本發(fā)明屬于金屬構(gòu)件磁性無損檢測領(lǐng)域，更具體地說，是一種基于金屬磁記憶信號及其參量變化特征對構(gòu)件所受的拉應(yīng)力進行預(yù)測，定性表征構(gòu)件拉應(yīng)力的分布情況的方法，屬于無損檢測中金屬磁記憶檢測領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

金屬磁記憶檢測技術(shù)是20世紀(jì)90年代后期發(fā)展起來的一種新型的無損檢測與評價技術(shù)，處于地磁環(huán)境下的鐵質(zhì)工件受工作載荷的作用，其內(nèi)部會發(fā)生具有磁致收縮性質(zhì)的磁疇組織定向和不可逆的取向，并在地磁環(huán)境中表現(xiàn)為應(yīng)力集中區(qū)局部磁場異常，形成所謂的“漏磁場”，并在工作載荷消失后仍能保留，這就是磁記憶檢測的物理基礎(chǔ)，磁記憶無損檢測方法就是在這種情況下檢測出應(yīng)力與變形集中區(qū)形成最大的漏磁場hp的變化，即磁場的切向分量hp(x)具有最大值，而法向分量hp(y)改變方向并有零值點。這種磁場狀態(tài)的不可逆變化在工作載荷消除后繼續(xù)保留，從而通過漏磁場法向分量hp(y)的測定，便可推測工件的應(yīng)力集中區(qū)。

利用鐵磁性材料的磁機械效應(yīng)來檢測鐵磁構(gòu)件應(yīng)力集中部位和應(yīng)力集中程度。根據(jù)磁機械效應(yīng)理論，應(yīng)力和磁場的作用會導(dǎo)致鐵磁材料內(nèi)部磁疇結(jié)構(gòu)的變化，進而會改變鐵磁材料的磁場，在鐵磁材料的表面就會產(chǎn)生漏磁場。因此，通過檢測鐵磁材料表面磁場信號的變化即有可能對其受力狀況進行評估。理論研究表明，在應(yīng)力與變形集中區(qū)形成的漏磁場的切向分量具有最大值，法向分量改變符號且具有零值點。由于磁記憶信號對應(yīng)力的變化非常敏感，因此金屬磁記憶檢測技術(shù)可用于檢測鐵磁材料的早期損傷，如應(yīng)力集中、微觀缺陷和機械性能的退化。與其他無損檢測方法相比，金屬磁記憶檢測由于不需要專門的磁化設(shè)備、設(shè)備輕便、操作簡單而引起廣泛關(guān)注。目前，這種技術(shù)已經(jīng)用于多個領(lǐng)域，如鍋爐、電站、壓力容器、油氣管道等。

應(yīng)力改變鐵磁體的磁性和磁化狀態(tài)。它主要在如下幾個方面產(chǎn)生作用：使 磁體形成多疇；產(chǎn)生新的各向異性，使磁化強度平行或垂直于應(yīng)力方向；使材料硬化；可在夾雜物或缺陷處形成彌散場，增加材料內(nèi)部的退磁場等。但應(yīng)力不能單獨產(chǎn)生凈磁場。

我們對石油天然氣管道的焊接裂紋進行金屬磁記憶檢測技術(shù)檢測時，如何根據(jù)磁場分布情況，來獲取構(gòu)建的應(yīng)力狀態(tài)是迫切要解決的問題。

利用小波分析技術(shù)提取了磁信號特征參量，研究磁記憶信號分形維數(shù)的變化規(guī)律，開發(fā)出焊接裂紋的金屬磁記憶信號特征分析系統(tǒng)，初步實現(xiàn)利用金屬磁記憶技術(shù)對焊接裂紋的定量化檢測；通過測量鋼管焊縫附近受力影響區(qū)域的磁場分布情況，得出磁場分布與應(yīng)力分布具有定性的關(guān)系；本發(fā)明利用金屬磁記憶技術(shù)檢測構(gòu)件所受拉應(yīng)力，得出磁記憶信號的分量與拉應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系，從而利用磁記憶信號的變化來預(yù)測構(gòu)件所受的拉應(yīng)力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明之一目的利用磁信號及其特征參量變化特征，對構(gòu)件所受不同大小的拉應(yīng)力進行預(yù)測，以表征構(gòu)件的受力情況，為構(gòu)件的早期損傷提供預(yù)警。

為達到上述目的，本發(fā)明一種利用磁記憶信號變化對拉應(yīng)力進行預(yù)測的方法，包括如下步驟:

