45#板材試塊金屬磁記憶檢測技術(shù)試驗(yàn)研究

XX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 題 目:45#板材試塊金屬磁記憶檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究 學(xué) 院: 測試與光電工程學(xué)院 專 業(yè): 測控技術(shù)與儀器 姓 名: 學(xué) 號(hào): 指導(dǎo)教師: 二Oxx年六月45#板材試塊金屬磁記憶檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究摘要：隨著科技的進(jìn)步，無損檢測占據(jù)著重要的地位。而在新技術(shù)不斷涌現(xiàn)的今天，磁記憶檢測技術(shù)依舊是唯一能夠檢測缺陷萌生前的無損檢測方法。在載荷和地磁場的激勵(lì)下，引起鐵磁性內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)磁疇重新取向，由此這種狀態(tài)便被鐵磁性工件記錄保留下來，這就是磁記憶檢測的原理。構(gòu)件的應(yīng)力集中是引發(fā)后期缺陷的主要原因，利用金屬磁記憶檢測技術(shù)，通過對(duì)磁記憶法向分量過值零點(diǎn)的位置來判斷應(yīng)力集中部位，從而便能進(jìn)一步看出應(yīng)力集中部位的切向分量與法向分量對(duì)定量的具體影響。本文的實(shí)驗(yàn)研究主要是對(duì)45#鋼試件在不同實(shí)驗(yàn)力下進(jìn)行靜載拉伸獲取法向和切向分量的數(shù)據(jù)，再用origin軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)微分繪制李薩如圖，這樣便可以同時(shí)反映二個(gè)不同方向分量的特征，利用其封閉區(qū)域的大小來判斷應(yīng)力集中的程度，以達(dá)到定量分析的目的，這樣可以有效減少誤差，根據(jù)最后的結(jié)果再與ANSYS軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)試樣的應(yīng)力分布進(jìn)行有限元仿真的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。關(guān)鍵詞：磁記憶技術(shù) 應(yīng)力集中 李薩如圖 定量分析 有限元仿真Experimental Research on Metal Magnetic Memory Test Piece of 45# SheetAbstract: With the advancement of technology, Non-destructive testing occupies play an important position. In the today new technologies are emerging, Metal magnetic memory detection is still the only method to detect the defect eruption of the NDT method. Under the excitation of load and magnetic field caused by the internal stress of ferromagnetic domain reorientation, which the state will be ferromagnetic work piece records retained; this is metal magnetic memory testing principle. Component of the stress concentration is the main causes of post defect, using metal magnetic memory testing technique, through of metal magnetic memory method to component value zero position to judge the location of stress concentration, which can be further shows that the stress concentrated parts of the tangential component and method to the specific impact of component of quantitative.The experimental study of this paper is to obtain the normal and tangential components of the 45# steel specimen under different experimental loads, Then the Origin Software for data processing. At the same time, the experimental data differential draw Lissajous figure, so that we can also reflect the