坏的缺陷种类很多，包括位于表面的疲劳损伤、 应力腐蚀、裂纹和剥离等，位于亚表面或者内部的斜裂纹；再者，造成损伤的机理复杂，定性 和定量评估都存在相当难度。像激光、超声、射线等大部分传统的无损检测方法仅能检测出 已发展成形的一定尺度的缺陷，而无法判别导致金属材料内部应力集中的原因、以及应力 分布状态与损伤原因之间的映射关系，因此它们对金属的早期损伤，特别是尚未成形的隐 性不连续性变化，难以实施有效的评价。
[0004] 1997年俄罗斯动力诊断公司学者Doubov A教授率先提出了一种崭新的金属诊断 技术，即金属磁记忆检测技术（metal magnetic memory，MMM)。该技术依据的是铁磁构件的 磁弹和磁机械效应，当构件受机械载荷后，受地磁场激励，在应力和变形集中区域会发生具 有磁致伸缩性质的磁畴组织定向的和不可逆的重新取向，这种磁状态的不可逆变化在机械 载荷消除后不仅会保留，还与最大作用应力有关。依据应力集中区域位错壁上磁畴边界的 固锁效应，依据构件在地磁场作用下组织和机械强度不均匀造成的漏磁效应，从而实现对 铁磁构件的应力集中程度以及是否存在微观缺陷进行评价。
[0005] 金属磁记忆检测技术问世以来，在国内外无损检测学术界引起广泛关注，被认为 是迄今为止，唯一能够对铁磁金属部件进行早期诊断（判断应力集中区和微裂纹）的无损 检测方法，已有的研究工作表明，该项技术有着巨大的发展潜力，在机械、航空、铁路、石化 等领域将有着极其广泛的应用市场。和传统的无损检测方法相比，金属磁记忆检测方法获 取的是金属部件被地磁场磁化后处于平衡状态的相对静止信息，不需要对被测表面进行任 何磁化处理，完全利用地磁场作用下部件表面的"纯天然"磁信息进行工作，是一种被动检 测方式。可以比其它方法更易实现检测仪器的小型化，并实现点磁测量。
[0006] 金属磁记忆检测技术是一种有着重要应用前景的无损检测技术，它的优点是利用 构件的自发磁化现象，不需要采用专门的磁化装置；不需要对构件表面进行专门的清理，可 保持零部件在原始状态下进行快速检测。但是由于这项技术发展历程相对较短，目前无论 在理论研究还是实际应用方面，都有不少问题有待深入探讨。第一，与其应用相比，这种技 术的基础研究却显得不足，其产生机理没有得到公认的解释；第二，到目前为止，该技术判 断应力集中的方法主要是根据法向磁场分量过零值点，这种方法的缺点是背景磁场和构件 本身形状引起的漏磁场易淡化磁记忆特征，造成漏判和错判；第三，由于金属材料表面磁信 号来源复杂，仅仅简单地检测材料的剩余磁信号，所得到的结果会有很大的不确定性，很难 排除其它因素的影响。在铁磁构件内部残余应力与表面漏磁场之间的对应关系方面，很难 建立简单明了的联系；第四，金属磁记忆检测技术本质上是一种弱磁信号检测方法，在实际 工程应用中信号容易受到外来噪声和干扰影响，单纯应用磁记忆技术准则难以准确确定应 力集中区，这使得在金属构件出现早期损伤时判断困难；第五，在无损检测技术中，缺陷的 定量检测是一个十分重要的问题。磁记忆效应实质上是一种广义的漏磁场效应，和漏磁检 测一样，也应该可以进行定量化研究。但目前还仅限于对设备和结构存在的缺陷进行定性 的评估，而对于缺陷大小、形状和磁记忆参数之间的关系，还未见到系统的实验研究，故开 展磁记忆检测的定量化研究对于工程检测实践具有重要价值和意义。
[0007] 综上所述，在金属磁记忆检测技术的基础上发展新的磁探测技术是十分必要的。 本发明旨在针对目前金属磁记忆检测技术存在的诸多问题，在金属磁记忆检测技术的基础 上，采用一种新型的磁探测技术应用于铁磁金属材料应力集中区检测，重点解决依据应力 集中区表面弱磁信号的特点来绘制应力集中区的分布图，并给出应力集中区大小、强度、 形状的定量关系，从而对金属构件可能发生的断裂地点进行早期预警。
[0008] 在传统的金属磁记忆检测技术中，对应力集中区的判断方法主要是根据法向磁场 分量过零值点，这种方法的缺点是背景磁场和构件本身形状引起的漏磁场易淡化磁记忆特 征，造成漏判和错判，另外磁信号受外来噪声和干扰影响较大，在实际工程应用中难以准确 确定应力集中区。
【发明内容】
[0009] 本发明提供一种磁性金属构件表面应力集中区及微裂纹的磁探测方法，依据应力 集中区表面弱磁信号的特点来绘制应力集中区的分布图，并给出应力集中区大小、强度、形 状的定量关系，从而对金属构件可能发生的断裂地点进行早期预警。
[0010] 本发明所采用的技术方案是：
[0011] 一种磁性金属构件表面应力集中区及微裂纹的磁探测方法，在与金属表面平行的 方向施加一个一定强度的交变磁场，用磁传感器探测金属近表面各处与外磁场垂直方向的 弱磁信号；通过锁相技术对探测到的弱磁信号进行处理，依据应力集中区表面弱磁信号的 特点来提取与应力集中区相关的特征信号，获得对应于应力集中区或微裂纹处的磁信号大 小；最后利用计算机绘图获得金属表层应力集中区分布图，并给出应力集中区大小、强度、 形状的定量关系，从而对金属构件可能发生的断裂地点进行早期预警。
[0012] 由于要将金属构件的磁化维持在畴壁的可逆位移阶段，需要控制外加交变磁场的 强度，所施加的交变磁场大小为金属构件矫顽力的1/100~1/3,在0. 010e至lOOOOe范围 里。
[0013] 所述特征信号是依据应力集中区表面弱磁信号的特点，通过跟踪外加交变磁场信 号的频率和相位，过滤掉地磁场和杂散场产生的直流信号，以及正常畴壁振动产生的交流 信号，从而获得对应于应力集中区或微裂纹处的磁信号大小。
[0014] 本发明是一种磁性金属构件表面应力集中区及微裂纹的磁探测方法，技术效果如 下：
[0015]1)、本发明针对目前金属磁记忆检测技术存在的诸多问题，在金属磁记忆检测技 术的基础上，提出了一种能行之有效的解决这些问题的新型磁探测方法，若能在工程实践 中得以有效应用，将会产生巨大经济效益和社会效益。
[0016]2)、本发明建立了金属表层应力集中区与金属近表面特征磁场之间的关联。
[0017] 3)、本发明采用了一种新型的磁探测技术应用于铁磁金属材料应力集中区检测， 将影响近表面磁场的外加磁场、地磁场、杂散磁场以及普通畴壁处磁场与应力集中区所产 生的磁场分离出来，获得较为纯净的力-磁关系图，并给出应力集中区大小、强度、形状的 定量关系，从而为金属应力集中区的在线检测提供新的测量方法，为我国工程设备的安全 性和使用寿命的正确评估增添有效的技术手段。
【附图说明】
[0018] 图1是无外加交变磁场时金属表层磁信号的分布图。
[0019] 图2是施加外加交变磁场时磁信号处理流程图。
[0020] 图3是应力集中区磁荷振荡产生的磁场示意图。
[0021 ] 图4是本发明方法流程示意图。