專利名稱：：利用異變磁信號(hào)監(jiān)測(cè)鐵磁材料疲勞裂紋擴(kuò)展的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種利用地磁場(chǎng)環(huán)境下自發(fā)產(chǎn)生的異變信號(hào)監(jiān)測(cè)疲勞裂紋擴(kuò)展的方法，適用于承受疲勞載荷的鐵磁零部件的動(dòng)態(tài)質(zhì)量控制，屬于無(wú)損檢測(cè)
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：處于地磁場(chǎng)環(huán)境中的鐵磁材料在加工制造及服役過(guò)程中表面會(huì)自發(fā)產(chǎn)生雜散磁場(chǎng)信號(hào)，可以通過(guò)檢測(cè)雜散磁場(chǎng)的法向分量Hp(y)零值點(diǎn)并結(jié)合磁場(chǎng)梯度最大值來(lái)定性判斷鐵磁材料應(yīng)力集中的位置，即潛在的危險(xiǎn)區(qū)域。這又被稱為金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)。金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)發(fā)展時(shí)間較短，其微觀物理機(jī)制尚未明確，近年來(lái)雖然對(duì)該技術(shù)展開(kāi)了大量的基礎(chǔ)研究，但多是應(yīng)用于電站、石油、管道、壓力容器等部門(mén)進(jìn)行靜態(tài)缺陷檢測(cè)、殘余應(yīng)力及應(yīng)力集中程度半定量評(píng)估，如中國(guó)專利說(shuō)明書(shū)01123977.8公布了一種利用地磁場(chǎng)檢測(cè)鐵磁性材料表面缺陷的方法，將檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后與設(shè)定的缺陷閾值對(duì)比來(lái)判斷有無(wú)表面裂紋、腐蝕坑、近表面夾渣、氣孔等缺陷；中國(guó)專利說(shuō)明書(shū)01143445.7公開(kāi)了一種應(yīng)力分布的磁檢測(cè)方法，利用地磁信號(hào)與鐵磁材料內(nèi)部應(yīng)力的線性關(guān)系測(cè)得其應(yīng)力分布。中國(guó)專利說(shuō)明書(shū)200510122191.X公布了利用金屬磁記憶檢測(cè)信號(hào)診斷管道焊接裂紋的方法，釆用小波變換理論，分析處理磁記憶檢測(cè)信號(hào)，得到判定閾值K，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接裂紋的快速無(wú)損檢測(cè)；中國(guó)專利說(shuō)明書(shū)200510122190.5公布了用金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)確定管道焊接裂紋應(yīng)力集中方法，根據(jù)磁場(chǎng)高斯定律確定管道壁內(nèi)部應(yīng)力與金屬磁記憶信號(hào)之間的關(guān)系，定義焊接裂紋尖端應(yīng)力最大值作為焊接裂紋應(yīng)力集中程度的一種度量，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道中焊接裂紋尖端應(yīng)力集中程度定量評(píng)價(jià)等。而金屬磁記憶技術(shù)在疲勞壽命預(yù)測(cè)領(lǐng)域如何應(yīng)用目前鮮有報(bào)導(dǎo)，僅有中國(guó)專利說(shuō)明書(shū)200410067574.7提出了利用渦流與磁記憶檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行汽車(chē)退役曲軸剩余疲勞壽命的檢測(cè)方法，但該方法只是首先利用渦流技術(shù)檢查退役曲軸關(guān)鍵部位有無(wú)產(chǎn)生裂紋，如無(wú)裂紋產(chǎn)生，則應(yīng)用金屬磁記憶技術(shù)檢測(cè)該部位應(yīng)力變形狀況，根據(jù)應(yīng)力變形狀況與剩余壽命之間的映射關(guān)系來(lái)評(píng)價(jià)其剩余壽命是否足以維持下一次生命周期。