利用鐵磁材料表面雜散磁場信號監測疲勞損傷的方法

專利名稱：利用鐵磁材料表面雜散磁場信號監測疲勞損傷的方法
技術領域：
本發明涉及一種利用自發的表面雜散磁場信號評價承受疲勞載荷 的鐵磁零部件疲勞損傷程度的方法，屬于磁性無損檢測技術領域。
技術背景鐵磁材料作為一種強磁性物質，具有良好的強度、硬度、塑性、韌性等 特點，廣泛應用于工業生產的各個領域。機械裝備中許多關鍵部件都是由鐵 磁材料制成，這些部件很多處于交變載荷反復作用的工況環境下，疲勞失效 是它們最主要的破壞形式。疲勞破壞是一個緩慢的延滯破壞過程，通常是在低于屈服極限的交變應 力作用下發生的，宏觀上無明顯塑性變形，破壞時具有隱蔽性，常引發災難 性后果。因此，實時監測鐵磁材料疲勞損傷程度，進而預測鐵磁構件的剩余壽 命一直是學術界及工程界關注的熱點和難點問題，當疲勞裂紋己經產生且達到一定尺寸時，常規的無損檢測技術如超聲波 法、渦流法、滲透法、磁粉法即能發現缺陷。而在宏觀疲勞裂紋出現之前的 早期疲勞損傷階段，由于沒有明顯的微觀和宏觀物理參量的變化，檢測非常 困難。當前針對這一階段的檢測應用較多的是聲發射技術，聲發射技術通過 "監聽"零件結構變化而發射出來的聲波信號，來實現對鐵磁材料疲勞損傷的動態監控。雖然聲發射現象早在50年代已經發現，但由于檢測時必須加載、 背景噪聲干擾等問題限制了它的實際應用。此外，近年來有報導采用磁性無損檢測技術，如磁巴克豪森噪聲法、磁 聲發射法等檢測鐵磁材料損傷狀態，這些方法一方面還處于基礎研究階段， 尚不成熟，另一方面它們進行檢測時需對構件進行磁化，需附加磁化設備及 退磁裝置。處于地磁場環境中的鐵磁構件，受地磁場及載荷的影響，其表面會產生 自發的雜散磁場信號，目前通過檢測該雜散磁場的法向分量Hp(y)零值點并結 合磁場梯度最大值k可以定性判斷鐵磁材料應力集中的位置，即潛在的危險 區域。這一技術又被稱為金屬磁記憶技術。已有技術中，僅有申請號200410067574.7，公開號CN 1603812A的中國 發明專利——汽車退役曲軸剩余疲勞壽命的檢測方法，提出首先應用渦流技 術檢測退役曲軸的危險部位，如發現有裂紋存在，則認為其剩余壽命不足以 維持下一個生命周期；在沒有裂紋產生的條件下，應用金屬磁記憶技術檢測 該部位的應力變形狀況，根據應力變形狀況與剩余壽命之間的映射關系來評 價其剩余壽命是否足以維持下一次生命周期。該方法針對的是已退役報廢的 汽車曲軸，目的是根據其危險部位的應力變形狀況，考慮是否具有再制造的 可能性。而對于服役過程中的承受疲勞載荷的鐵磁構件，由于疲勞載荷通常 低于材料的屈服極限，尤其是早期服役階段，鐵磁構件的危險部位不會出現 可測量的應變，難以利用應力與變形狀況評價鐵磁材料的損傷程度。并且上 述方法沒有提出明確的應力變形狀況與剩余壽命的映射關系。 發明內容本發明的目的是發明一種能在卸載狀態下實現動態監控鐵磁構件疲勞損 傷程度的新型檢測方法。本發明所提供的是一種利用鐵磁構件表面自發產生的雜散磁場的法向分量Hp(y)信號，可以由Hp(y)信號曲線的斜率Ks的變化確定構件經歷的疲勞循 環次數N(即疲勞壽命)，進而可以預測其剩余壽命，實現評價鐵磁材料疲勞 損傷程度的目標。本發明通過如下技術方案實現1) 采用和被測鐵磁構件相同材質的材料制作成板狀光滑標準拉伸試樣， 按照被測構件的熱處理規范對標準試樣進行最終熱處理，熱處理工藝的最高 加熱溫度超過材料的居里點溫度，使標準試件表面獲得純凈的初始磁狀態； 其中最終熱處理是試件精加工后使用前進行的熱處理。2) 磁傳感器垂直試件表面，按照固定提離值，分別掃描標準試件表面的 檢測線，獲得試件初始狀態下檢測線表面雜散磁場的法向分量Hp(y)信號；對 于標準板狀光滑件的檢測線的間距沒有特殊要求。