畢業(yè)論文-45#板材試塊金屬磁記憶檢測技術實驗研究

1、 畢業(yè)設計(論文) 題 目:45#板材試塊金屬磁記憶檢測技術實驗研究 學 院: 測試與光電工程學院 專 業(yè): 測控技術與儀器 姓 名: 學 號: 指導教師: 二O一五年六月畢業(yè)設計（論文）任務書I、畢業(yè)設計(論文)題目：45#板材試塊金屬磁記憶檢測技術試驗研究業(yè)設計(論文)使用的原始資料(數據)及設計技術要求：1、原始資料：45#板材試塊工件若干；金屬磁記憶檢測設備一套；計算機2、畢設要求： (1)查找45#板材試塊金屬磁記憶檢測相關資料； (2)掌握金屬磁記憶檢測工藝； (3)掌握45#板材試塊金屬磁記憶檢測工藝； (4)數據處理。業(yè)設計(論文)工作內容及完成時間：1、查閱45#板材磁記憶檢

2、測工藝的相關資料并撰寫開題報告； 03.0904.102、研究45#板材試塊特征及磁記憶檢測方法； 04.1104.153、研究T45#板材試塊磁記憶檢測方法； 04.1604.304、研究該工件的金屬磁記憶檢測工藝； 05.0405.155、數據處理； 05.1605.316、總結并撰寫論文，答辯。 06.0106.26 要參考資料：1 任吉林,林俊明.電磁無損檢測M.北京:科學出版社,2008. 2 宋植堤.覆層厚度測試技術M.江蘇:科學出版社,1992.3 陸明炯.實用機械工程材料手冊M.沈陽市.遼寧科學技術出版社,2004. 4 屠海令,江君照.金屬材料理化測試全書M.北京市.化學工業(yè)

3、出版社,2000.,2006:236-237. 5 任吉林等.金屬磁記憶二維定量檢測試驗研究C全國第九屆無損檢測學術年會論文集,上海:2010,473-481.6Dubov A A. Method of magnetic memory of metals J.Tyazheloe,2003,4(8):6-7.7 M.Roskosz,A.Rusin,J.Kotowicz.Journal of Achievements in Materials and Manufacturing EngineeringJ. 2010,43(1):362-363.8 CUI Jianru LUO Xingbai，St

4、udy on The Theory of Metal Magnetic Memory Nondestructive Testing TechnologyJ. 2003,22(9):232-233. 測試與光電工程 學院 測控技術與儀器 專業(yè)類 118013 班學生（簽名）： 日期： 自 2015 年3 月 9 日 至 2015 年 6 月 26 日指導教師（簽名）： 助理指導教師(并指出所負責的部分)：測控技術與儀器 系（室）主任（簽名）：附注:任務書應該附在已完成的畢業(yè)設計說明書首頁。學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或

5、機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權南昌航空大學科技學院可以將本論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文作者簽名： 日期：導師簽名： 日期：45#板材試塊金屬磁記憶檢測技術實驗研究 摘要：隨著科技的進步，無損檢測占據著重要的地位。而在新技術不斷涌現的今天，磁記憶檢測技術依舊是唯一能夠檢測缺陷萌生前的無損檢測方法。在載荷和地磁場的激勵下，引起鐵磁性內部應力集中區(qū)磁疇重新取向，由此這種狀態(tài)便被鐵磁性工件記錄保留下來，這就是磁記憶檢測的原理。構件的應力集中是引發(fā)后期缺陷的主要原因，利用金屬磁記憶檢測技術，通過對磁記憶法

6、向分量過值零點的位置來判斷應力集中部位，從而便能進一步看出應力集中部位的切向分量與法向分量對定量的具體影響。本文的實驗研究主要是對45#鋼試件在不同實驗力下進行靜載拉伸獲取法向和切向分量的數據，再用origin軟件對數據進行處理，同時對實驗數據微分繪制李薩如圖，這樣便可以同時反映二個不同方向分量的特征，利用其封閉區(qū)域的大小來判斷應力集中的程度，以達到定量分析的目的，這樣可以有效減少誤差，根據最后的結果再與ANSYS軟件對實驗試樣的應力分布進行有限元仿真的結果進行對比。關鍵詞：磁記憶技術 應力集中 李薩如圖 定量分析 有限元仿真 指導老師簽名：Experimental Research on M

7、etal Magnetic Memory Test Piece of 45# Sheet Student name: JinWei Fu Class: 110813 Supervisor: Jihong TangAbstract: With the advancement of technology, Non-destructive testing occupies play an important position. In the today new technologies are emerging, Metal magnetic memory detection is still th

