金属磁记忆技术评价应力的影响因素研究(附件)【字数：13791】
摘 要摘 要社会的进步离不开材料科学的发展，钢铁材料在建筑业铁路、桥梁、机场、基础设施和建筑物等方面用途广泛。所以进行无损检测、监测腐蚀、裂纹等缺陷以确保安全很重要也有必要。常规的无损检测技术，如磁粉探伤和超声波检测，只能检测已经发现的缺陷。到目前为止，有一种新的无损检测方法，称为金属磁记忆，因为它在诊断金属的疲劳损伤和缺损前状态的早期诊断中很有潜力，近来逐渐成为一个新兴的领域。但由于目前对该项检测技术机理的研究并没有同一意见，所以仍需要对该项技术做进一步研究。铁磁性材料的信号较弱，易受到多种环境因素的影响。本课题选取了工业方面常见的几种影响因素，使用光滑静载拉伸试样与焊接接头试样，在试样中间平行端划分五条路径，在不同的退磁方法下、结合不同载荷的影响、使用不同的提离值、以不同的测试角度、不同的检测方向以及对试样的不同检测路径下，横向和纵向研究了材料表面磁记忆信号分布的规律，包括对其信号的曲线的斜率值进行对比和分析，探究各因素对磁记忆信号更深层次的影响。此外，还选用了Q235钢的焊接接头试样，在试样表面划分焊缝、热影响区、母材等区域方便研究路径对磁记忆信号的影响，并画出垂直于焊缝的路径，对磁记忆检测时受到以上因素影响的规律进行了研究和探讨，并与光滑静载拉伸试样得出的规律进行比较。关键词金属磁记忆检测法；磁记忆信号；影响因素
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 金属磁记忆评价应力的研究现状 1
1.3 课题主要研究内容 4
第二章 试验材料、设备及方法 5
2.1 试验材料 5
2.2 试样制备 5
2.2.1 静载拉伸试样 5
2.2.2 试样预处理 7
2.3 试验仪器及设备 7
2.3.1 退磁设备 7
2.3.2 力学性能试验设备 8
2.3.3 磁记忆信号检测设备及装置 9
2.3.3.2 非铁磁性三维电控位移平台 10
2.4 试验方法 10
第三章 静载拉伸条件下金属磁记忆信号影响因素研究 12
3.1 退磁前后的磁记忆信号对比 12
3.2 不同路径和外 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
加载荷对磁记忆信号的影响 14
3.3 测量方向与磁信号的关系探讨 18
3.4 测量角度与磁磁记信号关系的探讨 19
3.5 提离高度与磁记忆信号的关系探讨 22
第四章 焊接接头金属磁记忆信号研究 25
4.1 不同路径对焊接接头试样磁信号检测的影响 25
4.2 提离高度对焊接接头磁信号的影响 27
4.3 检测方向与焊接接头磁信号关系探讨 28
4.4 检测角度对焊接接头磁信号的影响研究 29
结 论 31
致 谢 32
参考文献 33
第一章 绪 论
1.1 课题研究背景及意义
对于一个企业来说，产品质量既是它的的生命。为保证作业建造质量须有严格规定和要求。结构强度指的是结构抗断裂的性质，若焊接接头有着严重的焊接品质缺陷，达不到一定强度，那么在一定强度的冲击条件下，是有可能导致部分结构失效或者断裂，乃至造成重大事故的[1]。根据船舶脆断事故的调查结果显示，焊缝缺陷处引发的脆断事故占总事故数的百分之四十[24]。由此可见，焊缝的质量缺陷就是焊接产品在质量方面的主要问题之一。所以尽早发现焊接的缺陷、客观评价焊接接头质量、将焊接的缺陷控制在一定的范围、确保设备和人身财产安全尤为重要[5]。在机械行业经济增长的背景下，焊接检验的作用变的突出。
焊接检验大致可分为三种：第一种是以各种疲劳试验为基础的疲劳试验，通过实验获得待测材料的力学性能，可以直观获得待测材料的各项性能指标是该方法的有点，但其弊端较多且难以避免[6,7]；第二中有限元模拟是以仿真的有限元技术以及数值分析来实现对待测材料的检测的，该方法由于所需实验试样数量较小，相较于疲劳试验更为经济，但仍然存在不可忽视的实验误差；第三种就是无损检测，通过检测材料的某些特性在焊接过程中的变化规律，结合表征材料的性能参数，得到无损检测对应的特征参量对材料进行检验。该方法结果误差小，执行方便，操作简易，但由于测量参数与焊接特征参量并无固定的关系，所以仍有大量课题有待研究[8,9]。
1.2 金属磁记忆评价应力的研究现状