3) 設定疲勞試驗參數，進行疲勞試驗，疲勞循環至預定次數N后，利用 磁傳感器，按照第2)步所述方法，以相同的固定提離值，掃描標準試件表面 的各檢測線，獲得該循環次數下雜散磁場法向分量信號；N的確定根據試件 的預測壽命，考慮檢測的方便性確定。在步驟3)中具體的疲勞實驗參數要根 據試件的不同要求來設定。4) 重復步驟3)，直至試件斷裂；在上述步驟中磁傳感器測得的磁信號 經計算處理，建立檢測線表面雜散磁場法向分量HP (y)與疲勞循環次數N的關 系曲線； 5) 提取不同循環次數下檢測線磁曲線的斜率L，建立斜率K,與循環次數N的對應關系曲線，確定標準試樣疲勞破壞前的臨界斜率值L。，建立疲勞裂紋萌生前Ks —N映射關系式；6) 用步驟2)所用的磁傳感器，按照和步驟2)相同提離值，按照預定 的時間間隔連續監測被測構件表面檢測線的H,(y)信號，采集的信號經計算處 理，提取磁曲線的斜率L，將獲得的L值與第5)步中確定的臨界斜率值L。 對比，L》L時，認為疲勞裂紋己萌生，鐵磁構件即將破壞，采用新構件替 換；L〈L。時，則認為構件尚處于早期疲勞階段，按照步驟5) Ks—N映射關 系式確定構件的疲勞損傷程度。所述的不同循環次數下表面雜散磁場法向分量Hp(y)的測量為試件在卸載 狀態下測得。使用的磁傳感器測量精度等于或高于1A/m。本發明確定的方法，為金屬磁記憶技術引入新的檢測參量——檢測線磁 曲線的斜率Ks。這一檢測參量是利用鐵磁材料自身發射的信息來表征早期疲 勞損傷的程度。本發明在檢測過程中無需外加激勵磁場及退磁裝置，不需要對試件表面 作任何預處理，檢測簡便，檢測結果精度高、重復性好。即使試件卸載，該 磁信號依然存在，易于實現動態監控鐵磁材料的疲勞損傷程度。


圖1為檢測試件及檢測線示意2為檢測線磁曲線斜率Ks與循環次數N關系圖具體實施方式
本發明通過如下措施來實現被測構件材料為18CrNiWAVA鋼，金屬磁記憶檢測儀器為EMS-2003型。首先，選用和被測構件材質相同的鐵磁材料18CrNiWAVA鋼，按照國家標 準制作板狀光滑疲勞試件。按照被測構件的熱處理規范對標準試樣進行最終 熱處理，在真空度為8xlO"Pa的WZC-30型的真空熱處理爐中加熱至860QC， 保溫30分鐘，油淬，而后18(^C回火，水冷至室溫，獲得純凈的初始磁狀態。其次，在試件長度240 mm表面標示出2條平行檢測線，檢測線長lOOmm， 兩線垂直間隔距離10mm，如附圖1所示。采用EMS-2003金屬磁記憶檢測儀，其磁傳感器基于霍耳元件，檢測精度 為lA/m。傳感器垂直試件表面，提離值lmm，以直線行進方式(掃描方向如
圖l箭頭所示)分別掃描兩條檢測線，采集試件初始狀態下表面雜散磁場的法向分量信號，經Origin軟件處理，獲得初始狀態下Hp(y)值分布。提離值的選取要綜合考慮鐵磁構件的形狀、尺寸、表面質量、雜散磁場 的強弱等多種因素來確定。提離值小，即傳感器靠近表面，檢測精度高。在 本實施例中，針對我們目前用的傳感器，前期研究結果顯示，當提離值超過 10mm以后，采集的信號就有些失真，超過15mm將影響檢測結果，會導致誤 判。因此在具體測試中選擇提離值lmm。而后，對試件施加恒幅拉拉疲勞載荷，最大應力o"自=560MP"，應力比/ =0，頻率/=10&。試件加載到預定循環次數后，卸載取下試件，將試件沿 南北方向放置于非磁性三維平臺上，由三維電控掃描架控制金屬磁記憶檢測 儀的探頭沿檢測線按照固定方式移動，獲取各檢測線表面Hp(y)數據，磁信號 送入計算機處理，獲得該循環次數下表面雜散磁場法向分量分布。重復上述 步驟，獲得不同循環次數下試件表面雜散磁場法向分量分布圖，直至試件斷 裂。提取不同循環次數下的磁曲線斜率L值，作出L值與循環次數N之間的 關系曲線如附圖2所示。