异种钢对接接头残余应力的金属磁记忆评价(附件)【字数：12490】
摘 要摘 要焊接残余应力是焊接结构质量评定的重要参数之一，因而探讨可无损、快速测量焊接残余应力的技术与方法对焊接结构可靠性具有重要意义。目前，常用的无损检测方法主要有射线检测、超声波检测、磁力检测、涡流检测及渗透检测，这些方法各有其使用的限定条件且只能检测出已形成的宏观缺陷，对检测材料隐性不连续部位（即应力集中部位）存在局限。而金属磁记忆检测技术不仅可以发现宏观缺陷并且能够指示无宏观缺陷的应力集中部位，从而具有早期诊断、预警能力。鉴于此，本文以Q235钢与45钢对接焊接接头为评价对象，在金属磁记忆信号对应力响应机理分析基础上，探讨Q235钢与45钢对接焊应力的金属磁记忆评价技术，结合弹塑性变形理论及压磁理论澄清其评价机理。在此基础上，本文借助真空热处理方法，获得无初始磁信号的Q235钢与45钢，进而利用金属磁记忆信号特征参量标定实验，分别建立Q235钢与45钢的磁场强度梯度与应力间对应关系，最终实现Q235钢与45钢对接焊应力的金属磁记忆评价。结果表明，金属磁记忆信号检测位置不同，Q235钢与45钢标定试样的金属磁记忆信号随应力的变化规律基本相同，只是信号幅值略有不同；加载应力不同时，Q235钢与45钢试样Hp(y)磁信号随其摆放角度的变化规律基本相同。Q235钢与45钢试样散射磁场强度梯度随试样摆放角度的变化规律基本相同，即随试样摆放角度增大，其散射磁场强度梯度逐渐变大，当试样摆放角度达到90°时，其散射磁场强度梯度达到最大值，再随试样摆放角度增大，其散射磁场强度梯度逐渐减小；随应力σ的增加，Q235钢试样与45钢试样散射磁场强度梯度k值基本呈线性规律变大，但是Q235钢试样的k值增大的速率比45钢的大。结合试样静载拉伸断口分析理论认为，45钢与Q235钢各向异性组织引起的不均匀弹塑性变形是导致上述结果的主要原因。关键词: 金属磁记忆； 应力； 无损评价； 磁场强度梯度； 碳含量
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2 金属磁记忆技术评价应力的研究现状 2
1.3 本课题主要研究内容 6
第二章 实验设备及材料 7
2.1实验材料 7
2.2实验设备 7
2.2.1 EMS2003智能金属磁记忆/涡流检测诊断仪 7 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
2.2.2 CMT 5205型静载拉伸实验设备 7
2.2.3 WZS20型双室真空烧结炉 8
2.2.4 材料金相显微镜 9
2.2.5 JSM6480型扫描电子显微镜 10
第三章 实验结果及分析 11
3.1 实验材料Hp(y)磁信号采集步骤 11
3.2 实验结果与分析 13
3.2.1 试样摆放角度对Hp(y)磁信号的影响 16
3.2.2 碳含量对Hp(y)磁信号的影响 17
3.3. 理论分析 20
3.4. 本章小结................................................................................................................... 22
第四章 对接接头应力的金属磁记忆评价 23
4.1 对接接头试样的制备 23
4.2 对接接头Hp(y)磁信号采集 24
4.3 实验结果分析 24
4.3.1 Q235钢对接接头应力评价结果分析 24
4.3.2 Q235钢与45钢对接接头应力评价结果分析 25
结论 28
致谢 29
参 考 文 献 30
第一章 绪论
1.1课题研究背景及意义
在工业生产中，焊接技术扮演着非常重要的角色，尤其是在制造业及材料加工方面，在这些领域我们都能看到焊接的身影。然而焊接的缺陷也有很多缺点，内应力就是其中非常大的一个问题，内应力是由焊接过程中非均匀的热膨胀和收缩产生的，内应力会降低工件的强度和韧性，并导致焊接部位产生应力腐蚀而开裂。焊接结束后残留在焊件内部的应力称之为焊接残余应力，焊接残余应力长期存在于焊接构件中，对应力腐蚀开裂、疲劳强度、结构刚度影响很大[1]。焊接残余应力还影响构件的加工精度、尺寸稳定性。正是因为焊接残余应力对焊接结构存在这么多的影响，所以其才能成为诸多事故的根本原因[2]。对金属焊接残余应力进行分析和定量检测，是评价焊接结构质量的重要依据[3]。
目前，应力评价方法可分为有损检测和无损检测两大类。虽然有损检测方法可在一定程度上实现应力的评价，但存在一定的问题，如小孔法是在破坏试样完整性基础上实现应力评价，弯曲法是在破坏试样整体使用性能的基础上实现应力评价，且上述方法均为抽样检测，为再制造零部件质量带来极大安全隐患。无损检测是在保证试样整体使用性能和完整性基础上实现应力评价的一系列方法，如X射线法、光学法、磁信号法、超声波法等。其中光学法对检测环境要求较高，不能实现应力的在线评价；射线法对辅助装置要求较高，且价格昂贵。相比而言，磁记忆[4]法具有快速、安全、方便、适于现场检测等优点，不仅避免抽样检测造成的质量安全隐患，而且可实现再制造零部件的在线监测或检测，因而在应力评价领域得到众多学者的广泛关注。
