《基于磁记忆技术的铁磁性材料早期损伤诊断方法研究（学位论文-工学）》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于磁记忆技术的铁磁性材料早期损伤诊断方法研究（学位论文-工学）（142页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、博 士 学 位 论 文基 于 磁 记 忆 技 术 的 铁 磁 性 材 料 早 期 损 伤诊 断 方 法 研 究RESEARCH ON EARLY DAMAGE DIAGNOSISMETHOD OF FERROMAGNETIC MATERIALSBASED ON MAGNETIC MEMORY TESTINGTECHNIQUE冷 建 成哈 尔 滨 工 业 大 学2012 年 6 月国 内 图 书 分 类 号 ： TG115.28 学 校 代 码 ： 10213国 际 图 书 分 类 号 ： 620.179.14 密 级 ： 公 开工 学 博 士 学 位 论 文基 于 磁 记 忆 技 术 的 铁
2、磁 性 材 料 早 期 损 伤诊 断 方 法 研 究博 士 研 究 生： 冷建成导 师： 张嘉钟教授副 导 师： 徐敏强教授申 请 学 位： 工学博士学 科： 一般力学与力学基 础所 在 单 位： 航天学院答 辩 日 期： 2012 年 6 月授 予 学 位 单 位： 哈 尔 滨 工 业 大 学Classified Index: TG115.28U.D.C: 620.179.14Dissertation for the Doctoral Degree in EngineeringRESEARCH ON EARLY DAMAGE DIAGNOSISMETHOD OF FERROMAGNETIC
3、MATERIALSBASED ON MAGNETIC MEMORY TESTINGTECHNIQUECandidate： Leng JianchengSupervisor： Prof. Zhang JiazhongProf. Xu MinqiangAcademic Degree Applied for： Doctor of EngineeringSpeciality： General MechanicsAffiliation： School of AstronauticsDate of Defence： June, 2012Degree-Conferring-Institution： Harb
4、in Institute of Technology摘 要摘 要无 损 检 测 技 术 对 于 保 障 设 备 可 靠 运 行 及 人 身 安 全 具 有 重 要 意 义 。 随 着 现 代设 备 正 日 益 向 高 载 、 高 速 、 高 温 、 高 压 的 方 向 发 展 ， 为 了 防 止 突 发 性 事 故 的 发生 ， 早 期 发 现 引 起 机 械 结 构 和 设 备 失 效 的 各 种 微 观 缺 陷 和 局 部 应 力 集 中 就 显 得尤 为 重 要 ， 而 这 些 在 宏 观 裂 纹 或 缺 陷 产 生 之 前 的 隐 性 损 伤 对 于 传 统 的 无 损 检 测方 法
5、来 说 却 无 能 为 力 。 新 兴 的 金 属 磁 记 忆 技 术 ， 被 认 为 在 早 期 损 伤 检 测 方 面 极富 开 发 潜 力 ， 但 目 前 对 铁 磁 构 件 早 期 损 伤 的 磁 记 忆 检 测 机 理 和 方 法 还 缺 乏 相 应的 系 统 研 究 。本 文 通 过 对 金 属 磁 记 忆 检 测 技 术 的 研 究 ， 找 到 适 用 于 铁 磁 性 材 料 初 期 塑 性变 形 及 早 期 疲 劳 损 伤 诊 断 的 方 法 ， 以 达 到 尽 早 发 现 构 件 损 伤 、 提 前 预 防 失 效 的目 的 。 首 先 探 讨 了 磁 记 忆 技 术 用 于
6、 应 力 状 态 和 疲 劳 损 伤 检 测 的 可 行 性 ， 进 而 围绕 铁 磁 性 材 料 早 期 损 伤 检 测 这 一 核 心 ， 从 静 载 和 疲 劳 拉 伸 试 验 研 究 、 塑 性 范 围内 的 磁 机 械 效 应 模 型 构 建 、 面 向 早 期 疲 劳 损 伤 的 磁 场 畸 变 建 模 等 几 个 方 面 ， 较系 统 地 研 究 了 铁 磁 构 件 早 期 损 伤 的 磁 记 忆 检 测 问 题 。 具 体 来 说 ， 本 论 文 主 要 在以 下 几 个 方 面 展 开 了 探 索 和 研 究 ：基 于 有 效 场 理 论 和 接 近 原 理 ， 详 细 推
7、导 了 单 向 应 力 作 用 下 铁 磁 性 材 料 的 磁机 械 效 应 模 型 ， 数 值 模 拟 了 地 磁 场 下 磁 化 强 度 随 应 力 的 变 化 关 系 ， 表 明 应 力 致磁 场 的 变 化 是 一 个 由 初 始 磁 状 态 不 断 向 非 滞 后 磁 化 强 度 接 近 的 过 程 。 通 过 旋 转弯 曲 疲 劳 试 验 ， 跟 踪 了 磁 信 号 在 旋 转 一 周 不 同 位 置 的 变 化 ， 发 现 与 受 检 对 象 的实 际 应 力 -变 形 状 态 一 致 ； 同 时 研 究 了 磁 记 忆 信 号 随 循 环 次 数 的 变 化 特 征 ， 表 明
8、磁 曲 线 与 疲 劳 损 伤 之 间 具 有 相 关 性 。在 对 磁 记 忆 技 术 用 于 早 期 损 伤 可 行 性 研 究 的 基 础 上 ， 通 过 对 未 退 磁 平 板 试件 和 退 磁 平 板 试 件 的 静 载 拉 伸 试 验 ，研 究 了 加 载 过 程 中 磁 记 忆 信 号 的 演 变 规 律 ，分 别 提 出 了 识 别 弹 塑 性 不 同 变 形 阶 段 的 磁 信 号 特 征 ； 结 合 接 近 原 理 ， 分 析 了 不同 初 始 剩 磁 状 态 对 应 力 致 磁 场 变 化 的 影 响 及 原 因 ， 可 为 以 后 磁 记 忆 检 测 的 标 准制 定