如有裂紋存在，則認(rèn)為其剩余疲勞壽命不足以維持一個(gè)生命周期，不再使用磁記憶技術(shù)檢測(cè)。對(duì)于承受疲勞載荷的含裂紋或可能產(chǎn)生裂紋的重要構(gòu)件，目前僅有聲發(fā)射技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，雖然聲發(fā)射現(xiàn)象早在50年代己經(jīng)發(fā)現(xiàn)，但該技術(shù)使用時(shí)必須加載，同時(shí)背景噪聲干擾等問(wèn)題限制了它的實(shí)際應(yīng)用。能否利用地磁場(chǎng)環(huán)境下鐵磁材料自身的雜散磁場(chǎng)信號(hào)監(jiān)測(cè)鐵磁材料疲勞裂紋擴(kuò)展進(jìn)而預(yù)測(cè)其剩余壽命目前尚無(wú)任何文獻(xiàn)及專利涉及。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是要解決現(xiàn)有的唯一可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控疲勞裂紋擴(kuò)展的聲發(fā)射技術(shù)使用時(shí)必須加載，在卸載狀態(tài)下無(wú)法應(yīng)用的問(wèn)題。處于地磁場(chǎng)環(huán)境中的承受疲勞載荷的鐵磁構(gòu)件，在工況條件下，其表面會(huì)產(chǎn)生自發(fā)的雜散磁場(chǎng)信號(hào)，存在疲勞裂紋的部位，雜散磁場(chǎng)信號(hào)會(huì)出現(xiàn)異變，并且隨著疲勞裂紋的擴(kuò)展，異變信號(hào)會(huì)逐漸增強(qiáng)。本發(fā)明提出的方法通過(guò)檢測(cè)疲勞過(guò)程中雜散磁場(chǎng)的法向分量Hp(y)的異變信號(hào)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控疲勞裂紋的擴(kuò)展進(jìn)程。本發(fā)明公開(kāi)了一種利用自發(fā)的異變磁信號(hào)監(jiān)測(cè)鐵磁材料疲勞裂紋擴(kuò)展的方法，其特征在于該方法包括以下步驟1)采用和被測(cè)鐵磁構(gòu)件相同材質(zhì)的材料制作成含中心穿透裂紋的板狀標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，按照被測(cè)構(gòu)件的熱處理規(guī)范對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行最終熱處理，熱處理工藝的最高加熱溫度超過(guò)材料的居里點(diǎn)溫度，使標(biāo)準(zhǔn)試件表面獲得純凈的初始磁狀態(tài)；2)磁傳感器垂直試件表面，按照固定提離值，沿垂直中心穿透裂紋方向，以直線行進(jìn)方式，沿各檢測(cè)線逐線掃描標(biāo)準(zhǔn)試件的中心穿透裂紋部位，獲得試件初始狀態(tài)下表面雜散磁場(chǎng)的法向分量Hp(y)信號(hào)；提離值指磁傳感器與試件表面的距離。固定提離值范圍0.5mm15mm;各檢測(cè)線之間距離范圍0.01mra5咖53)設(shè)定疲勞試驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，疲勞循環(huán)至預(yù)定次數(shù)N后，測(cè)得中心穿透裂紋的總長(zhǎng)度2a，利用磁傳感器，按照第2)步所述方法，掃查試件中心穿透裂紋部位，獲得該循環(huán)次數(shù)下試樣表面雜散磁場(chǎng)法向分量信號(hào)；重復(fù)上述步驟，直至試件斷裂；4)磁傳感器在上述步驟中測(cè)得的磁信號(hào)經(jīng)計(jì)算機(jī)軟件處理，建立不同疲勞循環(huán)次數(shù)下表面雜散磁場(chǎng)法向分量H卩(y)的分布5)提取對(duì)應(yīng)不同循環(huán)次數(shù)N的Hp(y)分布圖中在試件中心裂紋部位產(chǎn)生的自發(fā)異變磁信號(hào)峰峰值A(chǔ)Hp(y)，以其最大值A(chǔ)Hp(y)^作為該循環(huán)次數(shù)下的檢測(cè)閾值；6)繪制各循環(huán)次數(shù)下檢測(cè)閾值A(chǔ)Hp(y),與中心穿透裂紋總長(zhǎng)度2a的關(guān)系曲線，利用最小二乘法進(jìn)行線性擬和，得到AHp(y),-2a線性關(guān)系式；7)用上述步驟所用的磁傳感器，按照相同提離值檢測(cè)被測(cè)構(gòu)件掃查區(qū)域的表面Hp(y)信號(hào)，將所測(cè)得的異變峰峰值最大值A(chǔ)Hp(y)^與第5)步中確定的檢測(cè)閾值對(duì)比，判斷疲勞裂紋長(zhǎng)度，根據(jù)已建立的AHp(y),-2a線性關(guān)系式，獲知疲勞裂紋擴(kuò)展進(jìn)程。