8、e only method to detect the defect eruption of the NDT method. Under the excitation of load and magnetic field caused by the internal stress of ferromagnetic domain reorientation, which the state will be ferromagnetic work piece records retained; this is metal magnetic memory testing principle. Comp

9、onent of the stress concentration is the main causes of post defect, using metal magnetic memory testing technique, through of metal magnetic memory method to component value zero position to judge the location of stress concentration, which can be further shows that the stress concentrated parts of

10、 the tangential component and method to the specific impact of component of quantitative.The experimental study of this paper is to obtain the normal and tangential components of the 45# steel specimen under different experimental loads, Then the Origin Software for data processing. At the same time

11、, the experimental data differential draw Lissajous figure, so that we can also reflect the characteristics of two-dimensional direction component, using the closed area size to determine the extent of stress concentration, in order to achieve the purpose of quantitative analysis. Only in this way c

12、an reduce the error effectively. According to the final results using ANSYS software to test the stress distribution to carry out the finite element simulation.Keywords: Metal magnetic memory Stress concentration degree Lissajous figure fatigue damage Finite element simulation Signature of Superviso

13、r:目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc28855 1 緒論 HYPERLINK l _Toc20470 1.1 引言 ，在該平面中任選一點A為測試點，此時可以得到： (3.11)式中：-磁感應強度與霍爾元件平面法線夾角-磁感應強度與水平方向的夾角-霍爾元件平面法線與水平方向的夾角由圖4.1可知，,，則: (3.12)所以 (3.13) 圖3.5 矢量合成法原理示意圖4 金屬磁記憶檢測技術實驗研究4.1 實驗材料及參數本次實驗采用45#鋼作為研究對象，45#鋼是常用中碳調質結構鋼。該鋼冷熱加工性能都不錯，機械性能較好，具有較高的強度和較好的可加工性。為了消除其他因

14、素對初始磁記憶信號的影響，試驗前對試件應進行去應力退火處理。試驗試塊規(guī)格尺寸如圖4.1所示。圖4.1 45#鋼雙側U型缺口平板試樣圖4.2 45#鋼雙側U型缺口平板試樣實物圖4.2 試驗設備及條件4.2.1 拉伸機型號為WDW-E100D的微型控制電子式萬能試驗機一臺,如圖4.3 圖4.3 WDW-E100D的微型控制電子式萬能試驗機4.2.2 高斯計美國 Lakeshore 公司 421 型高斯計兩臺，如圖4.4所示。一臺用于精確測量試樣表面切向漏磁場，一臺用于精確測量試樣表面法向漏磁場。該高斯計具有較高分辨率。圖4.4 421型高斯計4.2.3 二維磁記憶測量系統(tǒng)本系統(tǒng)由高斯計、計算機、步

15、進電機掃描系統(tǒng)及驅動電路共同組成。利用兩個互相垂直的探頭檢測工件表面的漏磁場。如圖4.5圖4.5 二維磁記憶測量系統(tǒng)4.3 試驗實施過程4.3.1 試塊的制作對45#鋼軋制件先進行預備熱處理，為了提高45#鋼的塑性，再將其進行低溫球化退火，對毛胚件按照圖4.1進行切削加工，最后調質處理提高硬度和其綜合性能，于是實物圖就如4.2所示。4.3.2 試驗準備選取3個45#鋼U型缺口試塊，對不同的試件進行編號和劃線（注意方向，正面朝上）。離U型缺口2mm處，用筆劃出一條60mm的一條直線，以試件U型缺口為中心，左右各25mm，如圖4.1所示標出測量線L1、L2、L3，兩條線間距為3mm。4.3.3 試

16、驗方法a.連接好二維磁記憶測量系統(tǒng)；b.打開拉伸軟件，在菜單“文件”中選擇“創(chuàng)建試驗方案”，根據試樣的尺寸和要求設置好試驗方案；c.調節(jié)好拉伸機和磁場掃描儀；d.打開設置數據采集軟件，運行程序；e.開始試驗，分別在載荷為0KN、3KN、6KN、9KN、12KN下進行靜載拉伸，沿測量線離線測量試件表面的法向分量和切向分量。4.3.4 數據處理將得到的切向和法向數據處理后輸入到Origin軟件中，得到切向和法向分量的變化數據圖，再分別對法向和切向數據進行微分，求出其各自的磁場梯度值，再以二者的梯度值分別作為橫、縱坐標，畫出李薩如圖，用Origin軟件求出李薩如圖圍成的面積，并分析實驗結果。4.4