characteristics of two-dimensional direction component, using the closed area size to determine the extent of stress concentration, in order to achieve the purpose of quantitative analysis. Only in this way can reduce the error effectively. According to the final results using ANSYS software to test the stress distribution to carry out the finite element simulation.Keywords: Metal magnetic memory Stress concentration degree Lissajous figure fatigue damage Finite element simulation目 錄1 緒論1.1 引言11.2 課題研究背景及意義11.3 國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢21.4 課題研究內(nèi)容32 磁記憶檢測理論基礎(chǔ)2.1 地磁感應(yīng)效應(yīng)42.2 磁記憶產(chǎn)生機(jī)理42.3 磁場梯度53 磁記憶二維檢測原理3.1 磁記憶二維檢測理論基礎(chǔ)63.2 磁偶極子模型63.3 矢量合成法在磁記憶二維檢測中的應(yīng)用94 金屬磁記憶檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究4.1 實(shí)驗(yàn)材料及參數(shù)114.2 試驗(yàn)設(shè)備及條件114.3 試驗(yàn)實(shí)施過程134.4 試塊有限元的仿真145 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析5.1 法向磁信號(hào)分析185.2 切向磁信號(hào)分析195.3 李薩如圖分析205.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論255.5 未來展望26參考文獻(xiàn)27致 謝2845#板材試塊金屬磁記憶檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究1 緒論1.1 引言 鋼鐵是我們生活中最常用的材料，但是這些鐵磁性材料雖然有他的好處，但是材料避免不了產(chǎn)生不同的損傷而失效、斷裂，這有可能導(dǎo)致很嚴(yán)重的工業(yè)事故。根據(jù)前幾年美國巴特爾研究所調(diào)查表明：全世界由于材料的損傷導(dǎo)致的財(cái)產(chǎn)損失達(dá)1190億美元。所以無損檢測是很重要的。 隨著無損檢測從業(yè)人員素質(zhì)的提高，無損檢測技術(shù)目前不僅要求檢測人員除了對(duì)已出現(xiàn)的危險(xiǎn)部位及其分布有一定了解，更要能夠在發(fā)生危險(xiǎn)前對(duì)構(gòu)件進(jìn)行早期預(yù)判。而常規(guī)的無損檢測只能檢測出以及存在的宏觀缺陷，對(duì)于預(yù)判缺陷的產(chǎn)生卻無能為力，此時(shí)磁記憶檢測的出現(xiàn)解決了這個(gè)問題。磁記憶檢測原理說明了，構(gòu)件中應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力能要不出現(xiàn)那么高，就必須使磁疇組織重新排列取向，這時(shí)磁疇組織便會(huì)保留下來，并在應(yīng)力集中區(qū)形成和缺陷差不多的漏磁場分布，此時(shí)漏磁場信號(hào)的切向分量為局部極大值，而法向分量的符號(hào)發(fā)生了變化，且具有過零點(diǎn)。單獨(dú)對(duì)切向或法向分量特征作為磁記憶檢測的依據(jù)是不可靠的，且不能對(duì)應(yīng)力集中部位進(jìn)行定量分析。而采用李薩如圖的磁記憶二維檢測方法分別作為兩個(gè)方向上的分量微分作為X、Y軸，然后對(duì)做出的曲線圍成的面積進(jìn)行分析，從而來判別應(yīng)力集中的水平，以此作為磁記憶檢測的定量分析依據(jù)。1.2 課題研究背景及意義各行各業(yè)中最常用的金屬材料莫過于鋼鐵等鐵磁性金屬材料，但鐵磁性金屬材料作為受力結(jié)構(gòu)件使用時(shí)，會(huì)承受不同程度的沖擊、疲勞等載荷的作用，從而引發(fā)損傷和裂紋，甚至導(dǎo)致、斷裂、爆炸等嚴(yán)重事故的發(fā)生，尤其在航空、航天、機(jī)械、鐵路、建筑工程等領(lǐng)域中的設(shè)備和構(gòu)件在長時(shí)間的工作下容易受到應(yīng)力集中而發(fā)生疲勞損傷，這就是引起安全事故的源頭。由此可見，正確、有效的無損檢測與評(píng)價(jià)技術(shù)，對(duì)設(shè)備的正常在不破壞被檢測對(duì)象的前提下。無損檢測技術(shù)通過分析反映構(gòu)件內(nèi)部缺陷和異常的光、磁、電、熱等信號(hào)，來判斷缺陷是否存在，然后分析其特征，最后評(píng)估其危害，并推測其剩余使用壽命和安全性等。