在上述方法中，所述中心穿透裂紋長(zhǎng)度2a的測(cè)量采用非磁性測(cè)量方法；在上述方法中，所述的不同循環(huán)次數(shù)下表面雜散磁場(chǎng)法向分量Hp(y)的測(cè)量為試件在卸載狀態(tài)下測(cè)得；在上述方法中，所述方法中使用的磁傳感器測(cè)量精度等于或大于1A/m。本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于疲勞裂紋產(chǎn)生的異變磁信號(hào)為地磁場(chǎng)環(huán)境中自發(fā)產(chǎn)生，并且異變峰峰值隨疲勞裂紋擴(kuò)展不斷增加，能夠?qū)崟r(shí)提供裂紋變化的連續(xù)性信息。無(wú)需外加激勵(lì)磁場(chǎng)及退磁裝置，即使卸載該異變信號(hào)依然保留，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控裂紋擴(kuò)展。該方法操作簡(jiǎn)便，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，重復(fù)性好。附圖l是具體實(shí)施方式的檢測(cè)試件及檢測(cè)線示意圖，其中l(wèi)是中心裂紋，2是檢測(cè)線；附圖2是具體實(shí)施方式中試件在壽命不同階段掃査區(qū)域的表面雜散磁場(chǎng)法向分量Hp(y)分布附圖3是具體實(shí)施方式中疲勞裂紋異變信號(hào)檢測(cè)閾值與中心裂紋總長(zhǎng)度線性擬和關(guān)系圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本
發(fā)明內(nèi)容。在具體實(shí)施方式中，構(gòu)件的材料是18CrNiWA鋼。首先，選用和被測(cè)構(gòu)件材質(zhì)相同的鐵磁材料18CrNiWA鋼，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T6398-2000制作含中心穿透裂紋的板狀標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件。預(yù)制的中心裂紋采用線切割技術(shù)加工，原始長(zhǎng)度2an=12mm(如附圖1所示)。按照被測(cè)構(gòu)件的熱處理規(guī)范對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)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180。C回火，水冷至室溫。使標(biāo)準(zhǔn)試件表面獲得純凈的初始磁狀態(tài)。其次，在試件表面以中心裂紋為中心劃定掃查范圍30mmX50mm，標(biāo)示出11條檢測(cè)線，相鄰檢測(cè)線間隔3mm，各檢測(cè)線垂直中心裂紋方向(如附圖l所示)。采用EMS-2003金屬磁記憶檢測(cè)儀，其磁傳感器基于霍耳元件，檢測(cè)精度為1A/m。傳感器垂直試件表面，提離值lmm，以直線行進(jìn)方式(掃描方向如圖l所示)，分別從第l條檢測(cè)線至第11條檢測(cè)線逐線掃描，各檢測(cè)線掃描長(zhǎng)度50mra。采集試件初始狀態(tài)下表面雜散磁場(chǎng)的法向分量信號(hào)，經(jīng)Origin軟件處理，獲得初始狀態(tài)下Hp(y)值分布圖(如附圖2a所示)。提離值的選取要綜合考慮鐵磁構(gòu)件的形狀、尺寸、表面質(zhì)量、雜散磁場(chǎng)的強(qiáng)弱等多種因素來(lái)確定。提離值小，即傳感器靠近表面，檢測(cè)精度高。在本實(shí)施例中，針對(duì)我們目前用的傳感器，前期研究結(jié)果顯示，當(dāng)提離值超過(guò)10mm以后，采集的信號(hào)就有些失真，超過(guò)15mm將影響檢測(cè)結(jié)果，會(huì)導(dǎo)致誤判。