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1、 摘要曲轴是内燃机最重要的零件之一，它的性能如何直接影响着发动机的寿命与可靠性。内燃机工作时，曲轴受到交变的弯曲和扭转的联合作用，主要破坏形式为疲劳破坏。材料的疲劳极限除了与循环应力作用次数有关外，还与危险部位所受应力状态有关，即受循环变应力的应力幅和平均应力大小的影响。在受拉应力的部位，当所受应力值超过材料疲劳极限时，极易出现疲劳裂纹。经过有关科研人员的长期观察与研究，曲轴过渡圆角部位出现疲劳裂纹前，该部位的残余应力为压应力时，工作中有利于减小应力幅，提高疲劳强度；反之，则会降低曲轴疲劳强度。本文研究了基于巴克豪森噪讯的曲轴残余应力测试仪系统。介绍了针对曲轴过度圆角部位的激磁装置的特点及激磁
2、强度的计算方法；巴氏噪讯信号采集与处理处理电路及计算机数据采集系统的结构、基本参数和数据处理方法等。实验数据表明该仪器测试数据准确可口可以应用于各类曲轴残余应力测试。关键词 巴氏噪声 曲轴 残余应力 无损检测 第1章 绪论1.1 本课题研究的目的和意义铁磁材料具有良好的弹性、塑性和强度，用之方便，价格合理，每年钢铁的产量比任何其他金属的产量都要高，因此，铁磁材料被应用于机械加工、石油化工、铁路交通、航空、国防、核工业、及民用工业、领域。铁磁材料及其零部件强度高、硬度大、耐腐，以其构成的产品具有耐久性、实用性，以其构成的工程项目坚固、耐久。这是由于铁磁材料所具有的所有材料都不可替代的抗拉、压、抗
3、疲劳弯曲的特性。利用铁磁材料坚固、耐用抗震的特点，它经常在工程材料中起骨架、支撑作用。在民用及日用工业中，利用铁磁材料的良好的弹性和塑性，把它们加工成汽车外壳、压力容器、麻花钢筋等等。这些产品具有柔软、刚劲、刚硬、坚韧、使用周期长等优点。毫无疑问，钢铁材料不仅目前是将来长期内也将仍然是最重要的、应用最广泛的工程材料之一。由铁磁材料构成的机械构件，在加工制作和使用的过程中，由于受外力作用，温度变化等因素的影响，在其内部会会产生局部的应力集中或松弛，从而引起构件局部或全部的塑性弯曲，变形，造成构件整体强度的降低，特别是构件疲劳强度的降低，从而造成事故隐患。在工业生产中，由铁磁材料加工的零件及其他产
4、品，人们最关心的是他们的质量。在工程技术领域，如建筑、桥梁、铁塔等，人们关心的是他们的寿命。这是因为，这些产品的工程技术指标不仅仅关系到产品的质量、寿命、和价格，而且还关系到人民的生命安全。如铁磁材料构成的压力容器、核容器、锅炉等等，它们都是有焊接结构构成的，当容器内温度、压力达到一定温度时，铁磁材料受力是十分惊人的，危险经常发生。因此，对钢铁材料的各种缺陷，如腐蚀、疲劳、裂纹、应力，弹性变形和塑性变形等检测有着十分重要的意义。它不仅有助于提高产品的质量，延长产品的使用寿命，而且有事能及时发现问题，提前采取有效的措施，从而避免重大的灾难性的事故发生。1。2目前常用的各种检测方法1。2。1 超声
5、波法超声波法是通过测量超声波在铁磁材料中力学性能相异方向上的传播速度差异来测定应力的。但由于超声波在材料中传播速度很快，因此，在材料受力后，相异方向传播速度差异小。且超声波在材料中的传播速度受练处理，各向异性影响较大，因此，要达到准且测量应力相当困难，目前的研究尚未达到实用阶段。1。2。2光测发包括光弹法，激光超声干涉法，散斑干涉法。它是利用偏振光通过双折射效应的透明受力模型获得干涉条纹图，直接观察模型的全部应力分布，特别是可以观察到应力集中的部位，并可迅速确定应力集中系数。这种方法的缺点是：应力测量周期长，检测成本高，不是在线应用检测发展的方向。1。2。3 机械检测法包括切割法，逐次去层法，