作为一种新的无损检测技术，金属磁记忆技术（Metal Magnetic Memory Testing, MMMT），能够对应力集中的区域精准测量，在铁磁性材料无损检测技术领域带来了新的研究课题[10]。在本质上，金属磁记忆检测技术属于漏磁检测技术的一种，相比于其他检测技术，无需对应的激励磁化装置是金属磁记忆检测技术的最大优势，该方法检测缺陷和应力集中，主要是用到了应力和地磁场共同作用下，自身漏磁信息来 。
金属磁记忆检测技术，是一种利用地磁场中受载的铁磁性构件产生磁记忆效应，通过测量因缺陷和应力所致构件表面的磁场变化，达到检测结构表面以及近表面缺陷和应力集中的目的的一种无损检测法，1997年，一名名为DUBOV的俄罗斯学者，于当时举行的第50届国际焊接学术会议上首次提出，在1999年的第7届全国无损检测年会时传进中国，并迅速得到重视和推广[11]。
自该技术诞生之时起，探索其机理就成为了很多学者的兴趣，初期有DUBOV[1214]等人基于磁机械效应提出自有漏磁场理论、基于电磁学仲维畅[15]等人提出的电磁感应理论、基于铁磁学任吉林[16]及黎连修[17]等人提出能量平衡理论、英国的John Wilson等 [18]利用磁记忆技术进行应力测试证明了磁记忆信号能够有效表征类裂纹曲线和工作应力、董丽虹等[19]探究了18CrNiWA钢试件拉伸变形时金属磁记忆信号变化特点，得到在弹、塑性变形阶段金属磁记忆信号曲线分布规律不同，磁曲线斜率Ks可以用来区分这两个阶段。他们从各自角度试图对磁记忆现象作出解释，然而都并不全面。
近年来，为对磁记忆检测的机理做进一步研究，有学者用其他理论和方法试图做出解释。
比如一些学者使用麦克斯韦方程、能量学等理论及方法对金属磁记忆检测机理分析和研究。哈尔滨工业大学徐敏强[20]等人，根据居里定律、循环关系和磁介质的麦氏关系，建立了应力集中区磁畴磁场和试件的极性的关系模型；得到铁磁体表面所测磁场是缺陷处的漏磁场、试件本身的感应磁场以及环境磁场的矢量叠加所致的结论。
利用磁偶极子理论，北京理工大学王朝霞[21]等根据磁偶极子的空间磁场分布，建立了稳恒微弱地磁场中管类试样的线状缺陷段所产生的漏磁场模型，并导出其法相分量计算公式。
燕山大学常福清[22]等人以微磁学基本理论为出发点，根据最小能量原理并结合了拉格朗日乘数法，得出外力作用下铁磁材料内应力及其磁化率改变量之间线性关系的存在。根据位错离理论以及试件的断裂机制，建立了畴壁聚合模型，且在应力集中区建立了带磁偶极子模型以用来计算试件表面的漏磁场，它能很好地解释应力集中区磁场的变化。
为证实应力集中区中磁导率是线性分布的，王正道[23]等人根据磁导率，从铁磁性材料磁导率与塑性应变存在现象递减这一规律出发，采用了有限元模拟，分析研究了铁磁体表面的漏磁场的数值，并且他们利用Jiles有效场提出了磁力的“磁弹塑性”物理模型，是针对如今的磁力耦合的本构模型中多数都是“磁弹”的耦合模型，而没有“磁塑性”的物理模型，这样就能较好地解释一些现象，但它也有两个不足之处：一，无法得到对应的漏磁场表达式；二，不能解释地磁场是磁记忆检测中不能忽视的现象。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 金属磁记忆评价应力的研究现状 1
1.3 课题主要研究内容 4
第二章 试验材料、设备及方法 5
2.1 试验材料 5
2.2 试样制备 5
2.2.1 静载拉伸试样 5
2.2.2 试样预处理 7
2.3 试验仪器及设备 7
2.3.1 退磁设备 7
2.3.2 力学性能试验设备 8
2.3.3 磁记忆信号检测设备及装置 9
2.3.3.2 非铁磁性三维电控位移平台 10
2.4 试验方法 10
第三章 静载拉伸条件下金属磁记忆信号影响因素研究 12
3.1 退磁前后的磁记忆信号对比 12
3.2 不同路径和外 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
加载荷对磁记忆信号的影响 14
3.3 测量方向与磁信号的关系探讨 18
3.4 测量角度与磁磁记信号关系的探讨 19
3.5 提离高度与磁记忆信号的关系探讨 22
第四章 焊接接头金属磁记忆信号研究 25
4.1 不同路径对焊接接头试样磁信号检测的影响 25
4.2 提离高度对焊接接头磁信号的影响 27
4.3 检测方向与焊接接头磁信号关系探讨 28
4.4 检测角度对焊接接头磁信号的影响研究 29
结 论 31
致 谢 32
参考文献 33
第一章 绪 论
1.1 课题研究背景及意义
