金属磁记忆检测方法及试验研究

华中科技大学

硕士学位论文

金属磁记忆检测方法及试验研究

姓名：王欢

申请学位级别：硕士

专业：机械电子工程

指导教师：康宜华;武新军

20050429 I摘 要

设备的零部件和金属构件发生的损坏，80％是由于各种微观和宏观机械应力集中

所导致的疲劳失效。金属磁记忆检测方法可以实现对铁磁性构件应力集中损伤的早期

诊断，对防止突发性的疲劳损伤事故具有非常重要的意义。

本文首先总结了铁磁性构件的各种应力检测方法，对比了国内外的相关研究现状，

且从铁磁性材料的磁化理论和基本现象出发研究了磁记忆检测的原理，并在此基础上

介绍了用于本课题试验研究的磁记忆检测系统；然后根据金属磁记忆检测原理可以由

拉伸试验得到验证的理论，预制了一批钢棒试件进行静拉伸试验过程中的磁记忆信号

分布变化与应力场关系的初步定性研究，总结其磁记忆现象的特点，并通过试验分析

了磁记忆检测的影响因素；由于钢丝绳受力和结构制造等的复杂性其疲劳检测一直以

来很难开展，最后建立了模拟钢丝绳的实际工作状态的试验装置，尝试检测三个不同

工作段疲劳循环过程中的磁记忆信号，通过MATLAB软件进行去噪处理后进行分析比较，

得到钢丝绳疲劳循环过程中的磁记忆现象的特点。

通过试验可以发现，磁记忆检测根据磁性的变化来判断应力集中和缺陷的存在，

大部分零值点和磁场畸变处均对应了应力集中和缺陷。因此，作为一种新的无损检测

方法，无论从理论上还是实践中都是切实可行的。

关键词：铁磁性 磁记忆检测 应力集中 动疲劳 静拉伸 MATLAB IIAbstract

The fatigue invalidation made by the kind of microcosmic and macroscopical mechanical stress concentrate 80% resulted in equipment part and metal components damage. The metal magnetic memory testing method can diagnose stress concentrate zone of the ferromagnetic which the damage is going to appear in advance, thus realize to predict destruction. So it is very important to avoid the unplanned fatigue failure. First, the thesis expounded the kind of stress testing of ferromagnetic part and the current developing status around the world, the devise of metal magnetic memory testing system was introduced basing on the elements of metal magnetic memory testing being studied from the quest for the magnetization theory and basic phenomenon of ferromagnetic material. Second, according to the theory of magnetic memory testing can be validated by tension experiment, a passel of steal bar had been made to primary discuss the relation of magnetic signal distributing and stress field under static tension experiment, then summarized the characteristic of magnetic memory phenomenon during the static tension course and analyzed the influencing factor. Finally, because wire ropes fatigue testing is very hard to develop for its characteristic of being forced and construct, so experiment equipment simulating wire ropes actual working estate was been set up to test the magnetic memory signal distributing of three inspected segment during the fatigue circling course at last, the yawp of signal is been eliminated by MATLAB, then attained the characteristic of magnetic memory phenomenon during the circling course by analyzing and comparing the signal . We can find that stress concentrate and flaw can be judged basing the change of their magnetism with metal magnetic memory testing by analyzing the signal, much of point of zero and exception magnetic field is corresponding to them. So metal magnetic memory testing is feasible from theory and practice as a new non-destructive testing.

Keywords: ferromagnetic magnetic memory testing stress concentrate dynamic fatigue static

tension MATLAB √独创性声明

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作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不

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的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名：王欢

日期： 2005 年 4月 30 日

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学位论文作者签名：王欢 指导教师签名：康宜华

日期：2005年 4 月 30 日 日期：2005 年 4 月 30 日 11绪论

1.1 课题概述

1.1.1课题的研究目的

随着现代工业技术的迅速发展，对承受高温、高压、高速度和高负荷的材料和结

构，对质量和安全性评价的要求越来越高。而采用传统的磁检测方法对相关部位进行

百分之百的检测，可以有效地发现已发展成形的宏观或大部分微观缺陷（如裂纹、折

叠、夹杂物等），避免工程应用中各种危害性事故的发生。但是，对于在役金属设备及

构件的早期损伤，特别是尚未成形的隐性不连续性变化，难以实施有效的评价，从而

无法避免设备检修后由于意外的疲劳损伤发展而引发的恶性事故。金属磁记忆检测方

法是一种新近发展的无损检测方法，它可以有效地实施构件表面及近表面的应力检测

实现对应力集中损伤的早期诊断，对铁磁性材料构件的安全使用和防止突发性的疲劳

损伤具有重大的意义。因此，通过开展金属磁记忆检测的机理研究和基础试验为以后

的深入研究和开发积累基础。

1.1.2课题研究的理论与实际意义

金属磁记忆检测是利用受载铁磁构件在地磁场作用下产生的磁记忆效应对应力集

中进行早期诊断的检测方法[2]，有着很高的实用价值和广阔的发展前景。

漏磁检测和金属磁记忆检测具有很多相通之处，因此，研究磁记忆检测技术有着

便利的试验条件和实践意义。通过探讨金属磁记忆检测技术机理，认识磁记忆检测本

质，开展磁记忆应力场与磁场间的关系的基础试验研究，进行更深入的定性工作，促

进磁记忆检测技术的进一步发展，奠定运用磁记忆检测方法对金属疲劳构件的应力集

中进行检测的基础，从而可以在现场检测和工程应用上确定疲劳失效的位置来防止意

外事故的发生；同时，也为其它弱磁检测技术的应用提供基础和借鉴，推动磁性检测

技术的进步和发展。 21.2 应力检测方法概述

检测铁磁性材料及其构件的应力及残余应力，一直受到工程界的重视。目前，还

不能用通常的测力手段直接测量结构的应力，一般都通过测量由应力引起的材料的某

种物理参数的变化，间接地得出应力的大小和方向。应力的检测方法可分为有损、无

损检测方法及磁力耦合应力检测方法[3]。

1.2.1有损应力检测方法

1 削磨面积法

削磨面积法测定时一般选取构件受力最大的部位作为测区，测试步骤为：1)铁构

件表面，粘贴电阻应变计，并测读应变计的读数；2)在与应变计相对的另一侧削磨钢

筋,用卡尺量取削磨面，记录削磨后钢筋的应变增量；3)计算削磨前的工作应力；4）

当两次削磨后计算的应力值接近，就停止削磨，最后的应力计算值就作为工作应力的

实测值。削磨面积法测定应力精度较高,但操作复杂,是一种有损应力检测法。

2 小孔法

小孔法是先将应变片贴在被测结构的测点上，然后用专用工具在应变片中心孔处

的工件上打一个直径和深度约为2mm的小孔，使其初始应力得到释放，通过测定应变片

的电阻变化来确定其应力大小。这种方法检测精度高,但不易实现在线检测。

1.2.2 常规无损应力检测法

1 电阻应变计测量法[3]

在所有的测试手段中，电阻应变计测量技术是应用最广泛、发展最完善的一种测

量方法。其原理是用电阻应变计测定表面应变，再根据应力、应变的关系式确定构件

表面应力状态。它有许多优点：测量精度和灵敏度高，频率响应好，测量范围广，易

于实现测量的数字化、自动化及无线电遥测。其缺点是一个电阻应变计只能测定构件

表面一点在某个方向的应变，而且测量时应变片必须与构件相接触，对动态在线检测