因此在具體測(cè)試中選擇提離值lmm。而后，對(duì)試件施加軸向拉拉疲勞載荷，疲勞試驗(yàn)為正弦波恒幅載荷控制，oraax=260MPa，應(yīng)力比11=0，頻率f二10Hz。施加疲勞載荷后，疲勞裂紋將從預(yù)制切口的兩尖端萌生，隨循環(huán)次數(shù)的增加逐漸向試件兩側(cè)邊緣擴(kuò)展。萌生疲勞裂紋后，中心裂紋的總長(zhǎng)度為2a(見(jiàn)圖1所示)。加載到預(yù)定循環(huán)次數(shù)后，首先采用JXD—250B型光學(xué)讀數(shù)顯微鏡在線讀取中心裂紋總長(zhǎng)度2a，而后卸載取下試件，將試件沿南北方向放置于非磁性平臺(tái)上，由三維電控位移臺(tái)控制金屬磁記憶儀的磁傳感器探頭沿各檢測(cè)線按照固定方式移動(dòng)，采集各檢測(cè)線表面的Hp(y)數(shù)據(jù)，經(jīng)Origin軟件進(jìn)行處理，獲取該循環(huán)次數(shù)下Hp(y)分布。重復(fù)上述試驗(yàn)步驟，獲得不同壽命階段試件表面雜散磁場(chǎng)法向分量分布圖(如附圖2b、2c、2d所示)。提取對(duì)應(yīng)不同循環(huán)次數(shù)N的Hp(y)分布圖中在試件中心裂紋部位產(chǎn)生的自發(fā)異變磁信號(hào)峰峰值A(chǔ)H,，(y)，以其最大值A(chǔ)li(y),作為該循環(huán)次數(shù)下的檢測(cè)閾值。繪制各循環(huán)次數(shù)下檢測(cè)閾值A(chǔ)Hp(y)nx與中心穿透裂紋1的長(zhǎng)度2a關(guān)系圖，利用最小二乘法進(jìn)行線性擬和(如圖3所示)，得到獲得上述試驗(yàn)條件下標(biāo)準(zhǔn)試件異變信號(hào)峰峰值閾值A(chǔ)Hp(y),與疲勞裂紋長(zhǎng)度2a之間的線性關(guān)系式2a=-9.81231+0.29885AHp(y)ax(1)最后，檢測(cè)相同熱處理狀態(tài)的18CrNiWA鋼構(gòu)件，根據(jù)構(gòu)件的工況條件劃定檢測(cè)區(qū)域，使確定的各條檢測(cè)線均垂直于疲勞裂紋走向。服役一定時(shí)間后，卸載沿南北方向放置，磁傳感器提離值lmm，按照上述方式掃查各條檢測(cè)線，采集構(gòu)件表面的Hp(y)信號(hào)，經(jīng)Origin軟件處理，獲得檢測(cè)區(qū)域中疲勞裂紋異變峰峰值的最大值A(chǔ)Hp(y)自，按照公式(1)計(jì)算得到疲勞裂紋長(zhǎng)度；作為比較，同時(shí)采用A型顯示脈沖反射式超聲波探傷儀按照最大波高衰減法檢測(cè)疲勞裂紋長(zhǎng)度。在服役期間共檢測(cè)三次，數(shù)據(jù)如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>經(jīng)超聲波檢測(cè)驗(yàn)證，本方法檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，操作簡(jiǎn)便，無(wú)需外加激勵(lì)磁場(chǎng)，為在卸載狀態(tài)下動(dòng)態(tài)監(jiān)控裂紋擴(kuò)展提供了一種新的途徑。權(quán)利要求1.一種利用異變磁信號(hào)監(jiān)測(cè)鐵磁材料疲勞裂紋擴(kuò)展的方法，其特征在于該方法包括以下各步驟1)采用和被測(cè)鐵磁構(gòu)件相同材質(zhì)的材料制作成含中心穿透裂紋的板狀標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，按照被測(cè)構(gòu)件的熱處理規(guī)范對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行最終熱處理，熱處理工藝的最高加熱溫度超過(guò)材料的居里點(diǎn)溫度，使標(biāo)準(zhǔn)試件表面獲得純凈的初始磁狀態(tài)；2)磁傳感器垂直試件表面，按照固定提離值，沿垂直中心穿透裂紋方向，以直線行進(jìn)方式，沿各檢測(cè)線逐線掃描標(biāo)準(zhǔn)試件的中心裂紋部位，獲得試件初始狀態(tài)下表面雜散磁場(chǎng)的法向分量Hp(y)信號(hào)；固定提離值范圍0.5