常用的無損檢測方法有超聲波檢測、射線檢測、磁粉檢測、滲透檢測、渦流檢測等?？墒沁@些方法只可以檢測已形成的宏觀缺陷和較大的微觀缺陷，但對(duì)于形成缺陷前的局部應(yīng)力集中卻無法做出有效的檢測和評(píng)估。大家都知道，構(gòu)件的損傷是一個(gè)從量變到質(zhì)變的過程，一般的材料起初出現(xiàn)損傷的原因往往正是應(yīng)力集中。而常規(guī)的無損檢測方法是無法捕捉這種應(yīng)力集中，所以找尋新的有效的檢測方法是很必要的1。在不破壞被檢測對(duì)象的前提下。無損檢測技術(shù)通過分析反映構(gòu)件內(nèi)部缺陷和異常的光、磁、電、熱等信號(hào)，來判斷缺陷是否存在，然后分析其特征，最后評(píng)估其危害，并推測其剩余使用壽命和安全性等。常用的無損檢測方法有超聲波檢測、射線檢測、磁粉檢測、滲透檢測、渦流檢測等?？墒沁@些方法只可以檢測已形成的宏觀缺陷和較大的微觀缺陷，但對(duì)于形成缺陷前的局部應(yīng)力集中卻無法做出有效的檢測和評(píng)估。大家都知道，構(gòu)件的損傷是一個(gè)從量變到質(zhì)變的過程，一般的材料起初出現(xiàn)損傷的原因往往正是應(yīng)力集中。而常規(guī)的無損檢測方法是無法捕捉這種應(yīng)力集中，所以找尋新的有效的檢測方法是很必要的2。 大量的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)鐵磁體施加彈性應(yīng)力后，除了產(chǎn)生彈性應(yīng)變外，還會(huì)產(chǎn)生磁致伸縮應(yīng)變。在載荷或地磁場作用時(shí)，位錯(cuò)漸漸積累并保留下來，自發(fā)漏磁信號(hào)會(huì)發(fā)生不可逆的變化，這一現(xiàn)象被稱之為金屬磁記憶現(xiàn)象。金屬磁記憶檢測技術(shù)不僅能檢測構(gòu)件中已經(jīng)形成的宏觀缺陷，而且能夠?qū)﹁F磁性金屬材料的應(yīng)力集中、早期損傷等進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的診斷，可在零件失效之前采取措施，從而避免事故發(fā)生。金屬磁記憶檢測在無損檢測技術(shù)中是很有發(fā)展前景的，為鐵磁性材料早期損傷的評(píng)估提供了新的研究思路3。本課題主要對(duì)45#鋼U型平板缺口試樣分別在不同載荷下測量試件表面法向和切向磁記憶二維分量進(jìn)行靜載拉伸試驗(yàn)，測量試件加載前后的表面漏磁場。并引入李薩如圖分析法，對(duì)二維分量微分后的數(shù)據(jù)制作的李薩如圖進(jìn)行分析，以此便可以從李薩如圖封閉區(qū)域面積的大小來判斷不同靜載和不同位置的45#鋼U型平板缺口試樣應(yīng)力集中程度。4由此得出的研究結(jié)論，可能會(huì)有助于真正揭開磁記憶產(chǎn)生的機(jī)理。1.3 國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢自從1997年，金屬磁記憶檢測技術(shù)由俄羅斯科學(xué)家杜波夫提出以后，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點(diǎn)便是對(duì)該技術(shù)機(jī)理的解釋。隨著在各國的深入開展，在金屬磁記憶方面的研究不斷獲得進(jìn)步。國際上，我們看到圍繞金屬磁記憶開展的國際會(huì)議每年都舉行，并且國際焊接學(xué)會(huì)批準(zhǔn)并實(shí)施了金屬磁記憶檢測技術(shù)的“Round Robin”計(jì)劃，這個(gè)計(jì)劃正穩(wěn)步的進(jìn)行，而且這對(duì)各個(gè)國家的影響不小，比如德國無損檢測研究所制定了金屬磁記憶歐洲研究計(jì)劃ENRESC。到目前為止，有關(guān)金屬磁記憶方面具有確定性結(jié)論的文件超過了80個(gè)。5作為金屬磁記憶檢測技術(shù)的提出國家，俄羅斯焊接協(xié)會(huì)制定了設(shè)備和結(jié)構(gòu)焊接接頭的磁記憶檢測標(biāo)準(zhǔn)，并且俄羅斯動(dòng)力診斷公司生產(chǎn)的金屬磁記憶檢測儀，廣泛應(yīng)用于全球金屬磁記憶檢測方面。在國外，很多學(xué)者的關(guān)注的焦點(diǎn)在應(yīng)力與磁記憶漏磁場之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為此他們進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，研究內(nèi)容主要包括了拉壓、扭轉(zhuǎn)等不同類型的應(yīng)力對(duì)磁化過程、磁滯回線等參數(shù)的影響。在力磁關(guān)系研究現(xiàn)今主要有基于磁機(jī)械效應(yīng)的模型、基于鐵磁材料的磁疇理論和疇壁運(yùn)動(dòng)建立等。在工程應(yīng)用中得到普遍的認(rèn)同，但僅適用于彈性階段磁滯回線和磁化強(qiáng)度隨應(yīng)力變化的描述。到目前為止，對(duì)金屬磁記憶檢測技術(shù)應(yīng)力集中的有限元模擬仿真較少。假定塑性變形的分布對(duì)二維模型中進(jìn)行相應(yīng)的磁學(xué)屬性研究，來分析磁記憶信號(hào)特征及影響其檢測結(jié)果的因素6。