一种铁磁性金属构件疲劳损伤的磁致声发射检测方法
阅读说明：本技术 一种铁磁性金属构件疲劳损伤的磁致声发射检测方法 (Magneto acoustic emission detection method for fatigue damage of ferromagnetic metal component ) 是由 沈功田 沈永娜 张文君 于 2020-05-28 设计创作，主要内容包括：一种铁磁性金属构件疲劳损伤的磁致声发射检测方法,首先,采用正弦波电压信号产生激励磁场,逐步提高加载电压,直至获得具有明显尾峰的双峰包络的磁声发射信号,此时所对应的电压峰峰值作为参考电压；随后,以等于或高于参考电压的方波电压信号产生激励磁场,获取具有“T”型包络的磁声发射信号；再次,计算多个周期内磁声发射信号的峰峰值平均值作为特征参数,其随疲劳裂纹萌生、扩展的发展出现拐点变化,从而据此识别出疲劳微裂纹的萌生和扩展,对构件失效作出及时预警。本发明采用方波电压激励获得“T”形包络信号,其波形清晰易辨,在参考电压确保了足够磁场强度的基础上,大幅提升了MAE的抗噪声能力,实现了MAE疲劳监测工程化应用,检测结果稳定可靠。(A ferromagnetic metal component fatigue damage magnetic acoustic emission detection method, firstly, adopt the sine wave voltage signal to produce the excitation magnetic field, raise the loading voltage step by step, until obtaining the magnetic acoustic emission signal with double peak envelope of the obvious tail peak, the peak value of voltage peak corresponded to at this moment is regarded as the reference voltage; then, generating an excitation magnetic field by a square wave voltage signal equal to or higher than a reference voltage, and acquiring a magnetoacoustic emission signal with a T-shaped envelope; and thirdly, calculating the average value of the peak value and the peak value of the magnetic acoustic emission signals in a plurality of periods as characteristic parameters, wherein the average value of the peak value and the peak value of the magnetic acoustic emission signals in the plurality of periods is changed along with the inflection point of the fatigue crack initiation and expansion development, thereby identifying the initiation and expansion of the fatigue crack and giving timely early warning on the component failure. The square wave voltage is adopted for excitation to obtain the T-shaped envelope signal, the waveform is clear and easy to distinguish, the anti-noise capability of the MAE is greatly improved on the basis that the reference voltage ensures enough magnetic field intensity, the MAE fatigue monitoring engineering application is realized, and the detection result is stable and reliable.)