17、試塊有限元的仿真根據圖4.1的試塊尺寸用ANSYS15.0軟件進行有限元仿真，假定試塊為平面應力狀態(tài)，Z方向上的尺寸相對應X、Y上的很小，因此壓力可以認為僅作用于X、Y平面上。本次對試塊分別在3KN、6KN、9KN、12KN靜拉力下進行有限元仿真。4.4.1 建立幾何模型再定義為45#鋼材料，以圖4.6中的中軸線先畫出1/4的網格（直線40格，弧線15格），然后再映射，就可以得到圖4.7的網格模型。 圖4.6 幾何模型圖4.7 網格模型4.4.2應力加載和求解再對網格模型施加不同的載荷，最后我們就可以得到不同載荷下的，如圖4.8 （a）3KN的應變圖 （b）3KN的應力圖（c）6KN的應變圖（

18、d）6KN的應力圖（e）9KN的應變圖（f）9KN的應力圖（g）12KN的應變圖（h）12KN的應力圖圖4.8 45#鋼缺口試塊的應力應變圖4.4.3 仿真實驗小結 從上圖可以明顯看出： A.U形缺口附近的應力集中是最大的，隨著離缺口的距離越遠，應力集中程度越小。 B.隨著外加應力的增大，應力集中也變大。5 實驗結果及分析實驗主要是對3塊45#鋼進行靜載拉伸實驗，通過拉伸機對試件進行不同程度的拉伸實驗，再通過二維磁記憶測量系統(tǒng)得出45#鋼試件上不同應力下、不同位置磁信號的切向和法向數據，從而得到我們找尋的規(guī)律特征。在應力作用下，圖5.1中試件1，3號線中央的U型口根部應力集中程度要遠遠大于2號

19、線中央處的應力集中程度。所以取1號線或3號線的數據輸入到Origin軟件進行分析作圖是最能夠表現出法向和切向分量特征變化的，1號線中不同測量點的磁記憶信號的對比，就可以反映出應力集中程度對磁記憶信號的影響。由于實驗的1、2號試塊的數據誤差比較大，所以本次實驗主要是對3號試塊的1號測量線得到的數據進行分析。5.1 法向磁信號分析利用Origin軟件處理得到的數據結果如圖5.7所示。 （a）1號路線 (b)2號路線(c)3號路線圖5.1 3號試件1,2,3實驗測量路線的法向分量通過對圖5.1分析發(fā)現：a.各條測量線磁記憶法向分量曲線均有過零現象,并且在U型缺口兩側的符號發(fā)生改變；b.2號線上的測量

20、值會比1、3號線上測得的?。?c.應力增加，表面的測得值相應也變大；d.不施加靜載時，初始磁信號很小，變化也比較平緩；施加靜載后，磁信號顯著增加，出現很好的過零現象；e.拉力過不過屈服點對法向分量的特征變化不是很大。5.2 切向磁信號分析圖5.2所示為切向磁信號的處理結果。 （a）1號路線 （b）2號路線（c）3號路線圖5.2 3號試件1,2,3實驗測量路線的切向分量從上圖可以看出：a. 各條測量線磁記憶切向分量都有個最大值，進一步發(fā)現，最大值都出現在U型缺口附近；b.切線磁信號相比法向磁信號變化較??；c.外加力比不加力作用，在同樣部位的切向分量峰值顯著增大；d.在屈服點切向分量最大值變化非常

21、大。5.3 李薩如圖分析要進行磁記憶二維檢測就要求同時分析切向和法向的磁信號，所以引入李薩如圖分析法。通過求曲線圍成的面積，就能夠判斷應力集中程度。這時我們把法向分量和切向分量結合在一起進行二維分析，結果如圖5.3所示12。 （a）1號路線 （b）2號路線（c）3號路線圖5.3 二維分量李薩如圖從上圖可以看出，這樣分析形成的二維檢測曲線是不穩(wěn)定的開口的李薩如圖。其實在實際測量中，我們不可能除去所有的外界的干擾因素，這些因素的存在很大的影響了對李薩如圖的結果，研究發(fā)現如果對切向和法向的磁信號的結果微分的話，我們就可以對他們的導數（即梯度K)建立李薩如圖，如圖5.4和5.5所示，分別為法向和切向磁

22、信號微分后的梯度K曲線13。梯度K曲線的計算公式為： (5.1)式中: -磁記憶信號檢測線上相鄰兩個檢測點間的磁信號之差； -相鄰兩個磁記憶信號檢測點之間的距離。(1)法向分量微分后的梯度k曲線。 （a）1號路線 （b）2號路線（c）3號路線圖5.4 3號試件1,2,3線路上不同載荷下的法向分量微分后的梯度k曲線(2)切向分量微分后的梯度k曲線。 （a）1號路線 （b）2號路線（c）3號路線圖5.5 3號試件1,2,3線路上不同載荷下的切向分量微分后的梯度k曲線(3)最后對法向和切向分量分別微分，以 為橫坐標，為縱坐標建立的李薩如圖，如圖5.6所示。 （a）1號路線 （b）2號路線（c）3號路