步驟1，將試樣裝夾于疲勞試驗機上，對所述試樣加載工作載荷，并測量并記錄各個工作載荷強度下的金屬磁記憶信號數(shù)據(jù)；

步驟2，對所記錄的金屬磁記憶信號數(shù)據(jù)進行預(yù)處理；

步驟3，對所述試樣進行彈性階段與塑性階段的拉應(yīng)力加載和卸載工作載荷條件下的金屬磁記憶信號測試，對金屬磁記憶信號的分量進行比較；

步驟4，分析金屬磁記憶信號分量的變化規(guī)律與拉應(yīng)力之間的關(guān)系。

上述的一種利用磁記憶信號變化對拉應(yīng)力進行預(yù)測的方法，所述步驟1還包括：

步驟11，加載工作載荷前，在所述試樣上畫出測量線；

步驟12，在無工作載荷的情況下，用金屬磁記憶檢測儀沿著某一條測量線測量，記錄金屬磁記憶信號數(shù)據(jù)d1；

步驟13，對所述試樣加載工作載荷，直到工作載荷達到20mp時停止加載；

步驟14，對步驟13中的所述試樣用所述金屬記憶檢測儀在線測量，并記錄所述試樣的金屬磁記憶信號數(shù)據(jù)d2；

步驟15，卸載所述試樣的工作載荷到0載荷；

步驟16，用所述金屬記憶檢測儀檢測步驟15中的所述試樣，并記錄所述試樣的金屬磁記憶信號數(shù)據(jù)d3；

步驟17，以20mpa工作載荷遞增加載到步驟16中的所述試樣上；每次加載后用所述金屬記憶檢測儀檢測所述試樣，并記錄每一次加載后的所述試樣的金屬磁記憶信號數(shù)據(jù)dn；

步驟18，卸載加載到步驟17所述試樣上的工作載荷，并用所述金屬記憶檢測儀測量卸載工作載荷后的所述試樣，并記錄所述試樣的金屬磁記憶信號數(shù)據(jù)dn+1，然后再重復(fù)進行步驟11-步驟18，直到試樣斷裂。

上述的一種利用磁記憶信號變化對拉應(yīng)力進行預(yù)測的方法，對步驟12、14、16、17、18所記錄的金屬磁記憶信號數(shù)據(jù)進行平滑處理。

上述的一種利用磁記憶信號變化對拉應(yīng)力進行預(yù)測的方法，所述彈性階段為80mpa工作載荷的拉應(yīng)力加載試樣，記載80mpa工作載荷的拉應(yīng)力加載試樣條件下的金屬磁記憶信號數(shù)據(jù)

上述的一種利用磁記憶信號變化對拉應(yīng)力進行預(yù)測的方法，所述塑性階段為40mpa工作載荷的拉應(yīng)力加載試樣，記載40mpa工作載荷的拉應(yīng)力加載試樣條件下的金屬磁記憶信號數(shù)據(jù)。

附圖說明

圖1拉伸試樣形狀示意圖及測量線。

圖2-1試樣加載至80mpa與卸載時磁記憶信號的法向分量比較曲線圖。

圖2-2試樣加載至80mpa與卸載時磁記憶信號的切向分量比較曲線圖。

圖3-1試樣加載至400mpa與卸載時磁記憶信號的法向分量比較曲線圖。

圖3-2試樣加載至400mpa與卸載時磁記憶信號的切向分量比較曲線圖。

圖4-1測量線2磁記憶信號法向分量在彈性階段下的變化曲線圖。

圖4-2測量線2磁記憶信號法向分量在塑性階段下的變化曲線圖。

圖5-1測量線2磁記憶信號切向分量在彈性階段下的變化曲線圖。

圖5-2測量線2磁記憶信號切向分量在塑性階段下的變化曲線圖。

圖6-1測量線2磁記憶信號法向分量處理后在彈性階段下的變化曲線圖。

圖6-2測量線2磁記憶信號法向分量處理后在塑性階段下的變化曲線圖

圖7-1測量線2磁記憶信號切向分量處理后在彈性階段下的變化曲線圖。

圖7-2測量線2磁記憶信號切向分量處理后在塑性階段下的變化曲線圖。

圖8-1彈性階段不同應(yīng)力下磁記憶信號合成后x＝20、50時的變化規(guī)律曲線圖(一)。

圖8-2彈性階段不同應(yīng)力下磁記憶信號合成后x＝20、50時的變化規(guī)律曲線圖(二)。

具體實施方式

有關(guān)本發(fā)明的詳細(xì)說明及技術(shù)內(nèi)容，配合附圖說明如下，然而所附附圖僅提供參考與說明用，并非用來對本發(fā)明加以限制者。