金属磁记忆检测技术主要特点有以下几个方面：
1)准确可靠地探测出被检对象上以应力集中区为特征的危险部位，是迄今为止对铁磁性部件进行早期诊断的唯一行之有效的无损检测方法。
2)无须专门的磁化装置进行外加磁场激励，利用工件制造和使用过程中形成的自有漏磁场实现对铁磁性构件的快速检测。它是继声发射[5]之后第二次利用结构自身发射信息的方法。
3)不需要对被检测工件的表面进行清理、打磨或其它预处理。降低劳动强度，提高检测效率。
4)设备轻便、操作简单、灵敏度高、重复性与可靠性好。
1.2 金属磁记忆技术评价应力的研究现状
金属磁记忆检测方法的应用基础是处于工况条件下的铁磁构件所产生的磁记忆效应。当处于地磁场环境中的铁磁性构件受到外部载荷作用时，在应力集中区域会产生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向和不可逆的重新取向，该部位会出现磁畴的固定节点，产生磁极，形成退磁场，从而使此处铁磁金属的导磁率最小，在金属表面形成漏磁场。该漏磁场强度的切向分量具有最大值，而法向分量改变符号并具有零值。这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后依然保留 “记忆”着应力集中的位置，即所谓的磁记忆效应[6]。磁记忆检测原理如图11所示。
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图 11 磁记忆检测原理
相对于常规超声波技术发展时间长、检测技术成熟而言，金属磁记忆技术及其相关研究开展时间较短。它是由俄罗斯学者杜波夫于1997年在第50届国际焊接学术会议上首次提出，并在上世纪九十年代末引入中国，虽然该技术在现阶段应用范围较小，但由于具有十分突出的特点而得到广泛关注。目前，清华大学、南昌航空大学、哈尔滨工业大学、装甲兵工程学院等已致力于该技术机理及其应用的研究。
金属磁记忆技术是以铁磁性材料为研究对象，基于其在大地磁场中所产生的磁记忆效应对材料表层应力和缺陷导致的铁磁性材料磁场变化分析而实现材料表层应力和缺陷评价的一种技术。除此之外，该项技术在寿命评估和预测领域也具有相当大潜力[78]。与其它磁信号方法（磁巴克豪森噪声法、磁声发射法等）相比，该项技术最突出的优点是不需外加激励磁场对待检构件进行磁化，检测结果具有可靠性高和重复性好等优点，同时检测设备体积小、便于携带，适于现场检测。
由于力磁机械效应，在加工及服役过程中，铁磁性材料内部磁畴结构及其分布都会发生改变，从而在应力集中区表现为局部磁场增强的现象，且在外力消除后该影响仍会保留，即可“记忆”铁磁性材料应力集中位置及其损伤程度，因而该技术称为金属磁记忆技术。理论研究表明，在应力集中部位，铁磁性材料表面漏磁场的水平分量达到最大值，法向分量则以较大梯度值通过零点。但相关研究[911]表明，采用磁场强度法向分量Hp(y)对铁磁性材料应力损伤进行评价更为合适。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2 金属磁记忆技术评价应力的研究现状 2
1.3 本课题主要研究内容 6
第二章 实验设备及材料 7
2.1实验材料 7
2.2实验设备 7
2.2.1 EMS2003智能金属磁记忆/涡流检测诊断仪 7 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
2.2.2 CMT 5205型静载拉伸实验设备 7
2.2.3 WZS20型双室真空烧结炉 8
2.2.4 材料金相显微镜 9
2.2.5 JSM6480型扫描电子显微镜 10
第三章 实验结果及分析 11
3.1 实验材料Hp(y)磁信号采集步骤 11
3.2 实验结果与分析 13
3.2.1 试样摆放角度对Hp(y)磁信号的影响 16
3.2.2 碳含量对Hp(y)磁信号的影响 17
3.3. 理论分析 20
3.4. 本章小结................................................................................................................... 22
第四章 对接接头应力的金属磁记忆评价 23
4.1 对接接头试样的制备 23
4.2 对接接头Hp(y)磁信号采集 24
4.3 实验结果分析 24