9、提 供 参 考 。通 过 拉 -拉 疲 劳 试 验 ，研 究 了 磁 记 忆 信 号 随 循 环 周 次 的 变 化 规 律 ，提 出 表 征 疲 劳 损 伤 的 关 键 参 量 为 应 力 集 中 区 磁 场 梯 度 ， 基 于 建 立 的 损 伤 变 量 模型 计 算 结 果 与 动 态 疲 劳 过 程 中 四 个 阶 段 不 同 损 伤 程 度 的 演 化 规 律 相 一 致 。建 立 了 适 用 于 塑 性 变 形 阶 段 的 改 进 的 磁 机 械 效 应 模 型 ， 得 到 磁 化 强 度 随 应变 之 间 的 变 化 关 系 。 针 对 目 前 磁 机 械 效 应 模 型 仅 在
10、 弹 性 范 围 内 有 效 的 局 限 性 ，从 能 量 守 恒 的 角 度 出 发 ， 推 导 出 适 用 范 围 更 广 的 磁 化 强 度 与 有 效 场 之 间 的 关 系-I-哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 博 士 学 位 论 文模 型 。 模 型 中 考 虑 了 参 数 钉 扎 系 数 和 有 效 场 度 量 系 数 在 塑 性 范 围 内 为 位 错 密 度的 函 数 ； 塑 性 阶 段 加 载 时 的 有 效 场 公 式 中 明 确 区 分 了 弹 性 变 形 和 塑 性 变 形 所 引起 有 效 场 分 量 的 不 同 ， 而 卸 载 后 的 有 效 场 则 要 包 括
11、 残 余 应 力 产 生 的 附 加 磁 场 。通 过 对 改 进 模 型 的 数 值 模 拟 ， 结 果 表 明 在 较 小 塑 性 变 形 时 磁 化 强 度 会 发 生 急 剧变 化 ； 基 于 光 滑 平 板 退 磁 试 件 的 静 拉 伸 试 验 ， 发 现 在 线 卸 载 时 的 磁 记 忆 信 号 在屈 服 时 产 生 突 变 。 理 论 计 算 结 果 很 好 地 吻 合 实 验 现 象 ， 表 明 提 出 的 模 型 可 以 解决 铁 磁 性 材 料 的 初 期 塑 性 变 形 检 测 问 题 。采 用 XH-500 现 场 金 相 显 微 镜 加 DIG300 专 用 数
12、字 摄 像 头 并 同 步 配 合 磁 记忆 检 测 装 置 建 立 了 显 微 疲 劳 试 验 系 统 ， 应 用 磁 记 忆 显 微 疲 劳 观 测 试 验 方 法 ， 对45#钢 试 件 进 行 了 拉 -拉 疲 劳 试 验 ， 在 细 观 尺 度 上 动 态 观 察 了 疲 劳 短 裂 纹 萌 生 和扩 展 的 演 化 过 程 ， 通 过 维 氏 硬 度 测 试 得 到 显 微 硬 度 在 整 个 疲 劳 过 程 中 的 变 化 规律 。 同 时 分 析 了 V 型 缺 口 处 表 面 磁 记 忆 信 号 随 循 环 周 次 的 变 化 ， 研 究 了 不 同 裂纹 尺 寸 下 对 应
13、 的 磁 信 号 曲 线 分 布 规 律 ， 进 而 确 定 了 早 期 疲 劳 损 伤 的 磁 记 忆 信 号特 征 。 在 此 基 础 上 ， 基 于 塑 性 区 位 错 密 度 线 性 分 布 的 假 设 ， 提 出 应 用 带 磁 偶 极子 模 型 等 效 应 力 集 中 区 磁 畴 的 定 向 排 列 ， 建 立 了 裂 纹 尖 端 塑 性 区 表 面 的 漏 磁 场分 布 模 型 。 分 别 对 漏 磁 场 切 向 分 量 和 法 向 分 量 进 行 了 数 值 模 拟 ， 提 出 了 用 于 表征 损 伤 程 度 和 范 围 的 两 个 关 键 参 量 分 别 为 漏 磁 场 切
14、 向 分 量 的 峰 值 Hxp 和 法 向 分量 波 峰 -波 谷 之 间 的 宽 度 xHyp-p， 实 现 了 疲 劳 损 伤 的 早 期 检 测 。关 键 词 ： 磁 记 忆 技 术 ； 早 期 损 伤 ； 塑 性 变 形 ； 疲 劳 损 伤 ； 磁 机 械 效 应 ； 磁 偶 极子 模 型- II -AbstractAbstractNon-destructive testing techniques have very important influence onguaranteeing reliable equipment operation and life safety. Wi
15、th the increasingdevelopment of modern equipment towards high load, high speed, high temperatureand high pressure, it is vital significant to early discover various micro-defects andlocal stress concentration zones causing mechanical structure and equipment failureto avoid sudden accident, but these
16、 hidden damage occurring before macro-cracksor defects can not be detected by traditional non-destructive testing methods. Anewly arisen technique named metal magnetic memory is deemed to have potentialsin detecting early damage, whereas it is lack of systematic research on magneticmemory testing mechanism and method in early damage of ferromagneticcomponents.A method suitable to detect initial plastic deformation and early fatiguedama