技术领域
本发明属于材料损伤的无损检测技术领域，具体涉及一种铁磁性金属构件疲劳损伤的磁致声发射检测方法。
背景技术
长期经受循环载荷的金属构件，其疲劳寿命可分为三个阶段：(1)第一阶段为疲劳硬化或软化阶段，该阶段材料的微观组织结构整体发生变化，最终形成应力应变集中区域，产生疲劳损伤；(2)第二阶段为裂纹萌生阶段，该阶段裂纹长度通常不大于晶粒尺寸(10μm-100μm)；(3)第三阶段为裂纹扩展阶段，这一阶段又分为第I阶段裂纹稳定扩展和第II阶段裂纹快速扩展，其中第I阶段裂纹稳定扩展是指微裂纹沿原方向的扩展，第II阶段疲劳裂纹快速扩展则指微裂纹形成主裂纹并沿垂直于最大主拉应力方向扩展。第II阶段疲劳裂纹快速扩展一旦出现，构件发生失效往往很快，因此，确定第II阶段疲劳裂纹扩展的起始时刻，进行预警，对于保障构件的安全运行具有重大意义。
传统的无损检测技术，如磁粉、涡流、渗透等仅能检测宏观或可视疲劳裂纹，即第II阶段疲劳裂纹快速扩展至一定长度的裂纹。磁致声发射(Magneto acoustic emission，简称MAE)是指铁磁性金属材料在交变磁场作用下由于磁畴结构发生变化而产生声发射的现象，MAE信号对铁磁性金属材料的微观组织结构和应力状态非常敏感。目前对于MAE检测所用的交变磁场，常有正弦波或对称度50％的三角波电流或电压信号激励产生，交变磁场的最大强度与电流或电压信号的幅值、频率所决定。侯炳麟等(侯炳麟，周建平，彭湘，等.磁声发射在钢轨性能无损检测中的应用研究[J].实验力学，1998(01)：99-105)，采用正弦波电压信号对不同疲劳周期的U74轨钢进行MAE测试，结果表明随着疲劳循环次数的增加，MAE信号的均方根电压先增大后单调下降，约在疲劳寿命的20％时达到最大值，并且磁场强度Hmax越大上述规律越明显(图1)，但是，其并不能区分疲劳裂纹第I阶段稳定扩展和第II阶段快速扩展。类似的，本申请发明人采用正弦波电压信号激励Q235钢获取MAE信号的均方根电压随疲劳周期的变化，也得出相似规律(图2)，且亦无法区分疲劳裂纹第I阶段稳定扩展和第II阶段快速扩展的两个阶段。
发明人经过对激励信号幅度和波形与交变磁场强度的关系的研究，分析交变磁场对MAE随疲劳损伤的变化规律的影响，通过分析疲劳裂纹由第I阶段稳定扩展转变为第II阶段快速扩展时材料或构件的应力状态和微观组织结构状态的变化，发现该过程伴随应力释放和材料表面不连续的形成，(1)应力释放使MAE信号强度增大(MAE信号强度与应力负相关)，(2)材料表面不连续则使材料的磁化强度降低，进而使发生不可逆移动的磁畴壁的数量下降，导致MAE信号强度降低，即MAE信号强度的变化与材料磁场强度密切相关。而应力释放的变化趋势是微裂纹稳定扩展到宏观主裂纹快速扩展的关键所在，因而发明人在分析MAE信号强度影响因素的基础上，为了解决上述疲劳裂纹第I阶段稳定扩展和第II阶段快速扩展无法识别的问题，基于提高交变磁场强度的思路提出本发明所述检测方法。
发明内容
为了实现疲劳II阶段裂纹快速扩展起始时刻的检测，本发明提供一种铁磁性金属构件疲劳损伤的磁致声发射检测方法，具体为：
首先，将U型电磁轭和声发射传感器以相对固定的位置置于未经受疲劳载荷的被测铁磁性金属构件的被检区域，所述磁轭与所述构件形成磁回路，所述声发射传感器用于采集磁致声发射信号；
随后的检测步骤是在获取正弦波参考电压的基础上采用方波激励，从而得到稳定有效的激励源，以确保被测构件疲劳过程中其材料内部的磁化强度保持饱和，最终获取到的“T”形包络的MAE信号的峰峰值电压随疲劳周期的拐点变化有效地指示出第II阶段裂纹快速扩展的起始时刻；
所述检测步骤具体如下：
(1)正弦波激励磁场，获取参考电压Vpp1；向U型电磁轭的线圈加载正弦波电压信号，，由小到大调整所述加载信号的峰峰值，直至采集得到的磁致声发射信号的时域波形具有明显尾峰的双峰包络，此时所述加载信号的电压峰峰值记录为参考电压Vpp1；