6、环孔法，钻孔法等。这些方法都是破坏或半破坏的检测方法。他们都是利用构件局部破坏，应力重新分布之一古老测量技术，在线检测不方便，已逐渐被其它方法代替。1。2。4 X-射线法传统的X-射线法检测应力，是通过测定具有应力的晶粒、晶格之间的应力来测定应力的大小，无损伤的对材料表面进行定量分析。该方法的缺点是：检测设备昂贵，检测精度不高，多次检测重复性不好，检测深度仅达到数微米或几十微米。特别是对大晶粒材料的应力测定，X-射线衍射线变得不连续时，测得的应力值会将有相当大的误差。1。2。5 电阻应变片法应变片法是目前应用相对较普通的一种应力检测方法。应力片法检测应力是将由基片和电阻丝栅组成的应变片贴在材料
7、的表面，基于材料受力后产生的变形，由应力片的电阻丝栅随材料的相对变化一起发生长短变化，来测量材料内部的应力，是连续测量的过程。此方法的缺点是：一个应力片只能测量构件表面一个点在某一方面的应变，不能实现全域性的测量。另外由于它是依靠材料的相对变形来测量作用力，若材料未发生变形，或找不到起始的应力值，则无法测量应力，特别是残余应力。另外，贴应变片程序繁琐，测量周期长，而且成本不低，在线及工程检测应用受到限制。1。2。6 磁巴克豪森噪声法巴克豪森噪声是美国利用巴克豪森效应来检测铁磁材料的应力，硬度等物质的性质。巴克豪森效应是1919年首先由德国物理学家巴克豪森（HBarKHauSen）发现的，故称巴
8、克豪森效应，简称为MBN。虽然巴氏噪声效应发现的较早，理论研究也开展的很早，但很多理论仍然不成熟，还需进一步完善或重新认识。特别是它在应力及材料使用寿命检测的领域的应用研究。实验发现，MBN与材料的受力关系密切相关，随拉应力的增加而增加，随压应力的增加而减少。巴氏噪声法师利用材料受力后，畴壁跳跃释放的噪讯的大小随受力大小的变化的机理来进行应力检测的。根据法拉第电磁感应定律只要将传感器贴在被测构件的表面，就可以通过存储在单片机内的应力与MBN变化关系曲线，立即反映出材料服役应力及疲劳情况，根据趋服效应理论及实验测量，采用低频磁化源应力检测深度可达12um。 因此，用巴氏噪声法对铁磁材料残余应力，
9、服役应力及疲劳寿命的检测是应力、硬度、材质、合格率检测的新趋势。1。3残余应力测量方法的研究现状各种机械工艺如铸造、切削、焊接、热处理、装配等都会使工作内出现不同程度的残余应力。残余应力产生的原因，可分为外在原因和来源于物体内部组织结构不均匀的内在原因。残余应力的存在，一方面工件会降低强度，使工件在制造时产生变形和开裂等工艺缺陷；另一方面又会在制造后的自然释放过程中使工件的尺寸发生变化或者使其疲劳强度、应力腐蚀等力学性能降低。因此，残余应力的测量，对于确保工件的安全性和可靠性有着非常重要的意义。本文结合实际应用综合阐述了目前对残余应力测量比较常用的一些方法，并介绍了当前国内外新型的一些残余应力
10、测量方法，在此基础上对残余应力测量的发展趋势进行了分析。1。3。1传统的残余应力测量方法目前传统残余应力的测量方法主要分为两大类。（1）机械类。有取条法、切槽法、剥层法、钻孔法等。机械法测量残余应力需释放应力，这就需要对工件局部分离或者分割，从而会对工件造成一点的损伤或者破坏，但机械法理论完善，技术成熟，目前在现场测试中广泛应用，其中尤以浅盲空法的破坏性最小。（2）物理检测法。主要有X射线法、超声法和磁性法。这些方法均属无损检测法，对工件不会造成破坏。1。3。2 新型的残余应力测量方法 1。多空差方法 过去研究测量三维残余应力方法都着眼于广义虎克定律的应用。通过测量应变计算应力。多空差方法是对
11、三维残余应力测量进行探索，建立试样的三维静力平衡方程的偏微分方程，用有限差分法解该偏微分方程，通过测量孔深度计算应力，该方法采用一个已知应力解的算例进行了验证。2。裂纹柔度法 裂纹柔度法的测定原理是基于线弹性断裂力学原理，在被测物体表面引入一条逐渐增加的裂纹来释放残余应力，从而通过测定零件表面的残余应力释放量来测定相应的应变、位移或转角等量值，用来分析与计算残余应力。 研究结果表明，裂纹柔度法与逐层钻孔法及X射线衍射法相比，具有更好的敏感性和精确度，可用于测定板类构件内部残余应力。作为一种残余应力测试新技术，裂纹柔度法具有很大的工程应用潜力，但对其适用的范围及测试误差等课题还有待更深入的研究。
