[發(fā)明專利]一種用于鐵磁性材料疲勞損傷檢測的電磁混頻檢測方法

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• 申請日: 2019-04-25
• 公開（公告）號: CN110261469A
• 公開（公告）日: 2019-09-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 焦敬品;常予;李光海;吳斌;何存富
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01N27/85
• 分類號: G01N27/85
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發(fā)明公開了一種用于鐵磁性材料疲勞損傷檢測的電磁混頻檢測方法，根據(jù)被測件的尺寸及材質(zhì)，確定電磁混頻傳感器的磁場混頻信號檢測方向；選定某一信號采集位置，將傳感器緊貼于鐵磁構(gòu)件表面，激勵一高低頻調(diào)制的正弦信號作為混合勵磁信號，進(jìn)行電磁混頻檢測；由計算機對采集到的磁混頻非線性信號進(jìn)行處理；利用試件表面切向磁場和試件內(nèi)磁通量密度繪制磁滯回線，計算電磁混頻特征參量，得到電磁混頻冪律系數(shù)隨不同試件疲勞損傷程度變化的表征結(jié)果圖。通過對電磁混頻信號進(jìn)行分析處理，利用電磁混頻冪律系數(shù)表征材料硬度變化，可有效減弱基頻噪聲對表征參量的影響，有利于材料疲勞損傷的準(zhǔn)確表征。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種鐵磁材料早期損傷的表征方法，特別是基于電磁混頻技術(shù)的鐵磁性材料疲勞損傷表征方法。該方法適用于鐵磁性材料早期疲勞損傷表征，屬于無損檢測領(lǐng)域。

背景技術(shù)

作為一種常見承載構(gòu)件，鐵磁性材料被廣泛應(yīng)用于航空航天、電力、鐵路、壓力容器等行業(yè)。這些構(gòu)件在使用過程中，在疲勞載荷、內(nèi)部工作介質(zhì)或外部環(huán)境因素的作用下，易在結(jié)構(gòu)的不均勻處、疏松區(qū)域、空洞及位錯缺陷的集中區(qū)產(chǎn)生疲勞損傷，導(dǎo)致疲勞斷裂，造成重大惡性安全事故。因此，對鐵磁性構(gòu)件的疲勞損傷嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行及時、有效的檢測，對于預(yù)防承載構(gòu)件的斷裂和防止重大安全事故的發(fā)生具有重要的意義。

現(xiàn)階段，檢測疲勞損傷的常用手段主要為紅外熱成像法、脈沖渦流熱成像和聲發(fā)射法。但這些方法對疲勞裂紋萌生前的早期損傷敏感度較低。由于循環(huán)載荷作用下的材料通常具有力學(xué)遲滯非線性效應(yīng)，也有學(xué)者研究利用超聲諧波法實現(xiàn)早期疲勞損傷的檢測。但該技術(shù)易受系統(tǒng)非線性效應(yīng)的干擾，檢測結(jié)果誤差往往較大。對于鐵磁性材料，根據(jù)材料的磁致伸縮特性，有學(xué)者研究利用金屬磁記憶檢測法檢測材料的疲勞損傷。但現(xiàn)階段該方法主要應(yīng)用于中后期疲勞損傷的檢測。

當(dāng)外加磁場作用于鐵磁材料時，材料微觀磁疇及磁疇壁的運動需不斷克服材料內(nèi)部的能量壁壘，這使得材料具有磁滯特性。這種磁滯特性表現(xiàn)為多種弱磁非線性效應(yīng)，如磁疇旋轉(zhuǎn)非線性效應(yīng)，磁疇壁移動非線性效應(yīng)和磁滯損耗非線性效應(yīng)等[1]。當(dāng)鐵磁性材料的性能發(fā)生早期退化時，材料內(nèi)部的微觀損傷會影響能量壁壘，材料的弱磁非線性效應(yīng)隨之變化[2,3]。AA Samimi[4]利用磁疇壁移動非線性效應(yīng)產(chǎn)生的巴克豪森噪聲，實現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力的檢測。HE Chen[5]分析了增量磁導(dǎo)率隨材料力學(xué)性能變化的機理，并通過實驗驗證了增量磁導(dǎo)率表征碳鋼塑性變形的有效性。SE Zirka[6]通過分析不同磁化條件材料的磁滯損耗非線性特性，利用脈寬調(diào)制信號勵磁，建立了包含多個小磁滯回線的磁滯模型，有效證明了局部磁滯損耗的非線性特性。S Kobayashi[7,8]進(jìn)一步研究了磁滯損耗與材料力學(xué)性能的關(guān)系，提出了利用局部磁滯損耗冪律系數(shù)表征材料力學(xué)性能變化的方法，實現(xiàn)了材料蠕變及輻照退化的表征。因此，利用電磁非線性效應(yīng)的無損檢測技術(shù)，對于鐵磁性材料早期疲勞損傷的檢測具有明顯優(yōu)勢。

電磁混頻無損檢測是一種利用鐵磁性材料弱非線性效應(yīng)來反映其微損傷及性能變化的檢測手段。在電磁混頻檢測中，鐵磁材料通常處于高低頻疊加的交變磁場中。其中，低頻磁場強度大，可將構(gòu)件磁化至近飽和狀態(tài)，高頻磁場強度小，僅在構(gòu)件近表面形成弱擾動磁場[9]。在兩磁場共同作用下，鐵磁材料中磁疇的旋轉(zhuǎn)與疇壁的移動將產(chǎn)生電磁混頻效應(yīng)，這種效應(yīng)是鐵磁材料微觀磁滯損耗特性的非線性表現(xiàn)。基于電磁混頻效應(yīng)，H J Krause[10]研究了流體中金屬粒子的檢測，開發(fā)了金屬離子的電磁混頻檢測裝置，成功實現(xiàn)了水中鐵粒子濃度的檢測。I Teliban[11]研究利用多階混頻分量幅值表征涂層厚度的變化，解決了納米級涂層厚度的測量問題。由此可知，現(xiàn)階段電磁混頻檢測技術(shù)主要應(yīng)用于流體納米磁粒子及磁薄膜厚度的測量，檢測混頻信號具有高靈敏度和高信噪比的特點，但該技術(shù)在工業(yè)無損檢測領(lǐng)域的研究鮮有報道。

針對鐵磁性材料疲勞損傷檢測問題，本研究發(fā)展一種電磁混頻檢測技術(shù)。基于磁滯模型，研究電磁混頻效應(yīng)，分析鐵磁材料在混頻磁化場中產(chǎn)生的混頻分量與局部磁滯損耗的關(guān)系，提出用于材料疲勞損傷表征的電磁混頻冪律系數(shù)，從而實現(xiàn)材料早期疲勞損傷的檢測。

發(fā)明內(nèi)容