4.3.1 Q235钢对接接头应力评价结果分析 24
4.3.2 Q235钢与45钢对接接头应力评价结果分析 25
结论 28
致谢 29
参 考 文 献 30
第一章 绪论
1.1课题研究背景及意义
在工业生产中，焊接技术扮演着非常重要的角色，尤其是在制造业及材料加工方面，在这些领域我们都能看到焊接的身影。然而焊接的缺陷也有很多缺点，内应力就是其中非常大的一个问题，内应力是由焊接过程中非均匀的热膨胀和收缩产生的，内应力会降低工件的强度和韧性，并导致焊接部位产生应力腐蚀而开裂。焊接结束后残留在焊件内部的应力称之为焊接残余应力，焊接残余应力长期存在于焊接构件中，对应力腐蚀开裂、疲劳强度、结构刚度影响很大[1]。焊接残余应力还影响构件的加工精度、尺寸稳定性。正是因为焊接残余应力对焊接结构存在这么多的影响，所以其才能成为诸多事故的根本原因[2]。对金属焊接残余应力进行分析和定量检测，是评价焊接结构质量的重要依据[3]。
目前，应力评价方法可分为有损检测和无损检测两大类。虽然有损检测方法可在一定程度上实现应力的评价，但存在一定的问题，如小孔法是在破坏试样完整性基础上实现应力评价，弯曲法是在破坏试样整体使用性能的基础上实现应力评价，且上述方法均为抽样检测，为再制造零部件质量带来极大安全隐患。无损检测是在保证试样整体使用性能和完整性基础上实现应力评价的一系列方法，如X射线法、光学法、磁信号法、超声波法等。其中光学法对检测环境要求较高，不能实现应力的在线评价；射线法对辅助装置要求较高，且价格昂贵。相比而言，磁记忆[4]法具有快速、安全、方便、适于现场检测等优点，不仅避免抽样检测造成的质量安全隐患，而且可实现再制造零部件的在线监测或检测，因而在应力评价领域得到众多学者的广泛关注。
金属磁记忆检测技术主要特点有以下几个方面：
1)准确可靠地探测出被检对象上以应力集中区为特征的危险部位，是迄今为止对铁磁性部件进行早期诊断的唯一行之有效的无损检测方法。
2)无须专门的磁化装置进行外加磁场激励，利用工件制造和使用过程中形成的自有漏磁场实现对铁磁性构件的快速检测。它是继声发射[5]之后第二次利用结构自身发射信息的方法。
3)不需要对被检测工件的表面进行清理、打磨或其它预处理。降低劳动强度，提高检测效率。
4)设备轻便、操作简单、灵敏度高、重复性与可靠性好。
1.2 金属磁记忆技术评价应力的研究现状
金属磁记忆检测方法的应用基础是处于工况条件下的铁磁构件所产生的磁记忆效应。当处于地磁场环境中的铁磁性构件受到外部载荷作用时，在应力集中区域会产生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向和不可逆的重新取向，该部位会出现磁畴的固定节点，产生磁极，形成退磁场，从而使此处铁磁金属的导磁率最小，在金属表面形成漏磁场。该漏磁场强度的切向分量具有最大值，而法向分量改变符号并具有零值。这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后依然保留 “记忆”着应力集中的位置，即所谓的磁记忆效应[6]。磁记忆检测原理如图11所示。
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图 11 磁记忆检测原理
相对于常规超声波技术发展时间长、检测技术成熟而言，金属磁记忆技术及其相关研究开展时间较短。它是由俄罗斯学者杜波夫于1997年在第50届国际焊接学术会议上首次提出，并在上世纪九十年代末引入中国，虽然该技术在现阶段应用范围较小，但由于具有十分突出的特点而得到广泛关注。目前，清华大学、南昌航空大学、哈尔滨工业大学、装甲兵工程学院等已致力于该技术机理及其应用的研究。
金属磁记忆技术是以铁磁性材料为研究对象，基于其在大地磁场中所产生的磁记忆效应对材料表层应力和缺陷导致的铁磁性材料磁场变化分析而实现材料表层应力和缺陷评价的一种技术。除此之外，该项技术在寿命评估和预测领域也具有相当大潜力[78]。与其它磁信号方法（磁巴克豪森噪声法、磁声发射法等）相比，该项技术最突出的优点是不需外加激励磁场对待检构件进行磁化，检测结果具有可靠性高和重复性好等优点，同时检测设备体积小、便于携带，适于现场检测。
由于力磁机械效应，在加工及服役过程中，铁磁性材料内部磁畴结构及其分布都会发生改变，从而在应力集中区表现为局部磁场增强的现象，且在外力消除后该影响仍会保留，即可“记忆”铁磁性材料应力集中位置及其损伤程度，因而该技术称为金属磁记忆技术。理论研究表明，在应力集中部位，铁磁性材料表面漏磁场的水平分量达到最大值，法向分量则以较大梯度值通过零点。但相关研究[911]表明，采用磁场强度法向分量Hp(y)对铁磁性材料应力损伤进行评价更为合适。
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