專利名稱：利用鐵磁材料表面雜散磁場(chǎng)信號(hào)監(jiān)測(cè)疲勞損傷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用自發(fā)的表面雜散磁場(chǎng)信號(hào)評(píng)價(jià)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(wú)損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景鐵磁材料作為一種強(qiáng)磁性物質(zhì)，具有良好的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等 特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。機(jī)械裝備中許多關(guān)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(fù)作用的工況環(huán)境下，疲勞失效 是它們最主要的破壞形式。疲勞破壞是一個(gè)緩慢的延滯破壞過(guò)程，通常是在低于屈服極限的交變應(yīng) 力作用下發(fā)生的，宏觀上無(wú)明顯塑性變形，破壞時(shí)具有隱蔽性，常引發(fā)災(zāi)難 性后果。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鐵磁材料疲勞損傷程度，進(jìn)而預(yù)測(cè)鐵磁構(gòu)件的剩余壽 命一直是學(xué)術(shù)界及工程界關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，當(dāng)疲勞裂紋己經(jīng)產(chǎn)生且達(dá)到一定尺寸時(shí)，常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)如超聲波 法、渦流法、滲透法、磁粉法即能發(fā)現(xiàn)缺陷。而在宏觀疲勞裂紋出現(xiàn)之前的 早期疲勞損傷階段，由于沒(méi)有明顯的微觀和宏觀物理參量的變化，檢測(cè)非常 困難。當(dāng)前針對(duì)這一階段的檢測(cè)應(yīng)用較多的是聲發(fā)射技術(shù)，聲發(fā)射技術(shù)通過(guò) "監(jiān)聽(tīng)"零件結(jié)構(gòu)變化而發(fā)射出來(lái)的聲波信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵磁材料疲勞損傷的動(dòng)態(tài)監(jiān)控。雖然聲發(fā)射現(xiàn)象早在50年代已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，但由于檢測(cè)時(shí)必須加載、 背景噪聲干擾等問(wèn)題限制了它的實(shí)際應(yīng)用。此外，近年來(lái)有報(bào)導(dǎo)采用磁性無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，如磁巴克豪森噪聲法、磁 聲發(fā)射法等檢測(cè)鐵磁材料損傷狀態(tài)，這些方法一方面還處于基礎(chǔ)研究階段， 尚不成熟，另一方面它們進(jìn)行檢測(cè)時(shí)需對(duì)構(gòu)件進(jìn)行磁化，需附加磁化設(shè)備及 退磁裝置。處于地磁場(chǎng)環(huán)境中的鐵磁構(gòu)件，受地磁場(chǎng)及載荷的影響，其表面會(huì)產(chǎn)生 自發(fā)的雜散磁場(chǎng)信號(hào)，目前通過(guò)檢測(cè)該雜散磁場(chǎng)的法向分量Hp(y)零值點(diǎn)并結(jié) 合磁場(chǎng)梯度最大值k可以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。這一技術(shù)又被稱為金屬磁記憶技術(shù)。已有技術(shù)中，僅有申請(qǐng)?zhí)?00410067574.7，公開(kāi)號(hào)CN 1603812A的中國(guó) 發(fā)明專利——汽車退役曲軸剩余疲勞壽命的檢測(cè)方法，提出首先應(yīng)用渦流技 術(shù)檢測(cè)退役曲軸的危險(xiǎn)部位，如發(fā)現(xiàn)有裂紋存在，則認(rèn)為其剩余壽命不足以 維持下一個(gè)生命周期；在沒(méi)有裂紋產(chǎn)生的條件下，應(yīng)用金屬磁記憶技術(shù)檢測(cè) 該部位的應(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。該方法針對(duì)的是已退役報(bào)廢的 汽車曲軸，目的是根據(jù)其危險(xiǎn)部位的應(yīng)力變形狀況，考慮是否具有再制造的 可能性。而對(duì)于服役過(guò)程中的承受疲勞載荷的鐵磁構(gòu)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(gòu)件的危險(xiǎn)部位不會(huì)出現(xiàn) 可測(cè)量的應(yīng)變，難以利用應(yīng)力與變形狀況評(píng)價(jià)鐵磁材料的損傷程度。并且上 述方法沒(méi)有提出明確的應(yīng)力變形狀況與剩余壽命的映射關(guān)系。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是發(fā)明一種能在卸載狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控鐵磁構(gòu)件疲勞損 傷程度的新型檢測(cè)方法。本發(fā)明所提供的是一種利用鐵磁構(gòu)件表面自發(fā)產(chǎn)生的雜散磁場(chǎng)的法向分量Hp(y)信號(hào)，可以由Hp(y)信號(hào)曲線的斜率Ks的變化確定構(gòu)件經(jīng)歷的疲勞循 環(huán)次數(shù)N(即疲勞壽命)，進(jìn)而可以預(yù)測(cè)其剩余壽命，實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)鐵磁材料疲勞 損傷程度的目標(biāo)。