確定斜率臨界值Ks。二1.8;采用多項式擬和L一N之間的映射關系Ks = 1. 12213+0. 38358N-0. 0977N2+0. 0097N3 (1)最后，檢測相同熱處理狀態的18CrNiWA鋼構件，根據構件的工況條件劃 定檢測線。分別在服役壽命的早期、中期、后期，將被測構件卸載沿南北方 向放置，磁傳感器提離值lmm，按照上述方式掃査各檢測線，采集構件表面的 Hp(y)信號，經Origin軟件處理，提取磁曲線斜率Ks值，乘以修正因子后，與 L二1.8對比，判斷有無疲勞裂紋萌生，如已萌生疲勞裂紋，則認為該構件已 接近壽命末期，采用新件替換該構件；如未疲勞裂紋萌生，則按照(1)式確 定其已經歷的疲勞循環壽命N，決定該構件是否需要采用高新表面加工技術進 行修復。
權利要求
1.一種利用鐵磁材料表面雜散磁場信號監測疲勞損傷的方法，其特征在于，包括以下步驟1)采用和被測鐵磁構件相同材質的材料制作成板狀光滑標準拉伸試樣，按照被測構件的熱處理規范對標準試樣進行最終熱處理，熱處理工藝的最高加熱溫度超過材料的居里點溫度，使標準試件表面獲得純凈的初始磁狀態；2)磁傳感器垂直試件表面，按照固定提離值，分別掃描標準試件表面的檢測線，獲得試件初始狀態下檢測線表面雜散磁場的法向分量Hp(y)信號3)設定疲勞試驗參數，進行疲勞試驗，疲勞循環至預定次數N后，利用磁傳感器，按照第2)步所述方法，以相同的固定提離值，掃描標準試件表面的各檢測線，獲得該循環次數下雜散磁場法向分量信號；4)重復步驟3)，直至試件斷裂；在上述步驟中磁傳感器測得的磁信號經計算處理，建立檢測線表面雜散磁場法向分量Hp(y)與疲勞循環次數N的關系曲線；5)提取不同循環次數下檢測線磁曲線的斜率Ks，建立斜率Ks與循環次數N的對應關系曲線，確定標準試樣疲勞破壞前的臨界斜率值Ksc，建立疲勞裂紋萌生前Ks-N映射關系式；6)用步驟2)所用的磁傳感器，按照和步驟2)相同提離值，按照預定的時間間隔連續監測被測構件表面檢測線的Hp(y)信號，采集的信號經計算處理，提取磁曲線的斜率Ks，將獲得的Ks值與第5)步中確定的臨界斜率值Ksc對比，Ks≥Ksc時，認為疲勞裂紋已萌生，鐵磁構件即將破壞，采用新構件替換；Ks＜Ksc時，則認為構件尚處于早期疲勞階段，按照步驟5)Ks-N映射關系式確定構件的疲勞損傷程度。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述的不同循環次數下表 面雜散磁場法向分量Hp(y)的測量為試件在卸載狀態下測得。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述方法中使用的磁傳感 器測量精度等于或高于1A/m。
全文摘要
利用鐵磁材料表面雜散磁場信號監測疲勞損傷的方法屬于磁性無損檢測領域。鐵磁構件早期服役階段不會出現可測量的應變，難以評價損傷程度。本發明制作和被測構件材質、熱處理狀態相同的光滑板狀標準疲勞試件，經高溫退磁，獲得純凈的初始磁狀態，施加恒幅拉拉疲勞載荷，對應預定循環次數，卸載檢測試件表面各檢測線雜散磁場法向分量，提取不同循環磁曲線斜率值K_s，確定臨界斜率值K_sc，建立疲勞裂紋萌生前斜率K_s與疲勞循環次數N的映射關系式。按相同提離值檢測被測構件，將所測得的磁曲線斜率值K_s與臨界斜率值K_sc對比，確定疲勞損傷程度。本發明操作簡便，檢測結果準確，可在卸載狀態下實現動態監鐵磁構件的早期疲勞損傷程度。
文檔編號G01R33/14GK101126799SQ20071017525
公開日2008年2月20日 申請日期2007年9月28日 優先權日2007年9月28日
發明者徐濱士, 丹 王, 董世運, 董麗虹 申請人:中國人民解放軍裝甲兵工程學院