本發(fā)明的技術(shù)方案是將磁記憶檢測技術(shù)與靜載拉伸方法相結(jié)合，并在加載和卸載及不同拉應(yīng)力水平狀態(tài)下測量構(gòu)件表面磁記憶信號的法向分量和切向分量，分析磁記憶信號法向分量和切向分量的變化規(guī)律，建立磁記憶信號的特征與構(gòu)件拉應(yīng)力的關(guān)系，從而利用磁記憶信號的變化來預(yù)測構(gòu)件所受拉應(yīng)力的情況。所述的方法主要包括以下步驟：

步驟1，將試樣裝夾于疲勞試驗機上，對所述試樣加載工作載荷，并測量并記錄各個工作載荷強度下的金屬磁記憶信號數(shù)據(jù)；步驟1還包括如下步驟：

步驟11，加載工作載荷前，在所述試樣上畫出測量線；將試樣(如圖1所示)裝夾于疲勞試驗機上，加載前用金屬磁記憶檢測儀沿著3條預(yù)先畫好的測量線(測量線2位于試樣中心位置，測量線1、2、3之間相距15mm)在線測量一次，然后對試樣加載。

步驟12，在無工作載荷的情況下，用金屬磁記憶檢測儀沿著某一條測量線測量，記錄金屬磁記憶信號數(shù)據(jù)d1；

步驟13，對所述試樣加載工作載荷，直到工作載荷達到20mp時停止加載；

步驟14，對步驟13中的所述試樣用所述金屬記憶檢測儀分別沿著預(yù)先畫好的某一條測量線例如測量線2在線測量，并記錄所述試樣的金屬磁記憶信號數(shù)據(jù)d2；

步驟15，卸載加載到所述試樣的工作載荷至0載荷；

步驟16，利用所述金屬記憶檢測儀沿著測量線2測量該試樣，并記錄金屬磁記憶信號數(shù)據(jù)d3

步驟17，以20mpa工作載荷遞增加載到步驟16中的所述試樣上；每次加載后用所述金屬記憶檢測儀檢測所述試樣，并記錄每一次加載后的所述試樣的金屬磁記憶信號數(shù)據(jù)dn，其中(n>3)；

步驟18，卸載加載到步驟17所述試樣上的工作載荷，并用所述金屬記憶檢測儀測量卸載工作載荷后的所述試樣，并記錄所述試樣的金屬磁記憶信號數(shù)據(jù)dn+1，然后再重復(fù)進行步驟11-步驟18，直到試樣斷裂。

步驟2，對所記錄的金屬磁記憶信號數(shù)據(jù)進行預(yù)處理；對步驟12、14、16、17、18所記錄的金屬磁記憶信號數(shù)據(jù)進行平滑處理。金屬磁記憶信號是鐵磁材料在載荷和微弱地球磁場的共同作用下產(chǎn)生的，以微弱散射磁場的形式在工件表面呈現(xiàn)出來，其本身信號較弱，而在檢測過程中又不可避免的會受到檢測儀器本身或者是外界因素的干擾而混入噪聲。因此，實際檢測出的磁記憶信號不易識別，信號特征很難表征試件受力情況。基于此，利用計算軟件對磁記憶信號作平滑處理。

步驟3，對不同條件下的磁記憶信號分量進行比較，對所述試樣進行彈性階段與塑性階段的拉應(yīng)力加載和卸載工作載荷條件下的金屬磁記憶信號測試，對金屬磁記憶信號的分量進行比較。為了得出金屬磁記憶信號的分量在加載與卸載條件下的變化特征，對試樣進行80mpa(彈性階段)與400mpa(塑性階段)的拉應(yīng)力加載和卸載條件下的磁記憶信號測試；同時為了表征不同拉應(yīng)力水平下的磁記憶信號分量變化特征，分別測試試件在彈性階段和塑性階段下不同拉應(yīng)力水平的磁記憶信號。

步驟4，分析磁記憶信號的分量的變化規(guī)律與拉應(yīng)力之間的關(guān)系，而利用磁記憶無損檢測的磁記憶信號分量的變化來預(yù)測構(gòu)件所受拉應(yīng)力的情況。

以下通過實施例對本發(fā)明作進一步闡述，一種基于金屬磁記憶技術(shù)及其特征參數(shù)的變化表征構(gòu)件在拉伸過程中彈性階段和塑性階段的拉應(yīng)力情況的方法。在表征彈性階段和塑性階段的加載與卸載情況，拉應(yīng)力分別為80mpa和400mpa；并且測試了測量線2在不同拉力水平下的磁記憶信號處理前后的變化規(guī)律。

實施例1：

用80mpa表征彈性階段的情況，400mpa表征塑性階段的情況。本發(fā)明采用的試樣為一中間縮徑圓弧狀的長板，包括一縮徑圓弧狀板、以及兩直板，縮徑圓弧狀板兩邊分別連接兩直板，縮徑圓弧狀板、以及兩直板一體成型，試樣的總長為400mm，直板寬80mm，兩直板長分別為100mm，縮徑圓弧狀板寬50mm，本發(fā)明測量線的長度為80mm，該些測量線位于縮徑圓弧狀板上。