本發(fā)明通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)1) 采用和被測(cè)鐵磁構(gòu)件相同材質(zhì)的材料制作成板狀光滑標(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)； 其中最終熱處理是試件精加工后使用前進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)試件表面的 檢測(cè)線，獲得試件初始狀態(tài)下檢測(cè)線表面雜散磁場(chǎng)的法向分量Hp(y)信號(hào)；對(duì) 于標(biāo)準(zhǔn)板狀光滑件的檢測(cè)線的間距沒(méi)有特殊要求。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，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(biāo)準(zhǔn)試件表面 的各檢測(cè)線，獲得該循環(huán)次數(shù)下雜散磁場(chǎng)法向分量信號(hào)；N的確定根據(jù)試件 的預(yù)測(cè)壽命，考慮檢測(cè)的方便性確定。在步驟3)中具體的疲勞實(shí)驗(yàn)參數(shù)要根 據(jù)試件的不同要求來(lái)設(shè)定。4) 重復(fù)步驟3)，直至試件斷裂；在上述步驟中磁傳感器測(cè)得的磁信號(hào) 經(jīng)計(jì)算處理，建立檢測(cè)線表面雜散磁場(chǎng)法向分量HP (y)與疲勞循環(huán)次數(shù)N的關(guān) 系曲線； 5) 提取不同循環(huán)次數(shù)下檢測(cè)線磁曲線的斜率L，建立斜率K,與循環(huán)次數(shù)N的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，確定標(biāo)準(zhǔn)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(guān)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(yù)定 的時(shí)間間隔連續(xù)監(jiān)測(cè)被測(cè)構(gòu)件表面檢測(cè)線的H,(y)信號(hào)，采集的信號(hào)經(jīng)計(jì)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(duì)比，L》L時(shí)，認(rèn)為疲勞裂紋己萌生，鐵磁構(gòu)件即將破壞，采用新構(gòu)件替 換；L〈L。時(shí)，則認(rèn)為構(gòu)件尚處于早期疲勞階段，按照步驟5) Ks—N映射關(guān) 系式確定構(gòu)件的疲勞損傷程度。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。使用的磁傳感器測(cè)量精度等于或高于1A/m。本發(fā)明確定的方法，為金屬磁記憶技術(shù)引入新的檢測(cè)參量——檢測(cè)線磁 曲線的斜率Ks。這一檢測(cè)參量是利用鐵磁材料自身發(fā)射的信息來(lái)表征早期疲 勞損傷的程度。本發(fā)明在檢測(cè)過(guò)程中無(wú)需外加激勵(lì)磁場(chǎng)及退磁裝置，不需要對(duì)試件表面 作任何預(yù)處理，檢測(cè)簡(jiǎn)便，檢測(cè)結(jié)果精度高、重復(fù)性好。即使試件卸載，該 磁信號(hào)依然存在，易于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控鐵磁材料的疲勞損傷程度。


圖1為檢測(cè)試件及檢測(cè)線示意2為檢測(cè)線磁曲線斜率Ks與循環(huán)次數(shù)N關(guān)系圖具體實(shí)施方式
本發(fā)明通過(guò)如下措施來(lái)實(shí)現(xiàn)被測(cè)構(gòu)件材料為18CrNiWAVA鋼，金屬磁記憶檢測(cè)儀器為EMS-2003型。首先，選用和被測(cè)構(gòu)件材質(zhì)相同的鐵磁材料18CrNiWAVA鋼，按照國(guó)家標(biāo) 準(zhǔn)制作板狀光滑疲勞試件。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18(^C回火，水冷至室溫，獲得純凈的初始磁狀態(tài)。其次，在試件長(zhǎng)度240 mm表面標(biāo)示出2條平行檢測(cè)線，檢測(cè)線長(zhǎng)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(cè)儀，其磁傳感器基于霍耳元件，檢測(cè)精度 為lA/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箭頭所示)分別掃描兩條檢測(cè)線，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。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)試件施加恒幅拉拉疲勞載荷，最大應(yīng)力o"自=560MP"，應(yīng)力比/ =0，頻率/=10&。試件加載到預(yù)定循環(huán)次數(shù)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(tái)上，由三維電控掃描架控制金屬磁記憶檢測(cè) 儀的探頭沿檢測(cè)線按照固定方式移動(dòng)，獲取各檢測(cè)線表面Hp(y)數(shù)據(jù)，磁信號(hào) 送入計(jì)算機(jī)處理，獲得該循環(huán)次數(shù)下表面雜散磁場(chǎng)法向分量分布。