12、 3。磁记忆应力检测方法 磁记忆检测方法是一种全新的铁磁金属材料诊断检测技术，其原理：处于地磁环境下的铁制构件受工作荷载的作用，内部会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向的和不可逆的重新取向，并在应力与应变集中区形成最大的漏磁场的变化。这种磁状态的不可逆变化在工作荷载消除后继续保留，增强后的磁场“记忆”了构件应力集中的位置，这就是磁记忆效应。从而通过测定漏磁场法向分量，便可准确地推断构件的应力集中区。 研究表明，铁磁性金属构件表面上的磁场分布与其内部应力有一定的关系，因此可通过检测构件表面的磁场分布情况间接地对部件应力集中位置进行推断。4.扫描电子声显微镜 扫面电子声显微镜是将扫面电子显微镜和声
13、学技术结合而研制成的技术。该技术基于热波成像原理，当一束周期性强度调制的电子束经聚焦入射于试样时，试样表面受到局部的周期加热，激发出热波，利用热波在试样中的传播对材料热学或热弹性质的微小变化进行成像，这些宏观量的微小变化是由于试样的局部晶格结构的改变而引起的，因此它能反映出光学和电子显微镜不能反映的微观热性质或热弹性质的差异，可用于残余应力的定征，由此得到的电子声图像显示了在金属中由韦氏硬度压痕引起的残余应力的横向分布，并且利用扫描电子声图像独特的分层成像能力，揭示了残余应力的深度分布状况，使不测定残余应力三维分布成为可能。扫描电子声显微镜的穿透能力较强，适合对不透明材料中的残余应力进行无损测
14、定。 5.激光超声检测法 人们对用PZT换能器、EMAT探头和声显微镜等技术测量表面波声速来评估其近表面的应力分布，做了大量研究。结果表明，可以用测得的材料自由表面上传播的表面波声速的大小变化来评估其残余应力的分布。但应力所引起的声速相对变化很小，检测难度很大。激光超声波是最近发展起来的无损检测技术，其显著优点是非接触、高的空间和时间分辨率，容易实现高精度测量，已被成功用来表面特性。 激光超声法的原理是用Nd:YAG脉冲激光发声表面波，激光激发声表面波，并用外差激光干涉仪接收。并通过测得的表面波声速在不同的位置上的相对变化反映材料的残余应力分布。对无残余应力、有压缩残余应力、有拉伸残余应力的3
15、个试样应力分布，进行了实验测定。结果证实了试样的残余应力分布可引发声表面波的不同位置上声速的相对变化，证实了激光发声表面波及其接收技术是一种无损检测材料内残余应力分布的有效方法。 6。 其他方法 除去上面所述的种种方法以外，还有用核超精细结构效应进行应力测量的方法，其中有木斯保尔效应、核磁共振和核声共振等3中。这些方法需昂贵的设备，实验条件复杂，因此发展较慢。1。3。3发展趋势分析 对于机械检测法中具有代表性并且广泛应用于工程的钻孔法目前技术成熟，理论完善，采用这种盈亏释放的方法虽然能比较有效地测量残余应力，但它多少带有破坏性，在许多重要工程结构上不能使用，而且检测设备的装拆不便，也达不到实时
16、测量的要求，所以，该方法的发展空间受到限制。X射线衍射法是具有代表性的无限制的无损测量残余应力技术，但它的价格昂贵，对被测物体的表面有较严格的要求，测量时要格外小心谨慎，否则可能带来较大的测量误差。另外，某些材料的焊接金属较大时很难找到衍射面；在测内部应力时必须剥层，这对于大型工件有一定困难。由此可见，开发一种无损、高精度、廉价、绿色环保、可在线测量残余应力的方法具有重大意义。此外，随着科学技术的不断发展，新的物理原理的出现也为残余应力的测量提供了新的发展方向。1.4 设计主要任务1、了解巴克豪森噪讯的产生机理，研究BN信号影响因素及其影响关系，得出BN信号依赖于残余应力变化的条件，为测试仪器信号采集与处理提供理论依据。2、激磁方案设计：选择适合曲轴的激磁方案；设计激磁电路。设计探头，探头应尽量细长，并充分考虑屏蔽和干扰抑制的问题