mm～15mm；各檢測(cè)線之間距離范圍0.01mm～5mm；3)設(shè)定疲勞試驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，疲勞循環(huán)至預(yù)定次數(shù)N后，測(cè)得中心裂紋長(zhǎng)度2a，利用磁傳感器，按照第2)步所述方法，掃查試件中心裂紋部位，獲得該循環(huán)次數(shù)下試樣表面雜散磁場(chǎng)法向分量信號(hào)；重復(fù)上述步驟，直至試件斷裂；4)磁傳感器在上述步驟中測(cè)得的磁信號(hào)經(jīng)計(jì)算機(jī)軟件處理，建立不同疲勞循環(huán)次數(shù)下表面雜散磁場(chǎng)法向分量Hp(y)的分布圖；5)提取對(duì)應(yīng)不同循環(huán)次數(shù)N的Hp(y)分布圖中在試件中心裂紋部位產(chǎn)生的自發(fā)異變磁信號(hào)峰峰值ΔHp(y)，以其最大值ΔHp(y)max作為該循環(huán)次數(shù)下的檢測(cè)閾值；6)繪制各循環(huán)次數(shù)下檢測(cè)閾值ΔHp(y)max與中心裂紋長(zhǎng)度2a曲線，利用最小二乘法進(jìn)行線性擬和，得到ΔHp(y)max-2a線性關(guān)系式；7)用上述步驟所用的磁傳感器，按照相同提離值檢測(cè)被測(cè)構(gòu)件掃查區(qū)域表面的Hp(y)信號(hào)，將所測(cè)得的異變峰峰值最大值ΔHp(y)smax與第5)步中確定的檢測(cè)閾值對(duì)比，判斷疲勞裂紋長(zhǎng)度，根據(jù)已建立的ΔHp(y)max-2a線性關(guān)系式，獲知疲勞裂紋擴(kuò)展進(jìn)程。2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述中心裂紋長(zhǎng)度2a的測(cè)量采用非磁性測(cè)量方法；3.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的不同循環(huán)次數(shù)下表面雜散磁場(chǎng)法向分量Hp(y)的測(cè)量為試件在卸載狀態(tài)下測(cè)得。4.按照權(quán)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(cè)量精度等于或大于1A/m。全文摘要一種利用異變磁信號(hào)監(jiān)測(cè)鐵磁材料疲勞裂紋擴(kuò)展的方法，屬于無(wú)損檢測(cè)
技術(shù)領(lǐng)域：
。本發(fā)明涉及一種利用異變磁信號(hào)監(jiān)測(cè)鐵磁材料疲勞裂紋擴(kuò)展的方法，制作和被測(cè)構(gòu)件材質(zhì)、熱處理狀態(tài)相同的中心裂紋的標(biāo)準(zhǔn)試樣；在疲勞試驗(yàn)中循環(huán)預(yù)定次數(shù)后，用磁傳感器按固定提離值掃查標(biāo)準(zhǔn)試件的中心裂紋區(qū)，獲得掃查區(qū)的表面雜散磁場(chǎng)法向分量H_p(y)信號(hào)，測(cè)得中心裂紋的長(zhǎng)度2a；提取疲勞裂紋產(chǎn)生的自發(fā)異變磁信號(hào)峰的最大值ΔH_p(y)_max，作為該循環(huán)次數(shù)下的檢測(cè)閾值；對(duì)ΔH_p(y)_max與2a進(jìn)行線性擬和，得ΔH_p(y)_max-2a關(guān)系式；用上述磁傳感器按相同提離值檢測(cè)被測(cè)構(gòu)件，將所測(cè)得的ΔH_p(y)_smax與檢測(cè)閾值對(duì)比，根據(jù)ΔH_p(y)_max-2a線性關(guān)系式，獲知疲勞裂紋擴(kuò)展進(jìn)程。本發(fā)明操作簡(jiǎn)便，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，可在卸載狀態(tài)下動(dòng)態(tài)監(jiān)控裂紋擴(kuò)展。文檔編號(hào)G01N3/00GK101109728SQ20071012038公開(kāi)日2008年1月23日申請(qǐng)日期2007年8月17日優(yōu)先權(quán)日2007年8月17日發(fā)明者徐濱士,丹王,董世運(yùn),董麗虹申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院