1.在試樣加載前檢測其磁記憶信號情況，加載至80mpa時檢測其磁記憶信號，然后將載荷卸載后檢測磁記憶信號。

2.測試試樣加載到400mpa以及卸載時的磁記憶信號變化情況。

3.比較80mpa和400mpa下磁記憶信號的變化情況。從圖2-1,2-2和圖3-1,3-2中可以看出，兩次測量的磁記憶信號曲線有很大的不同。在彈性階段，加載與卸載狀態(tài)時的磁記憶信號曲線形狀相似，但其數(shù)值不同。加載時的法向分量數(shù)值及變化范圍較卸載時大，與磁記憶信號法向分量不同，切向分量值在卸載時較加載時有較大的增加。因此，磁記憶信號法向分量與切向分量的變化規(guī)律并不一樣。塑性階段時，加載與卸載狀態(tài)時測量的磁記憶信號曲線形狀發(fā)生很大的變化，信號值及變化范圍也發(fā)生變化。其中加載時的磁記憶信號法向分量曲線相較卸載時，其測量起始點信號絕對值增加，測量終止點信號值減少，而切向分量有一個很大的增加。

實施例2：

測試圖1中的測量線2在不同拉應(yīng)力水平下的磁記憶信號，并對其進行平滑處理。所采用的試樣與實施例1相同。

圖4-1、圖4-2和圖5-1、圖5-2分別為測量線2在彈性階段和塑性階段的應(yīng)力水平下的磁記憶信號的法向分量(hp(y))和切向分量(hp(x))。

圖3-1、圖3-2為試樣加載至400mpa與卸載時磁記憶信號比較曲線圖，由圖可知，記憶信號在50mm處有一個交點。試樣在未加載時，hp(y)值為-109a/m至-43a/m，hp(x)值為114a/m至155a/m；加載應(yīng)力為40mpa時hp(y)值變?yōu)?83a/m至-63a/m，hp(x)值變?yōu)?3a/m至112a/m，信號絕對值的最大值及變化范圍逐漸減小。當(dāng)應(yīng)力繼續(xù)增加時，hp(y)曲線以交點為軸做順時針旋轉(zhuǎn)，hp(x)隨著應(yīng)力的增加而降低；在應(yīng)力達到140mpa后，hp(x)與hp(x)值的變化幅度較小。試樣的應(yīng)力水平在屈服強度以上時，hp(y)曲線隨著塑性 變形的增加逆時針旋轉(zhuǎn)，hp(x)值逐漸增加。

試件初始磁記憶信號hp(y)和hp(x)分別如圖4-1，圖4-2和圖5-1，圖5-2中0mpa時的曲線所示，這些信號一般做無規(guī)律變化。為了消除初始磁化對試樣磁化的影響，對磁記憶信號作如下處理：

deltahp(y)＝hp(yi)-hp(y0)(1)

deltahp(x)＝hp(xi)-hp(x0)(2)

式中：hp(y0)、hp(x0)表示在未加載時測得的磁記憶信號法向分量和切向分量；hp(yi)、hp(xi)表示在各應(yīng)力下測得的磁記憶信號法向分量和切向分量。

信號處理后，hp(y)、hp(x)的變化如圖6-1，圖6-2和圖7-1，圖7-2所示?？梢姡S著應(yīng)力的增加，磁記憶信號法向分量hp(y)和切向分量的絕對值|hp(x)|都逐漸增加。試樣發(fā)生塑性變形時，hp(y)曲線逆時針旋轉(zhuǎn)，|hp(x)|值減小。消除初始磁記憶信號的影響后，對磁記憶信號法向分量和切向分量進行合成，并提取x＝20mm、50mm處在彈性階段不同應(yīng)力時的信號值h20、h50，如圖8-1和如圖8-2所示，彈性階段不同應(yīng)力下磁記憶信號合成后x＝20、50時的變化規(guī)律曲線圖，由圖可知，信號值在應(yīng)力較小時隨著應(yīng)力的增加而增加，當(dāng)應(yīng)力增加到140mpa后，信號值達到穩(wěn)定，繼續(xù)增加應(yīng)力時信號值變化不大。當(dāng)試樣發(fā)生塑性變形時，磁記憶信號值降低。

金屬磁記憶信號與拉應(yīng)力值有相應(yīng)的對應(yīng)關(guān)系，利用金屬磁記憶信號的變化規(guī)律可以很好地預(yù)測拉應(yīng)力的分布情況。