我國在20世紀(jì)90年代末引進(jìn)金屬磁記憶檢測技術(shù)。目前，國內(nèi)眾多高校都在開展相關(guān)工作，但對(duì)于金屬磁記憶還存在很多問題，已經(jīng)有不少的研究。在雙側(cè)U形缺口試件的研究中，磁場分布狀況和應(yīng)力集中的程度之間有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。尹大偉等發(fā)現(xiàn)離線檢測時(shí)，檢測效果較好并發(fā)現(xiàn)磁記憶信號(hào)的法向分量梯度和之前加載的最大應(yīng)力呈線性關(guān)系。任吉林、唐繼紅等通過對(duì)帶中心圓孔缺陷的20#鋼平板試件做靜載拉伸試驗(yàn)0，發(fā)現(xiàn)磁信號(hào)垂直分量過零點(diǎn)不完全表征應(yīng)力集中位置，且磁場梯度的變化與應(yīng)力集中程度有關(guān)。任吉林、宋凱利用ANSYS軟件對(duì)典型構(gòu)件進(jìn)行彈塑性有限元分析通過對(duì)加載鐵磁構(gòu)件表面漏磁場的測量0，驗(yàn)證了應(yīng)力集中與磁記憶效應(yīng)之間的規(guī)律。黎連修對(duì)磁致伸縮和磁記憶問題進(jìn)行了研究。檢測設(shè)備的研制是磁記憶檢測技術(shù)能否大力推廣的關(guān)鍵。磁記憶檢測也屬于漏磁檢測的一種，所以對(duì)漏磁場進(jìn)行檢測的磁敏傳感器是檢測設(shè)備的核心。現(xiàn)在世面上有很多敏感器件如磁敏電阻、鐵磁線圈和霍爾磁敏元件等，這些都可以應(yīng)用于磁記憶檢測設(shè)備上。自從俄羅斯的公司推出第一臺(tái)磁記憶檢測傳感器后，國內(nèi)也研制了多種不同的磁記憶傳感器。磁記憶檢測的漏磁場很微弱，所以測量技術(shù)研究是一個(gè)重要方面。1.4 課題研究內(nèi)容a.本課題采用45#鋼U型平板缺口試樣做靜載拉伸試驗(yàn)，分別在不同載荷下測量試件表面法向和切向磁記憶分量；b.利用origin軟件對(duì)測量的值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而得出試件在拉伸過程中的各個(gè)載荷下的二維磁記憶特征曲線及李薩如圖大??；c.根據(jù)二維磁記憶特征曲線和李薩如圖對(duì)試件應(yīng)力集中狀況進(jìn)行分析定量；d.用ANSYS軟件進(jìn)行有限元仿真。2 磁記憶檢測理論基礎(chǔ)2.1 地磁感應(yīng)效應(yīng)大量研究表明，處于負(fù)載和地磁場的共同作用下的鐵磁性工件，在缺陷和應(yīng)力集中的區(qū)域會(huì)出現(xiàn)磁記憶現(xiàn)象和磁化的增長。地球是一個(gè)巨大的磁場，近似的地理南極就認(rèn)為是地磁北極；相反，地理北極就認(rèn)為是地磁南極。但是實(shí)際上，地球的磁極與地理兩極并不相和，他們之間存在一定的夾角，如圖2.1(a)所示。任意一點(diǎn)的地磁場測量可以分為水平分量和徑向分量，如圖2.1（b）。 （a） （b）圖2.1 地磁場地磁場雖然很大，但是強(qiáng)度卻很小，所以對(duì)于鐵磁性工件的漏磁場的檢測技術(shù)的影響很小。然而對(duì)于磁記憶檢測，地磁場盡管很小，可是他卻起著激勵(lì)元的作用，所以地磁感應(yīng)的影響必須引起我們的注意7。2.2 磁記憶產(chǎn)生機(jī)理磁記憶的檢測就是利用工件的磁記憶在表面產(chǎn)生漏磁場，法向分量會(huì)改變符號(hào)且具有零值點(diǎn)，我們就可以根據(jù)零值點(diǎn)和符號(hào)的變化位置來判斷應(yīng)力集中的區(qū)域的位置。由于材料結(jié)構(gòu)的組織不均勻，同時(shí)鐵磁體在載荷和微弱的地球磁場的作用下，會(huì)產(chǎn)生磁記憶現(xiàn)象，這些不均勻可能來自材料的形狀結(jié)構(gòu)、材料加工的應(yīng)力殘留或缺陷的存在。在磁機(jī)械效應(yīng)的作用下產(chǎn)生的磁疇節(jié)點(diǎn)是固定的，因此會(huì)產(chǎn)生磁極，并且形成退磁場，金屬的磁記憶便就是工件表面微弱的漏磁場。而此時(shí)若對(duì)工件加載，會(huì)使工件產(chǎn)生形變，使位錯(cuò)加大從而應(yīng)力能變得很高，并形成應(yīng)力集中區(qū)。 工件中應(yīng)力能最大的地方就是應(yīng)力集中區(qū)，為了抵消應(yīng)力能的增加，工件會(huì)自發(fā)的增加磁彈性能。從而，地球磁場強(qiáng)度相對(duì)于鐵磁性工件的內(nèi)部產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度微乎其微。根據(jù)金屬力學(xué)性能理論，動(dòng)態(tài)載荷消除后，由于金屬內(nèi)部存在著多種內(nèi)耗效應(yīng)（如粘彈性內(nèi)耗、位錯(cuò)內(nèi)耗等），應(yīng)力集中會(huì)殘留下來。因此為抵消應(yīng)力能，磁疇組織的重新定向排列，并在應(yīng)力集中區(qū)形成類似缺陷的漏磁場分布形式而保留下來。