应力集中和腐蚀检测实习

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1、创新实习报告题目名称学院（系）机械工程学院专业班 级材料成型及控制工程 班学生姓名指导教师目录应力集中实习1应力集中的概念 32何种结构容易产生应力集中 33应力集中的测试方法 34磁记忆应力集中测试原理与仪器 54.1磁记忆检测原理54.2磁记忆应力集中测试的仪器构造 6421压电双晶片探头6422霍尔传感器75测试方法创新95.1磁场线圈方法 95.2磁场传感器方法 96测试结果分析117应力集中测试探头设计 12腐蚀检测实习1腐蚀的概念132何种结构容易产生腐蚀 143腐蚀的检测方法 143.1漏磁通法143.2超声波法153.3金属腐机械井径法 153.4电磁法154. 金属腐蚀测试原

2、理与仪器 164.1超声检测的原理164.2超声探伤仪器 185. 测试结果分析 18应力集中1应力集中的概念弹性力学中的一类问题，指物体中应力局部增高的现象，一般出现在物体形状急 剧变化的地方，如缺口、孔洞、沟槽以及有刚性约束处。应力集中能使物体产生疲劳 裂纹，也能使脆性材料制成的零件发生静载断裂。在应力集中处，应力的最大值（峰 值应力）与物体的几何形状和加载方式等因素有关。 局部增高的应力随与峰值应力点 的间距的增加而迅速衰减。由于峰值应力往往超过屈服极限（见材料的力学性能）而 造成应力的重新分配，所以，实际的峰值应力常低于按弹性力学计算得到的理论峰值 应力。2何种结构容易产生应力集中1.

3、 截面急剧变化的位置，如构件中的油孔，键槽，缺口，台阶等。2. 集中力作用的位置，如齿轮轮齿间的接触点，火车车轮与钢轨的接触点。3. 材料本身不连续的位置，如材料中的夹渣，气孔。4. 构件由于装配，焊接，冷加工，磨削而产生的裂纹。5. 构件在制造或装配过程中，由于强拉伸，冷加工，热处理，焊接等而形成的 残余应力，这些残余应力叠加上工作应力后，有可能出现较大的应力集中。6. 构件在加工或运输过程中的意外撞伤和刮痕。3应力集中的测试方法传统的应力测量方法，如机械法、光测法、衍射法等，其优势在于理论体系完备， 检测方法成熟，可以精确测量构件表面的主应力大小与方向，给出应力分布图，但检测周期长，对构件

4、表面光洁程度要求高，大多采用接触式测量方法，操作过程复杂。 例如，机械法对被检测对象有破坏，只能逐点测量，精度受应变片栅长限制；多点测 量时，需反复安装应变片，多次调整检测电路；光测法对光学元件及光路调整要求较 高，对被测件表面质量要求也很高，并且受检测设备的限制，许多工业结构无法安装 光路；对于部结构不均匀的构件，制造模型困难，难以应用光测方法分析应力。因此， 目前这些较为成熟的应力定量检测方法都很难适应现代化工业生产的要求，在应用中可将光测法与机械法相结合，可显著提高应力测量精度。衍射法能对应力进行准确的 定量检测，但仪器较大且设备昂贵，不适合现场复杂条件下的应力检测。 超声波法和 纳米压

5、痕法因其操作的简便性，而具有广阔的应用前景，但超声波法只能测试一定距 离的平均应力，无法对单点做定量检测，纳米压痕法的理论模型尚不成熟，还有待做 进一步的实验研究。在工业生产检验中，目前应用最广泛的无损检测的方法主要有涡流检测法、液体 渗透法、磁粉检测法、射线检测法和超声波检测法，它们被称作为五大常规无损检测方法。这些传统的检测方法技术成熟，在质量控制、安全保障、事故预防等方面发挥 了重要作用，但仍存在以下一些不足之处：(1) 均是寻找已经存在的缺陷，不能发现和预测将要发生缺陷的部位，无法解决设 备突发性破坏问题；(2) 需要对被检对象表面进行清理和一些预处理；(3) 般需要被检测对象停止工作

