磁记忆检测力—磁效应的数值模拟及试验研究

论文摘要

本文针对铁磁构件早期诊断的无损检测新方法——磁记忆方法的力-磁效应原理进行了研究。以磁性物理学及铁磁学理论为指导,以数值模拟和试验研究为手段,主要研究了应力对试样表面泄漏磁场的影响,探索了铁磁材料力-磁效应的物理机制。根据磁性物理学、铁磁学和热力学理论,分析探讨了铁磁材料内部能量变化规律和力-磁效应的磁化模型,并以含圆孔平板试样为研究对象,建立有限元模型,对铁磁构件力-磁效应进行了数值模拟,得出了铁磁构件应力集中处泄漏磁场的磁感应强度切向分量出现最大值,法向分量有过零的结果,且该结果中应力集中处磁感应强度值分布范围与真实试验结果相符。以18CrNi4A钢为研究对象,分别进行了含典型缺陷试样静拉伸时表面泄漏磁场的在线测量和经过不同程度拉伸并卸载后表面泄漏磁场的测量。与此同时,对试样进行了材料非线性应力场有限元模拟,并将其数值计算结果与磁场测量结果进行了对比。结果表明:在各种试样加载过程中,其人工缺陷部位受载较小时的磁场信号变化较平缓,载荷增大到产生屈服或一定程度塑性变形后的磁场信号则波动剧烈;且对于受载试样而言,在颈缩时的磁场信号往往会出现跃变的现象。经分析认为,磁记忆信号的这种变化与材料内部微观组织的状态有关,随着载荷的增大,所有晶粒都将向着某个稳定的取向发生转动,形成一定的择优取向的结构,由于应力集中的影响,使自发磁化强度的方向偏离了其平均方向,磁畴将发生转动、移动,使得在此区域的边缘也产生了磁荷。作者还以18CrNi4A钢圆棒和板件试样为研究对象进行了拉拉疲劳试验和三点弯曲疲劳试验,研究了试样在不同疲劳应力水平作用下和不同循环周次后磁记忆检测信号的变化规律。得出了试样在周期疲劳载荷作用下随着应力水平增加,表面漏磁场曲线分布范围及应力集中部位漏磁场梯度值逐渐增大的结论。以上得出的研究结论,可望有助于真正揭开磁记忆产生的机理,为早日建立应力集中早期诊断的量化评价及评判标准提供理论依据。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 课题研究的意义
• 1.2 金属磁记忆检测技术的研究现状
• 1.3 课题的研究内容
• 2 金属磁记忆检测技术的基础理论
• 2.1 铁磁材料的磁学基本特性
• 2.1.1 磁性的分类
• 2.1.2 自发磁化和磁畴
• 2.1.3 铁磁体内系统能量的表述
• 2.2 与磁记忆检测有关的力学性质
• 2.2.1 含小孔平板单向拉伸的应力集中
• 2.2.2 含裂纹平板单向拉伸的应力集中
• 2.2.3 含双侧缺口平板单向拉伸的应力集中
• 2.2.4 三点弯曲载荷形式下板件的应力集中
• 2.3 金属磁记忆检测原理
• 2.4 本章小结
• 3 铁磁构件力-磁效应的磁化模型及数值模拟
• 3.1 力-磁效应的磁化模型
• 3.2 铁磁构件力-磁效应的数值模拟
• 3.2.1 建立有限元模型
• 3.2.2 加载和求解
• 3.2.3 数值模拟结果及分析
• 3.3 本章小结
• 4 静拉伸载荷作用下铁磁试样漏磁场变化规律研究
• 4.1 试验条件及方案
• 4.2 平板试样静拉伸试验
• 4.2.1 平板试样应力有限元分析
• 4.2.2 平板试样试验结果分析与讨论
• 4.3 圆棒试样静拉伸试验
• 4.3.1 圆棒试样应力有限元分析
• 4.3.2 圆棒试样试验结果分析与讨论
• 4.4 试验结论
• 4.5 本章小结
• 5 疲劳损伤磁记忆检测试验研究
• 5.1 试验条件及研究方案
• 5.2 试验结果分析与讨论
• 5.2.1 圆棒拉拉疲劳
• 5.2.2 平板三点弯曲疲劳
• 5.3 试验结论
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 发表论文情况说明
• 致谢