金属磁记忆检测技术及疲劳评价研究

论文摘要

金属磁记忆检测技术是一种早期诊断的新兴无损检测技术，因在检测铁磁构件早期损伤方面具有极大潜力而备受关注。文中将金属磁记忆检测技术引入到疲劳损伤评价及寿命评估领域中，并做了数值仿真，为研究疲劳损伤奠定基础；且以磁性物理学、铁磁学、材料的疲劳、断裂力学等多个学科为基础，做了大量研究工作。主要研究了疲劳损伤过程演化机制的磁记忆表征规律，建立了基于应力强度因子Δ K和漏磁场强度的疲劳损伤寿命评估参量模型，同时，以电磁学基本理论为指导，应用ANSYS有限元软件对受载铁磁试件的金属磁记忆现象进行了数值模拟。通过对30CrMnSiNi2A钢紧凑拉伸疲劳试件进行高周疲劳试验和磁记忆信号检测，研究了漏磁场强度在疲劳过程中的变化规律。通过分析漏磁场强度与材料疲劳寿命的关系，发现磁信号B（x）在裂尖部位达到最大值；漏磁场强度的平均值B（x）avg分布可分为可分为二个阶段，第一阶段（5-20万次），B（x）剧烈增加，为快速扩展区；第二阶段（20-45万次），在达到峰值后，随着裂纹由表及内的加深，应力不断释放，B（x）逐渐减小；基于累积疲劳损伤理论，分别提出了基于应力强度因子Δ K和基于漏磁场强度的疲劳损伤模型，利用该模型可较好地评估试件的疲劳寿命。通过观察试件的断口形貌，发现试件为先脆性后韧性断裂，初期断口比较平整属于脆性断裂，中期出现准解理形貌，后期出现韧窝表明是韧性断裂。由于缺口的存在，裂尖位置受最大的拉应力，裂尖左端部分区域受最大的压应力；宏观裂纹的扩展在构件的失稳破坏过程中起着主导作用，对于应力强度因子K和J积分值的影响都比较显著。对铁磁机械构件在应力作用下导致表面漏磁场畸变现象进行了模拟，构建了反映构件应力集中与磁记忆参数之间关系的数学模型，并利用有限元分析软件进行数值计算，对铁磁构件的应力集中进行了力-磁效应的量化评价研究；分析表明可根据应力集中区所占面积及应力集中线夹角的变化反映出被检测工件所受载荷的情况。通过压缩实验观察，发现压应力产生的磁记忆效应不明显，且其对材料的磁化强度的作用很小，远小于拉应力对材料的磁化强度的影响,因此在拉伸试验和压缩试验中，压应力方向的磁场畸变程度很小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景与意义
• 1.2 金属磁记忆检测技术的研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 磁机械效应研究综述
• 1.4 本课题研究的主要内容和意义
• 第二章 金属磁记忆检测理论基础
• 2.1 铁磁物质的磁化
• 2.2 铁磁物质的特征现象
• 2.2.1 居里温度
• 2.2.2 磁晶各向异性
• 2.2.3 磁致伸缩与磁滞现象
• 2.3 应力的磁学检测方法
• 2.4 金属磁记忆检测技术机理
• 2.4.1 磁偶极子模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 铁磁构件疲劳损伤的金属磁记忆研究
• 3.1 试验条件及研究方案
• 3.2 试验结果分析与讨论
• 3.3 疲劳断口形貌观察
• 3.4 本章小结
• 第四章 铁磁构件断裂参量及力-磁效应仿真研究
• 4.1 断裂参量数值计算的理论基础
• 4.1.1 应力强度因子数值计算的理论基础
• 4.1.2 J积分数值计算的理论基础
• 4.2 应力分布与断裂参量仿真结果分析
• 4.2.1 应力的分布规律与断裂参量的特征
• 4.3. 铁磁材料力-磁耦合效应的仿真理论基础
• 4.3.1 耦合场分析的类型
• 4.3.2 铁磁构件力-磁效应理论
• 4.3.3 铁磁材料的力-磁效应理论模型
• 4.4 铁磁构件力-磁效应数值模拟
• 4.4.1 建立有限元模型
• 4.4.2 加载和求解
• 4.4.3 数值模拟结果及分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 磁记忆检测的压缩试验研究
• 5.1 铁磁材料的压缩应力应变关系理论模型
• 5.2 试验条件及方案
• 5.2.1 实验材料
• 5.2.2 实验设备
• 5.2.3 实验方案
• 5.3 实验结果
• 5.3.1 不同应力条件下的磁场值B随X的变化关系
• 5.3.2 不同应力条件下，磁场值变化率dB/dX变化关系
• 5.3.3 不同长度的圆柱体的磁记忆信号随X的变化：
• 5.4 本章小结
• 第六章 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