6、；|(4) 检测易受工件形状、结构和检测人员技术水平等因素的制约，检测结果的可靠 性受到影响；(5) 检测效率低。设备的零部件和金属构件发生损坏的主要原因是各种微观和宏观机械应力集中。 在应力集中区域，疲劳、腐蚀和蠕变过程的发展尤为剧烈。因此,有效地评价应力变形 状况,特别是导致损伤的临界应力变形状况便成为评价设备和结构强度与可靠性的一 个重要依据。为了及时准确地找出最大机械应力变形区域，就必须开发新的无损检测方法。上世纪九十年代后期，以杜波夫为代表的俄罗斯学者率先提出了一种崭新的金 属无损诊断方法一一金属磁记忆检测技术。该方法的原理是基于铁制工件在运行时，受工作载荷和地球磁场的共同作用，在应

7、力和变形集中区域会发生具有磁致伸缩性质 的磁畴组织定向和不可逆的重新取向，而且这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除 后不仅会保留，还与最大作用应力有关系。金属磁记忆检测技术作为一种新兴的检测 手段，与其它传统的检测方法相比，有着其自身所特有的一些优点，弥补了传统无损检 测方法的一些不足：(1) 可准确可靠地探测出被检对象上以应力集中区为特征的危险部件和部位，是迄今为止对金属部件进行早期诊断的唯一行之有效的无损检测方法；(2) 不需要专门的磁化设备，而是利用地磁场这一天然磁场源对工件进行磁化，从 而能对铁制工件进行可靠的检测；(3) 不需要对被检工件的表面进行清理或其他预处理，对工件表面的检测可

8、在线进 行;(4) 检测重复性和可靠性好；(5) 能实现快速检测,提高了检测效率。金属磁记忆检测技术为无损检测领域提供了一种崭新的无损探伤手段，有着很高的实用价值和广阔的发展前景，在其检测原理和诊断方法方面还有很多工作需要作进 一步的探索和完善。4磁记忆应力集中测试原理与仪器4.1磁记忆效应机械零部件和金属构件发生损坏的一个重要原因，是各种微观和宏观机械应力 集中，在零部件的应力集中区域，腐蚀、疲劳和蠕变过程的发展最为激烈。机械应力 与铁磁材料的自磁化现象和残磁状况有直接的联系，在地磁作用的条件下，用铁磁材料制成的机械零件的缺陷或应力集中处会产生磁导率减小，工件表面的漏磁场增大的现象，铁磁性材

9、料这一特性称为磁机械效应。磁机械效应的存在使铁磁性金属工 件的表面磁场增强，同时，这一增强了的磁场 “记忆”着部件的缺陷或应力集中的 位置，这就是所谓的磁记忆效应4.2磁记忆检测原理根据“能量最小原理”，铁磁体在外应力作用下为了保持自身能量体系最低， 其部 必然会发生磁致伸缩性质的磁畴转动， 从而改变其自发磁化方向，增加磁弹性能来抵 消应力能的增加。但是由于金属部存在耗效应（粘弹性，位错耗等） ，使得外应力消 除后，加载时形成的应力集中区得以保留， 且具有很高的应力能，此时磁畴的重新取 向会保留下来，在表面形成畸变的漏磁场。当构件被施加拉应力时，应力集中部位产 生的漏磁场可以用带磁偶极子产生的

10、漏磁场等效。在应力集中部位漏磁场发生畸变，磁记忆信号表现为漏磁场水平分量 Hpx具有最 大值，法向分量值Hpy改变符号并过零点，其原理如图1所示，因此可以利用应力集 中区域磁记忆信号的这一特点诊断构件部以应力集中为特点的早期损伤。4.2磁记忆应力集中测试的仪器构造振动法测量法向磁场梯度压电双晶片探头最早的压电材料是压电单晶体，压电陶瓷直到19世纪40年代才发现，但由于 性能优良，制作方便，价格便宜等，发展十分迅速。压电陶瓷的研究和应用以逆压电 效应为主（在电介质的极化方向上施加电场，会产生机械变形，当去掉外加电场时， 电介质的变形随之消失。这种将电能转化换为机械能的现象，就称为“逆压电效应”）