2.3 磁場梯度當(dāng)磁力線通過缺陷的時(shí)候，由于工件內(nèi)部的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣的磁導(dǎo)率，所以缺陷處的磁力線會(huì)產(chǎn)生壓縮畸變，最后過多的磁力線容納不下便在表面形成漏磁場。同樣的，對(duì)于應(yīng)力集中區(qū)，也會(huì)出現(xiàn)相同的情況，所以就可以利用磁記憶檢測技術(shù)對(duì)漏磁場 進(jìn)行測定，來對(duì)缺陷判斷。在應(yīng)力集中區(qū)，磁疇體積增加，形成磁疇的固定節(jié)點(diǎn)，在工件表面形成漏磁場，再通過測磁儀器檢測表面漏磁場的大小。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力集中區(qū)的切向分量具有最大值，而法向分量改變符號(hào)，并且有零值點(diǎn)，如圖2.2所示。磁記憶檢測就是利用的過零點(diǎn)的特征來判斷應(yīng)力集中區(qū)的位置8。圖2.2 應(yīng)力集中區(qū)的表面漏磁場分布圖大多數(shù)情況下，在應(yīng)力集中比較大的區(qū)域或者存在缺陷區(qū)域，為了評(píng)定該區(qū)域的缺陷或應(yīng)力情況可以用磁場梯度值或來表示。 （2.1） (2.2) 式中：-磁場強(qiáng)度極大值；-磁場強(qiáng)度極小值； -評(píng)價(jià)區(qū)域長度。大量實(shí)驗(yàn)表明，存在缺陷或應(yīng)力集中的區(qū)域其磁場梯度值K就越大。3 磁記憶二維檢測原理 3.1 磁記憶二維檢測理論基礎(chǔ)在鐵磁構(gòu)件的應(yīng)力集中部位，其磁記憶切向分量和法向分量會(huì)變化，根據(jù)這個(gè)特征來分析應(yīng)力集中區(qū)。而遠(yuǎn)離應(yīng)力集中區(qū)時(shí)，處于平緩變化，如圖3.1所示。圖3.1 二維磁記憶檢測原理這對(duì)我們來分析應(yīng)力集中區(qū)提供了依據(jù)，于是我們引入李薩如圖分析法。把同時(shí)在X軸和Y軸上作簡諧運(yùn)動(dòng)的一個(gè)質(zhì)點(diǎn)形成的圖形叫李薩如圖。李薩如圖的制作基于以下的公式： (3.1) (3.2)可以看出，當(dāng)兩個(gè)相互垂直的振動(dòng)的頻率為任意值，合成運(yùn)動(dòng)的軌跡會(huì)變得不穩(wěn)定而且比較復(fù)雜。為了得到一個(gè)穩(wěn)定、封閉的曲線圖形，這兩個(gè)振動(dòng)的頻率就必須成簡單的整數(shù)比，這就是形成封閉的李薩如圖和開口的李薩如圖的根本區(qū)別。由于構(gòu)件應(yīng)力集中區(qū)以外的磁記憶信號(hào)變化平緩，頻率為任意值不成整數(shù)比，所以李薩如圖形成了不封閉的曲線。而應(yīng)力集中區(qū)附近的磁場，由于法向分量的頻率近似是切向分量的兩倍左右，所以李薩如圖曲線會(huì)形成一個(gè)封閉的曲線圖形。由于實(shí)際的情況受很多因素的影響，并且把切向和法向分量微分后的函數(shù)也是正弦或余弦函數(shù)，所以一般都用切向和法向分量微分后的函數(shù)制作李薩如圖9。采用二維的李薩如圖檢測方法時(shí)，根據(jù)應(yīng)力集中部位的兩種信號(hào)的特征，就能比較準(zhǔn)確的收集所有有關(guān)應(yīng)力集中區(qū)域的信息，對(duì)我們檢測和分析都是非常的有利。3.2 磁偶極子模型鐵磁構(gòu)件受定向拉應(yīng)力作用后，應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生的漏磁場可以用帶磁偶極子模型來等效。如圖3.4所示。圖3.2 帶磁偶極子模型示意圖假定有一矩形槽，磁荷分布在槽的兩壁形成磁極，這便是磁偶極子模型。如圖3.2，槽壁上寬度為的面元在點(diǎn)P處產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度為： (3.3) (3.4)式中：-磁荷面密度，為一個(gè)常數(shù) 對(duì)上式的x、y進(jìn)行微分得到： (3.5)在對(duì)給方向的積分累加可得總的磁場分量、分別為： (3.6) (3.7)根據(jù)上式可得磁記憶信號(hào)的法向分量和切向分量的分布曲線，如圖3.3所示：圖3.3 試件表面漏磁場分布 對(duì)公式（3.8）進(jìn)行近似化簡，式中， ，得到： (3.8)對(duì)公式（3.10）求反函數(shù)得: (3.9)把公式（3.11）帶入公式（3，9），此時(shí)y為變量，x為常量，得出與之間的變化關(guān)系： (3.10)根據(jù)上式的計(jì)算可得到表面漏磁場的二維分布曲線，如圖3.4所示:圖3.4 表面漏磁場的二維信號(hào)分布從3.4圖我們可以看出：應(yīng)力集中程度的不同顯現(xiàn)在李薩如圖中的曲線所圍成的面積不同。隨著載荷的增加，應(yīng)力集中程度增加，圍成的面積也相應(yīng)增加。由此我們可以利用這個(gè)原理來對(duì)應(yīng)力集中定量。3.3 矢量合成法在磁記憶二維檢測中的應(yīng)用3.3.1 切向分量的檢查原理要實(shí)現(xiàn)磁記憶的二維檢測，就必須得到切向和法向的分量。法向分量的磁場是垂直工件的，單一的，容易檢測到。