23、線圖5.6 3號試件1,2,3路線上不同載荷下對二維分量微分的李薩如圖利用origin軟件對圖5.6的李薩如圖求當量面積，結果如下14：（1）1號路線上不同載荷下的結果如圖5.70KN 3KN6KN 9KN12KN圖5.7 1號路線上不同載荷下origin軟件所求得的結果由上圖看出，1號路線不同載荷下的當量面積值依次為：0.0000451 、0.0126983、0.0193627、0.0192081、0.0342521（2）2號路線上不同載荷下的結果如圖5.80KN 3KN6KN 9KN12KN圖5.8 2號路線上不同載荷下origin軟件所求得的結果由上圖看出，2號路線不同載荷下的當量面積值

24、依次為：0.0004133、0.0128077、0.0154141、0.0215317、0.0251263（3）3號路線上不同載荷下的結果如圖5.9所示0KN 3KN6KN 9KN12KN圖5.9 3號路線上不同載荷下origin軟件所求得的結果由上圖看出，1號路線不同載荷下的當量面積值依次為：0.0004068、0.0100815、0.0214683、0.0232025、0.0274634通過得到的當量面積數據值我們能做出圖5.10的曲線15。圖5.10 應力與當量面積的關系通過對上圖分析發(fā)現：a.隨著應力的提升，李薩如圖的當量面積值也在提升；b.2號線的當量面積比1、3號線小，應力集中程度

25、小；c.應力與當量面積的關系曲線與應力與應變曲線相似，各個階段都在各曲線中找得到對應的階段；5.4 實驗結論通過對試驗結果的處理分析后，可以得到以下結論：a.應力集中區(qū)的漏磁場的切向分量有最大值，法向分量 在應力集中的兩邊改變符號，并在集中區(qū)處于零值點。b.試件的法向磁場分量和切向磁場分量都隨拉力增加而增大。c.應力較小時磁記憶法向分量過零點與切向分量峰值出現位置與理論位置有偏差，但隨著應力的加大，漸漸向理論位置靠攏。d.單靠法向分量或切線分量顯現的應力集中位置有一定的偏差不是很準確，但隨著應力的加大二者指示的位置相靠攏。e.加大應力后，對兩個方向上的磁場分量微分就會形成穩(wěn)定并且封閉的李薩如圖

26、，隨著應力的增加李薩如圖曲線圍成的面積增大，所以這個時候就可以利用李薩如圖曲線圍成的面積來對應力集中區(qū)進行定量。5.5 未來展望（1）磁記憶檢測還沒得到所有無損檢測人員的認可，主要由于基礎的理論研究還不完善。由于磁記憶涉及的學科內容廣，所以對基礎理論的研究是當前的首要任務。（2）要做到像其他常規(guī)無損檢測方法一樣準確定位、定量還有很大的困難。外界因素對磁記憶的影響，如地磁場對磁記憶的影響到底有多大，還不清楚。這是要發(fā)展磁記憶檢測所以解決的一大問題。（3）應力集中區(qū)的損傷程度和磁場強度之間的關系是阻礙磁記憶推廣的麻煩，檢測標準的建立迫在眉睫。（4）磁記憶的影響因素多，而且還不能確定影響的程度，所以

27、發(fā)展多通道、多參量診斷技術，能避免這個問題，例如本文中所利用提取的切向、法向分量，對其微分制作李薩如圖的分析方法，為磁記憶檢測提供了很好的研究手段。（5）工欲善其事 必先利其器。完善提高磁記憶檢測儀器使其在測量精度、測量速度、設備的體積重量、記憶成本和自動化程度等方面進一步提高。參考文獻1 任吉林等. 金屬磁記憶檢測技術M. 北京：中國電力出版社，2000.2 任吉林等. 金屬磁記憶檢測機理的探討J無損檢測，2002,24(1):29-31.3 任吉林等. 金屬磁記憶二維定量檢測試驗研究C 全國第九屆無損檢測學術年會論文集上海：2010，473-481.4 任吉林等. 一種磁記憶檢測定量分析的新方法J. 儀器儀表學報，2010，31(2):431-435.5 任吉林等. 電磁無損檢測M. 北京:科學出版社,2008.6 仲維暢. 金屬磁記憶法診斷的理論基礎J. 無損檢測, 2001, 23(10):424-426.7 任吉林等. 鐵磁構件應力集中的有限元分析和磁記憶檢測J. 材料工程，2004,4(9):12-13.8 仲維暢. 金屬磁記憶診斷的理論基礎J. 無損檢測, 2001,23(10): 424-426.9 周俊華等.磁致伸縮鐵磁材料磁記憶現象的理論