11、。 压电双晶片的基片上下表面都粘有压电陶瓷片，当在电极施加电压时，利用逆压电效应，两片压电陶瓷片的作用相反，一片伸长时，另一片缩短，使整个结构发生弯曲变 形。压电双晶片采用悬臂梁支撑方式，一端固定，另一端为自由端。当施加交流电压 时，压电双晶片就会发生与驱动电压频率同频率的振动，如图二所示。圉2压电或晶片结妁圉给压电双晶片加上高压正弦驱动信号， 自由端的位移就随电压的变化而变化。 将 霍尔传感器粘贴到自由端并弯曲 90。，使检测时，霍尔传感器的半导体薄片平面与 试件表面平行。当压电双晶片振动时，实现扫描法测量磁场，如图3所示。图3压电双晶片实物图422霍尔传感器根据本课题的要求，待测磁记忆信号

12、是弱磁信号，并且传感器是要固定在压电双 晶片的自由端，所以选用的传感器必须符合体积小、成本低、灵敏度高等条件。比较 三种常见的磁传感器：线圈、霍尔传感器、巨磁阻传感器。线圈感知的是磁场变化率， 其测量结果与检测速度直接相关；霍尔传感器与巨磁阻传感器相比，其测量围较宽， 但其频率响应带宽较窄，功耗也较大。巨磁阻传感器虽然具有较小的测量噪声， 但无 法测量磁场的方向。霍尔传感器的原理是霍尔效应。如图 4所示的金属或半导体薄片，若在它的两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为 B的 磁场。那么，在垂直于电流和磁场的方向上（即霍尔输出端之间）将产生电动势 Uh （霍尔电势或称霍尔电压）

13、，这种现象叫霍尔效应。E 4霍尔效应原理E1基于以上原理，便可以找出具体的应力集中部位，对于所获得的信息进行进 步的处理，就可以定量的分析应力集中部位的具体问题了。如图5所示为金属磁记忆检测仪的原理框图。图5金属遞记忆检测反的原理框图主要包括带屏蔽外壳的振动扫描探头、 正弦波参考信号发生电路、压电双晶片驱 动电路、电源电路、检测信号预处理电路、正交矢量锁相放大电路、微处理器接口转 换电路以及以ARM微处理器为核心的硬件电路等。信号发生器产生峰峰值为2V的正弦波信号，经过升压驱动电路后产生可以驱动探头振动的信号。传感器采集到的磁记忆信号首先经过预处理电路，再通过两路相敏检波电路和电平转化电路送入

14、到微处 理器接口并可将数据传输到 PC机处理。磁记忆应力集中检测仪的硬件电路如图所示：=t.snq #_*_3矇 EE a5测试方法创新由于当构件被施加拉应力时，应力集中部位产生的漏磁场可以用带磁偶极子产生 的漏磁场等效，所以对于应力集中的问题也就变成了一个检测漏磁场的问题。5.1磁场线圈方法0(t) = RNAsinrut如上式可知只要人为控制好线圈匝数， 线圈面积，线圈旋转速度便可以通过所产 生的电动势的变化探知到漏磁场的变化，但是此方法只能探测到漏磁场水平方向和竖 直方向上的磁场变化，需要进一步数理分析才能确定应力集中的位置并可进一步分析 出应力集中水平。1Iy x d0U (t)=dt

15、=cos co I=U0 cosryt图0磁场线圏方进测量瓷场耳理图5.2磁场传感器方法Hall效应磁场传感器图1 Hall效应磁场传感器测量磁场原理團与仪器实物图此方式与第四节所用的霍尔元器件非常相似， 也都是检测霍尔元器件产生的电压， 区别只是在霍尔元器件另两侧施加电场。如今，以此种方式制造的集中应力检测器已 经实现了商品化。除此之外，还有多种元器件可以感知漏磁场的变化，探测数据经过处理，只要能分析出磁场方向的改变，都可以分析出集中应力情况。各种琨场测糧垠罠的测蟹能力浪fcilSIPSB 场強ft恒R9场水雄確体JK片ZZMRRFZZJZsqihdjr衬电浊常赴ZJJC-Z袒 4： Wrfi；4r-ItV. f j3 ； 4 ； J*4：