切向分量的檢測才是關(guān)鍵，可是對(duì)切向分量的測量目前還存在一些問題，主要表現(xiàn)在：（1）切向分量相對(duì)于法向分量非常微弱，更易受到外界環(huán)境的干擾；（2）切向分量的測量值與傳感器的放置方向有很大的關(guān)系。由于磁場具有矢量特性，所以可以用矢量合成法來對(duì)切向分量進(jìn)行檢測10。3.3.2 切向分量矢量合成法的基本原理矢量運(yùn)算中常利用兩個(gè)分矢量首尾連接，合矢量從第一個(gè)分矢量的尾指向第二個(gè)分矢量的首圍成一個(gè)三角形即平行四邊形法法則。當(dāng)兩個(gè)分矢量相互垂直時(shí)，分矢量與合矢量圍成一個(gè)直角三角形；反之，平面內(nèi)任意一個(gè)矢量都可以分解成兩個(gè)相互垂直的分矢量11。為了對(duì)切向分量進(jìn)行測量，我們根據(jù)圖3.5進(jìn)行分析。選擇XOZ平面為磁場測試平面0，在該平面中任選一點(diǎn)A為測試點(diǎn)，此時(shí)可以得到： (3.11)式中：-磁感應(yīng)強(qiáng)度與霍爾元件平面法線夾角-磁感應(yīng)強(qiáng)度與水平方向的夾角-霍爾元件平面法線與水平方向的夾角由圖4.1可知，,，則: (3.12)所以 (3.13) 圖3.5 矢量合成法原理示意圖4 金屬磁記憶檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究4.1 實(shí)驗(yàn)材料及參數(shù)本次實(shí)驗(yàn)采用45#鋼作為研究對(duì)象，45#鋼是常用中碳調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼。該鋼冷熱加工性能都不錯(cuò)，機(jī)械性能較好，具有較高的強(qiáng)度和較好的可加工性。為了消除其他因素對(duì)初始磁記憶信號(hào)的影響，試驗(yàn)前對(duì)試件應(yīng)進(jìn)行去應(yīng)力退火處理。試驗(yàn)試塊規(guī)格尺寸如圖4.1所示。圖4.1 45#鋼雙側(cè)U型缺口平板試樣圖4.2 45#鋼雙側(cè)U型缺口平板試樣實(shí)物圖4.2 試驗(yàn)設(shè)備及條件4.2.1 拉伸機(jī)型號(hào)為WDW-E100D的微型控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)一臺(tái),如圖4.3 圖4.3 WDW-E100D的微型控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)4.2.2 高斯計(jì)美國 Lakeshore 公司 421 型高斯計(jì)兩臺(tái)，如圖4.4所示。一臺(tái)用于精確測量試樣表面切向漏磁場，一臺(tái)用于精確測量試樣表面法向漏磁場。該高斯計(jì)具有較高分辨率。圖4.4 421型高斯計(jì)4.2.3 二維磁記憶測量系統(tǒng)本系統(tǒng)由高斯計(jì)、計(jì)算機(jī)、步進(jìn)電機(jī)掃描系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)電路共同組成。利用兩個(gè)互相垂直的探頭檢測工件表面的漏磁場。如圖4.5圖4.5 二維磁記憶測量系統(tǒng)4.3 試驗(yàn)實(shí)施過程4.3.1 試塊的制作對(duì)45#鋼軋制件先進(jìn)行預(yù)備熱處理，為了提高45#鋼的塑性，再將其進(jìn)行低溫球化退火，對(duì)毛胚件按照?qǐng)D4.1進(jìn)行切削加工，最后調(diào)質(zhì)處理提高硬度和其綜合性能，于是實(shí)物圖就如4.2所示。4.3.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備選取3個(gè)45#鋼U型缺口試塊，對(duì)不同的試件進(jìn)行編號(hào)和劃線（注意方向，正面朝上）。離U型缺口2mm處，用筆劃出一條60mm的一條直線，以試件U型缺口為中心，左右各25mm，如圖4.1所示標(biāo)出測量線L1、L2、L3，兩條線間距為3mm。4.3.3 試驗(yàn)方法a.連接好二維磁記憶測量系統(tǒng)；b.打開拉伸軟件，在菜單“文件”中選擇“創(chuàng)建試驗(yàn)方案”，根據(jù)試樣的尺寸和要求設(shè)置好試驗(yàn)方案；c.調(diào)節(jié)好拉伸機(jī)和磁場掃描儀；d.打開設(shè)置數(shù)據(jù)采集軟件，運(yùn)行程序；e.開始試驗(yàn)，分別在載荷為0KN、3KN、6KN、9KN、12KN下進(jìn)行靜載拉伸，沿測量線離線測量試件表面的法向分量和切向分量。4.3.4 數(shù)據(jù)處理將得到的切向和法向數(shù)據(jù)處理后輸入到Origin軟件中，得到切向和法向分量的變化數(shù)據(jù)圖，再分別對(duì)法向和切向數(shù)據(jù)進(jìn)行微分，求出其各自的磁場梯度值，再以二者的梯度值分別作為橫、縱坐標(biāo)，畫出李薩如圖，用Origin軟件求出李薩如圖圍成的面積，并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。4.4 試塊有限元的仿真根據(jù)圖4.1的試塊尺寸用ANSYS15.0軟件進(jìn)行有限元仿真，假定試塊為平面應(yīng)力狀態(tài)，Z方向上的尺寸相對(duì)應(yīng)X、Y上的很小，因此壓力可以認(rèn)為僅作用于X、Y平面上。