重復(fù)上述 步驟，獲得不同循環(huán)次數(shù)下試件表面雜散磁場(chǎng)法向分量分布圖，直至試件斷 裂。提取不同循環(huán)次數(shù)下的磁曲線斜率L值，作出L值與循環(huán)次數(shù)N之間的 關(guān)系曲線如附圖2所示。確定斜率臨界值Ks。二1.8;采用多項(xiàng)式擬和L一N之間的映射關(guān)系Ks = 1. 12213+0. 38358N-0. 0977N2+0. 0097N3 (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)線。分別在服役壽命的早期、中期、后期，將被測(cè)構(gòu)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(cè)線，采集構(gòu)件表面的 Hp(y)信號(hào)，經(jīng)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(duì)比，判斷有無(wú)疲勞裂紋萌生，如已萌生疲勞裂紋，則認(rèn)為該構(gòu)件已 接近壽命末期，采用新件替換該構(gòu)件；如未疲勞裂紋萌生，則按照(1)式確 定其已經(jīng)歷的疲勞循環(huán)壽命N，決定該構(gòu)件是否需要采用高新表面加工技術(shù)進(jìn) 行修復(fù)。
權(quán)利要求
1.一種利用鐵磁材料表面雜散磁場(chǎng)信號(hào)監(jiān)測(cè)疲勞損傷的方法，其特征在于，包括以下步驟1)采用和被測(cè)鐵磁構(gòu)件相同材質(zhì)的材料制作成板狀光滑標(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，分別掃描標(biāo)準(zhǔn)試件表面的檢測(cè)線，獲得試件初始狀態(tài)下檢測(cè)線表面雜散磁場(chǎng)的法向分量Hp(y)信號(hào)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，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(biāo)準(zhǔn)試件表面的各檢測(cè)線，獲得該循環(huán)次數(shù)下雜散磁場(chǎng)法向分量信號(hào)；4)重復(fù)步驟3)，直至試件斷裂；在上述步驟中磁傳感器測(cè)得的磁信號(hào)經(jīng)計(jì)算處理，建立檢測(cè)線表面雜散磁場(chǎng)法向分量Hp(y)與疲勞循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系曲線；5)提取不同循環(huán)次數(shù)下檢測(cè)線磁曲線的斜率Ks，建立斜率Ks與循環(huán)次數(shù)N的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，確定標(biāo)準(zhǔn)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(guān)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(yù)定的時(shí)間間隔連續(xù)監(jiān)測(cè)被測(cè)構(gòu)件表面檢測(cè)線的Hp(y)信號(hào)，采集的信號(hào)經(jīng)計(jì)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(duì)比，Ks≥Ksc時(shí)，認(rèn)為疲勞裂紋已萌生，鐵磁構(gòu)件即將破壞，采用新構(gòu)件替換；Ks＜Ksc時(shí)，則認(rèn)為構(gòu)件尚處于早期疲勞階段，按照步驟5)Ks-N映射關(guān)系式確定構(gòu)件的疲勞損傷程度。
2. 根據(jù)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。
3. 根據(jù)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)量精度等于或高于1A/m。
全文摘要
利用鐵磁材料表面雜散磁場(chǎng)信號(hào)監(jiān)測(cè)疲勞損傷的方法屬于磁性無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域。鐵磁構(gòu)件早期服役階段不會(huì)出現(xiàn)可測(cè)量的應(yīng)變，難以評(píng)價(jià)損傷程度。本發(fā)明制作和被測(cè)構(gòu)件材質(zhì)、熱處理狀態(tài)相同的光滑板狀標(biāo)準(zhǔn)疲勞試件，經(jīng)高溫退磁，獲得純凈的初始磁狀態(tài)，施加恒幅拉拉疲勞載荷，對(duì)應(yīng)預(yù)定循環(huán)次數(shù)，卸載檢測(cè)試件表面各檢測(cè)線雜散磁場(chǎng)法向分量，提取不同循環(huán)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(huán)次數(shù)N的映射關(guān)系式。按相同提離值檢測(cè)被測(cè)構(gòu)件，將所測(cè)得的磁曲線斜率值K_s與臨界斜率值K_sc對(duì)比，確定疲勞損傷程度。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)下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)鐵磁構(gòu)件的早期疲勞損傷程度。
文檔編號(hào)G01R33/14GK101126799SQ20071017525
公開(kāi)日2008年2月20日 申請(qǐng)日期2007年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月28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