[发明专利]利用异变磁信号监测铁磁材料疲劳裂纹扩展的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用地磁场环境下自发产生的异变信号监测疲劳裂纹扩展的方法，适用于承受疲劳载荷的铁磁零部件的动态质量控制，属于无损检测技术领域。

背景技术

处于地磁场环境中的铁磁材料在加工制造及服役过程中表面会自发产生杂散磁场信号，可以通过检测杂散磁场的法向分量H_p(y)零值点并结合磁场梯度最大值来定性判断铁磁材料应力集中的位置，即潜在的危险区域。这又被称为金属磁记忆检测技术。

金属磁记忆检测技术发展时间较短，其微观物理机制尚未明确，近年来虽然对该技术展开了大量的基础研究，但多是应用于电站、石油、管道、压力容器等部门进行静态缺陷检测、残余应力及应力集中程度半定量评估，如中国专利说明书01123977.8公布了一种利用地磁场检测铁磁性材料表面缺陷的方法，将检测信号经过处理后与设定的缺陷阈值对比来判断有无表面裂纹、腐蚀坑、近表面夹渣、气孔等缺陷；中国专利说明书01143445.7公开了一种应力分布的磁检测方法，利用地磁信号与铁磁材料内部应力的线性关系测得其应力分布。中国专利说明书200510122191.X公布了利用金属磁记忆检测信号诊断管道焊接裂纹的方法，采用小波变换理论，分析处理磁记忆检测信号，得到判定阈值K，实现对焊接裂纹的快速无损检测；中国专利说明书200510122190.5公布了用金属磁记忆检测技术确定管道焊接裂纹应力集中方法，根据磁场高斯定律确定管道壁内部应力与金属磁记忆信号之间的关系，定义焊接裂纹尖端应力最大值作为焊接裂纹应力集中程度的一种度量，实现对管道中焊接裂纹尖端应力集中程度定量评价等。

而金属磁记忆技术在疲劳寿命预测领域如何应用目前鲜有报导，仅有中国专利说明书200410067574.7提出了利用涡流与磁记忆检测技术进行汽车退役曲轴剩余疲劳寿命的检测方法，但该方法只是首先利用涡流技术检查退役曲轴关键部位有无产生裂纹，如无裂纹产生，则应用金属磁记忆技术检测该部位应力变形状况，根据应力变形状况与剩余寿命之间的映射关系来评价其剩余寿命是否足以维持下一次生命周期。如有裂纹存在，则认为其剩余疲劳寿命不足以维持一个生命周期，不再使用磁记忆技术检测。

对于承受疲劳载荷的含裂纹或可能产生裂纹的重要构件，目前仅有声发射技术可以实现裂纹扩展的动态监测，虽然声发射现象早在50年代已经发现，但该技术使用时必须加载，同时背景噪声干扰等问题限制了它的实际应用。能否利用地磁场环境下铁磁材料自身的杂散磁场信号监测铁磁材料疲劳裂纹扩展进而预测其剩余寿命目前尚无任何文献及专利涉及。

发明内容

本发明是要解决现有的唯一可以实现动态监控疲劳裂纹扩展的声发射技术使用时必须加载，在卸载状态下无法应用的问题。

处于地磁场环境中的承受疲劳载荷的铁磁构件，在工况条件下，其表面会产生自发的杂散磁场信号，存在疲劳裂纹的部位，杂散磁场信号会出现异变，并且随着疲劳裂纹的扩展，异变信号会逐渐增强。本发明提出的方法通过检测疲劳过程中杂散磁场的法向分量H_p(y)的异变信号的变化来实现动态监控疲劳裂纹的扩展进程。

本发明公开了一种利用自发的异变磁信号监测铁磁材料疲劳裂纹扩展的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)采用和被测铁磁构件相同材质的材料制作成含中心穿透裂纹的板状标准拉伸试样，按照被测构件的热处理规范对标准试样进行最终热处理，热处理工艺的最高加热温度超过材料的居里点温度，使标准试件表面获得纯净的初始磁状态；

2)磁传感器垂直试件表面，按照固定提离值，沿垂直中心穿透裂纹方向，以直线行进方式，沿各检测线逐线扫描标准试件的中心穿透裂纹部位，获得试件初始状态下表面杂散磁场的法向分量H_p(y)信号；

提离值指磁传感器与试件表面的距离。固定提离值范围0.5mm～15mm；各检测线之间距离范围0.01mm～5mm；

3)设定疲劳试验参数，进行疲劳试验，疲劳循环至预定次数N后，测得中心穿透裂纹的总长度2a，利用磁传感器，按照第2)步所述方法，扫查试件中心穿透裂纹部位，获得该循环次数下试样表面杂散磁场法向分量信号；重复上述步骤，直至试件断裂；

4)磁传感器在上述步骤中测得的磁信号经计算机软件处理，建立不同疲劳循环次数下表面杂散磁场法向分量H_p(y)的分布图；