本次對(duì)試塊分別在3KN、6KN、9KN、12KN靜拉力下進(jìn)行有限元仿真。4.4.1 建立幾何模型再定義為45#鋼材料，以圖4.6中的中軸線先畫出1/4的網(wǎng)格（直線40格，弧線15格），然后再映射，就可以得到圖4.7的網(wǎng)格模型。 圖4.6 幾何模型圖4.7 網(wǎng)格模型4.4.2應(yīng)力加載和求解再對(duì)網(wǎng)格模型施加不同的載荷，最后我們就可以得到不同載荷下的，如圖4.8 （a）3KN的應(yīng)變圖 （b）3KN的應(yīng)力圖（c）6KN的應(yīng)變圖（d）6KN的應(yīng)力圖（e）9KN的應(yīng)變圖（f）9KN的應(yīng)力圖（g）12KN的應(yīng)變圖（h）12KN的應(yīng)力圖圖4.8 45#鋼缺口試塊的應(yīng)力應(yīng)變圖4.4.3 仿真實(shí)驗(yàn)小結(jié) 從上圖可以明顯看出： A.U形缺口附近的應(yīng)力集中是最大的，隨著離缺口的距離越遠(yuǎn)，應(yīng)力集中程度越小。 B.隨著外加應(yīng)力的增大，應(yīng)力集中也變大。5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)3塊45#鋼進(jìn)行靜載拉伸實(shí)驗(yàn)，通過拉伸機(jī)對(duì)試件進(jìn)行不同程度的拉伸實(shí)驗(yàn)，再通過二維磁記憶測量系統(tǒng)得出45#鋼試件上不同應(yīng)力下、不同位置磁信號(hào)的切向和法向數(shù)據(jù)，從而得到我們找尋的規(guī)律特征。在應(yīng)力作用下，圖5.1中試件1，3號(hào)線中央的U型口根部應(yīng)力集中程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2號(hào)線中央處的應(yīng)力集中程度。所以取1號(hào)線或3號(hào)線的數(shù)據(jù)輸入到Origin軟件進(jìn)行分析作圖是最能夠表現(xiàn)出法向和切向分量特征變化的，1號(hào)線中不同測量點(diǎn)的磁記憶信號(hào)的對(duì)比，就可以反映出應(yīng)力集中程度對(duì)磁記憶信號(hào)的影響。由于實(shí)驗(yàn)的1、2號(hào)試塊的數(shù)據(jù)誤差比較大，所以本次實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)3號(hào)試塊的1號(hào)測量線得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。5.1 法向磁信號(hào)分析利用Origin軟件處理得到的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5.7所示。 （a）1號(hào)路線 (b)2號(hào)路線(c)3號(hào)路線圖5.1 3號(hào)試件1,2,3實(shí)驗(yàn)測量路線的法向分量通過對(duì)圖5.1分析發(fā)現(xiàn)：a.各條測量線磁記憶法向分量曲線均有過零現(xiàn)象,并且在U型缺口兩側(cè)的符號(hào)發(fā)生改變；b.2號(hào)線上的測量值會(huì)比1、3號(hào)線上測得的小； c.應(yīng)力增加，表面的測得值相應(yīng)也變大；d.不施加靜載時(shí)，初始磁信號(hào)很小，變化也比較平緩；施加靜載后，磁信號(hào)顯著增加，出現(xiàn)很好的過零現(xiàn)象；e.拉力過不過屈服點(diǎn)對(duì)法向分量的特征變化不是很大。5.2 切向磁信號(hào)分析圖5.2所示為切向磁信號(hào)的處理結(jié)果。 （a）1號(hào)路線 （b）2號(hào)路線（c）3號(hào)路線圖5.2 3號(hào)試件1,2,3實(shí)驗(yàn)測量路線的切向分量從上圖可以看出：a. 各條測量線磁記憶切向分量都有個(gè)最大值，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，最大值都出現(xiàn)在U型缺口附近；b.切線磁信號(hào)相比法向磁信號(hào)變化較?。籧.外加力比不加力作用，在同樣部位的切向分量峰值顯著增大；d.在屈服點(diǎn)切向分量最大值變化非常大。5.3 李薩如圖分析要進(jìn)行磁記憶二維檢測就要求同時(shí)分析切向和法向的磁信號(hào)，所以引入李薩如圖分析法。通過求曲線圍成的面積，就能夠判斷應(yīng)力集中程度。這時(shí)我們把法向分量和切向分量結(jié)合在一起進(jìn)行二維分析，結(jié)果如圖5.3所示12。 （a）1號(hào)路線 （b）2號(hào)路線（c）3號(hào)路線圖5.3 二維分量李薩如圖從上圖可以看出，這樣分析形成的二維檢測曲線是不穩(wěn)定的開口的李薩如圖。其實(shí)在實(shí)際測量中，我們不可能除去所有的外界的干擾因素，這些因素的存在很大的影響了對(duì)李薩如圖的結(jié)果，研究發(fā)現(xiàn)如果對(duì)切向和法向的磁信號(hào)的結(jié)果微分的話，我們就可以對(duì)他們的導(dǎo)數(shù)（即梯度K)建立李薩如圖，如圖5.4和5.5所示，分別為法向和切向磁信號(hào)微分后的梯度K曲線13。