对于一个企业来说，产品质量既是它的的生命。为保证作业建造质量须有严格规定和要求。结构强度指的是结构抗断裂的性质，若焊接接头有着严重的焊接品质缺陷，达不到一定强度，那么在一定强度的冲击条件下，是有可能导致部分结构失效或者断裂，乃至造成重大事故的[1]。根据船舶脆断事故的调查结果显示，焊缝缺陷处引发的脆断事故占总事故数的百分之四十[24]。由此可见，焊缝的质量缺陷就是焊接产品在质量方面的主要问题之一。所以尽早发现焊接的缺陷、客观评价焊接接头质量、将焊接的缺陷控制在一定的范围、确保设备和人身财产安全尤为重要[5]。在机械行业经济增长的背景下，焊接检验的作用变的突出。
焊接检验大致可分为三种：第一种是以各种疲劳试验为基础的疲劳试验，通过实验获得待测材料的力学性能，可以直观获得待测材料的各项性能指标是该方法的有点，但其弊端较多且难以避免[6,7]；第二中有限元模拟是以仿真的有限元技术以及数值分析来实现对待测材料的检测的，该方法由于所需实验试样数量较小，相较于疲劳试验更为经济，但仍然存在不可忽视的实验误差；第三种就是无损检测，通过检测材料的某些特性在焊接过程中的变化规律，结合表征材料的性能参数，得到无损检测对应的特征参量对材料进行检验。该方法结果误差小，执行方便，操作简易，但由于测量参数与焊接特征参量并无固定的关系，所以仍有大量课题有待研究[8,9]。
1.2 金属磁记忆评价应力的研究现状
作为一种新的无损检测技术，金属磁记忆技术（Metal Magnetic Memory Testing, MMMT），能够对应力集中的区域精准测量，在铁磁性材料无损检测技术领域带来了新的研究课题[10]。在本质上，金属磁记忆检测技术属于漏磁检测技术的一种，相比于其他检测技术，无需对应的激励磁化装置是金属磁记忆检测技术的最大优势，该方法检测缺陷和应力集中，主要是用到了应力和地磁场共同作用下，自身漏磁信息来 。
金属磁记忆检测技术，是一种利用地磁场中受载的铁磁性构件产生磁记忆效应，通过测量因缺陷和应力所致构件表面的磁场变化，达到检测结构表面以及近表面缺陷和应力集中的目的的一种无损检测法，1997年，一名名为DUBOV的俄罗斯学者，于当时举行的第50届国际焊接学术会议上首次提出，在1999年的第7届全国无损检测年会时传进中国，并迅速得到重视和推广[11]。
自该技术诞生之时起，探索其机理就成为了很多学者的兴趣，初期有DUBOV[1214]等人基于磁机械效应提出自有漏磁场理论、基于电磁学仲维畅[15]等人提出的电磁感应理论、基于铁磁学任吉林[16]及黎连修[17]等人提出能量平衡理论、英国的John Wilson等 [18]利用磁记忆技术进行应力测试证明了磁记忆信号能够有效表征类裂纹曲线和工作应力、董丽虹等[19]探究了18CrNiWA钢试件拉伸变形时金属磁记忆信号变化特点，得到在弹、塑性变形阶段金属磁记忆信号曲线分布规律不同，磁曲线斜率Ks可以用来区分这两个阶段。他们从各自角度试图对磁记忆现象作出解释，然而都并不全面。
近年来，为对磁记忆检测的机理做进一步研究，有学者用其他理论和方法试图做出解释。
比如一些学者使用麦克斯韦方程、能量学等理论及方法对金属磁记忆检测机理分析和研究。哈尔滨工业大学徐敏强[20]等人，根据居里定律、循环关系和磁介质的麦氏关系，建立了应力集中区磁畴磁场和试件的极性的关系模型；得到铁磁体表面所测磁场是缺陷处的漏磁场、试件本身的感应磁场以及环境磁场的矢量叠加所致的结论。
利用磁偶极子理论，北京理工大学王朝霞[21]等根据磁偶极子的空间磁场分布，建立了稳恒微弱地磁场中管类试样的线状缺陷段所产生的漏磁场模型，并导出其法相分量计算公式。
燕山大学常福清[22]等人以微磁学基本理论为出发点，根据最小能量原理并结合了拉格朗日乘数法，得出外力作用下铁磁材料内应力及其磁化率改变量之间线性关系的存在。根据位错离理论以及试件的断裂机制，建立了畴壁聚合模型，且在应力集中区建立了带磁偶极子模型以用来计算试件表面的漏磁场，它能很好地解释应力集中区磁场的变化。
为证实应力集中区中磁导率是线性分布的，王正道[23]等人根据磁导率，从铁磁性材料磁导率与塑性应变存在现象递减这一规律出发，采用了有限元模拟，分析研究了铁磁体表面的漏磁场的数值，并且他们利用Jiles有效场提出了磁力的“磁弹塑性”物理模型，是针对如今的磁力耦合的本构模型中多数都是“磁弹”的耦合模型，而没有“磁塑性”的物理模型，这样就能较好地解释一些现象，但它也有两个不足之处：一，无法得到对应的漏磁场表达式；二，不能解释地磁场是磁记忆检测中不能忽视的现象。
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