梯度K曲線的計(jì)算公式為： (5.1)式中: -磁記憶信號(hào)檢測線上相鄰兩個(gè)檢測點(diǎn)間的磁信號(hào)之差； -相鄰兩個(gè)磁記憶信號(hào)檢測點(diǎn)之間的距離。(1)法向分量微分后的梯度k曲線。 （a）1號(hào)路線 （b）2號(hào)路線（c）3號(hào)路線圖5.4 3號(hào)試件1,2,3線路上不同載荷下的法向分量微分后的梯度k曲線(2)切向分量微分后的梯度k曲線。 （a）1號(hào)路線 （b）2號(hào)路線（c）3號(hào)路線圖5.5 3號(hào)試件1,2,3線路上不同載荷下的切向分量微分后的梯度k曲線(3)最后對(duì)法向和切向分量分別微分，以 為橫坐標(biāo)，為縱坐標(biāo)建立的李薩如圖，如圖5.6所示。 （a）1號(hào)路線 （b）2號(hào)路線（c）3號(hào)路線圖5.6 3號(hào)試件1,2,3路線上不同載荷下對(duì)二維分量微分的李薩如圖利用origin軟件對(duì)圖5.6的李薩如圖求當(dāng)量面積，結(jié)果如下14：（1）1號(hào)路線上不同載荷下的結(jié)果如圖5.70KN 3KN6KN 9KN12KN圖5.7 1號(hào)路線上不同載荷下origin軟件所求得的結(jié)果由上圖看出，1號(hào)路線不同載荷下的當(dāng)量面積值依次為：0.0000451 、0.0126983、0.0193627、0.0192081、0.0342521（2）2號(hào)路線上不同載荷下的結(jié)果如圖5.80KN 3KN6KN 9KN12KN圖5.8 2號(hào)路線上不同載荷下origin軟件所求得的結(jié)果由上圖看出，2號(hào)路線不同載荷下的當(dāng)量面積值依次為：0.0004133、0.0128077、0.0154141、0.0215317、0.0251263（3）3號(hào)路線上不同載荷下的結(jié)果如圖5.9所示0KN 3KN6KN 9KN12KN圖5.9 3號(hào)路線上不同載荷下origin軟件所求得的結(jié)果由上圖看出，1號(hào)路線不同載荷下的當(dāng)量面積值依次為：0.0004068、0.0100815、0.0214683、0.0232025、0.0274634通過得到的當(dāng)量面積數(shù)據(jù)值我們能做出圖5.10的曲線15。圖5.10 應(yīng)力與當(dāng)量面積的關(guān)系通過對(duì)上圖分析發(fā)現(xiàn)：a.隨著應(yīng)力的提升，李薩如圖的當(dāng)量面積值也在提升；b.2號(hào)線的當(dāng)量面積比1、3號(hào)線小，應(yīng)力集中程度??；c.應(yīng)力與當(dāng)量面積的關(guān)系曲線與應(yīng)力與應(yīng)變曲線相似，各個(gè)階段都在各曲線中找得到對(duì)應(yīng)的階段；5.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的處理分析后，可以得到以下結(jié)論：a.應(yīng)力集中區(qū)的漏磁場的切向分量有最大值，法向分量 在應(yīng)力集中的兩邊改變符號(hào)，并在集中區(qū)處于零值點(diǎn)。b.試件的法向磁場分量和切向磁場分量都隨拉力增加而增大。c.應(yīng)力較小時(shí)磁記憶法向分量過零點(diǎn)與切向分量峰值出現(xiàn)位置與理論位置有偏差，但隨著應(yīng)力的加大，漸漸向理論位置靠攏。d.單靠法向分量或切線分量顯現(xiàn)的應(yīng)力集中位置有一定的偏差不是很準(zhǔn)確，但隨著應(yīng)力的加大二者指示的位置相靠攏。e.加大應(yīng)力后，對(duì)兩個(gè)方向上的磁場分量微分就會(huì)形成穩(wěn)定并且封閉的李薩如圖，隨著應(yīng)力的增加李薩如圖曲線圍成的面積增大，所以這個(gè)時(shí)候就可以利用李薩如圖曲線圍成的面積來對(duì)應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行定量。5.5 未來展望（1）磁記憶檢測還沒得到所有無損檢測人員的認(rèn)可，主要由于基礎(chǔ)的理論研究還不完善。由于磁記憶涉及的學(xué)科內(nèi)容廣，所以對(duì)基礎(chǔ)理論的研究是當(dāng)前的首要任務(wù)。（2）要做到像其他常規(guī)無損檢測方法一樣準(zhǔn)確定位、定量還有很大的困難。外界因素對(duì)磁記憶的影響，如地磁場對(duì)磁記憶的影響到底有多大，還不清楚。這是要發(fā)展磁記憶檢測所以解決的一大問題。（3）應(yīng)力集中區(qū)的損傷程度和磁場強(qiáng)度之間的關(guān)系是阻礙磁記憶推廣的麻煩，檢測標(biāo)準(zhǔn)的建立迫在眉睫。（4）磁記憶的影響因素多，而且還不能確定影響的程度，所以發(fā)展多通道、多參量診斷技術(shù)，能避免這個(gè)問題，例如本文中所利用提取的切向、法向分量，對(duì)其微分制作李薩如圖的分析方法，為磁記憶檢測提供了很好的研究手段。（5）工欲善其事 必先利其器。完善提高磁記憶檢測儀器使其在測量精度、測量速度、設(shè)備的體積重量、記憶成