(2)基于参考电压的Vpp1的方波激励；
保持信号频率不变，设置信号的电压峰峰值为Vpp1的n倍，其中n≥1，采用占空比为50％的方波电压信号产生激励磁场，此时，获得的磁致声发射信号的时域波形具有“T”形包络；
(3)信号滤波；
对M个磁化周期的磁致声发射信号进行滤波，提取所述方波电压激励的磁致声发射信号的峰峰值电压，并对所述M个磁化周期内的所述峰峰值电压求取平均值；
(4)疲劳监测并判断第II阶段疲劳裂纹扩展的出现；
采用步骤(2)所述频率和电压峰峰值的方波电压信号，对经受不同疲劳周期的被测铁磁性金属构件的同一区域进行检测，分析磁致声发射信号的所述峰峰值电压平均值随所述检测周期的变化曲线以判断被被检构件是否开始第II阶段疲劳裂纹扩展：
进一步的，将M个磁化周期的磁致声发射信号的峰峰值电压取平均值作为特征参数，该特征参数随疲劳周期的变化曲线在持续单调下降后出现拐点时为第II阶段疲劳裂纹扩展的起始时刻。
(4.1)随着疲劳周期的增加，所得磁致声发射信号的峰峰值电压先出现波动，后单调下降，则构件未出现第II阶段疲劳裂纹扩展；
(4.2)随着疲劳周期的增加，所得磁致声发射信号的峰峰值电压由单调下降变为逐渐增大，则构件已进入第II阶段疲劳裂纹扩展。
进一步的，所述步骤(1.2)中，n取1至n1，n1＝提供所述电压信号的信号发生器的输出最大电压/Vpp1。
进一步的，所述步骤(3)中，所述M大于等于20。
进一步的，所述U型电磁轭可采用线圈来代替，此时，被检测区域置于线圈内部。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)现有MAE检测在检测过程中仅采用正弦波或对称度为50％的三角波的激励信号，仅能发现随着疲劳循环次数的增加，MAE信号的均方根电压先增大后单调下降，无法识别疲劳微裂纹扩展的变化，从而未能对构件失效作出预警；本发明采用基于正弦波调整的参考电压的方波电压信号作为激励信号，在参考电压确保了较强交变磁场强度的基础上，利用方波激励获得T形包络信号，信号随着疲劳循环次数的增加先增大后单调下降之后，随疲劳裂纹的继续发展而出现拐点变化，可识别出疲劳微裂纹的稳定扩展和快速扩展的发展拐点，从而对构件失效作出及时预警。
(2)现有MAE检测在监测过程中采用正弦波或对称度为50％的三角波的激励信号，在构件服役现场疲劳监测的噪声干扰下，获得的MAE信号波形包络变化起伏，常见信号为驼峰包络或包络交叠，信号均方根电压受到环境影响大，难以保证基于该特征参数进行判断识别疲劳损伤的可靠性和准确性；而本发明采用方波电压信号作为激励信号，所得的MAE信号具有“T”形包络，信号波形清晰易识别，在参考电压确保了足够磁场强度的基础上，进一步大幅提升了MAE抗噪声干扰能力，且提取其峰峰值电压的获取准确方便，使得疲劳监测实现了MAE技术的工程化应用，检测结果稳定可靠。
附图说明
图1现有MAE检测方法，不同激磁电压下的VRMS-N/Nf曲线；
图2正弦波不同激励电压下MAE信号的RMS值随疲劳周期的变化；
图3本发明铁磁性金属构件疲劳损伤磁致声发射检测方法的步骤框图；
图4一个磁化周期内时域波形具有明显尾峰的双峰包络的MAE信号图；
图5一个磁化周期内的时域波形具有“T”形包络的MAE信号图；
图6 Q235的MAE信号的峰峰值电压随疲劳周期的变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
本发明所述检测方法的步骤框图见图3，步骤如下；
1)将自制的U型电磁轭和声发射传感器以相对固定位置于未进行疲劳加载的Q235钢构件的中心区域。
2)向U型电磁轭的线圈加载具有周期性的正弦波电压信号，信号的频率为20Hz，其中电压信号由函数发生器产生，并经功率放大器放大10倍后输入线圈。由于MAE信号在正弦波电压信号激励的交变磁场下产生，因而Q235钢构件在一个磁化周期内，产生两个相同的MAE信号，即MAE信号频率为交变磁场频率的两倍。
通过函数发生器使输出电压信号的峰峰值由0.5Vpp以0.5Vpp为梯度增大，增至4Vpp时即可获取如图4所示的时域波形具有明显尾峰的双峰包络的磁致声发射信号。此时，材料的动态磁滞回线趋于饱和，表明该电压信号产生的最大交变磁场强度Hmax接近材料的饱和磁化强度。
当磁场为恒定磁场且磁场强度大于或者等于材料饱和磁化强度时，裂纹或者表面不连续对材料的磁化强度的影响可以忽略。相比于同样强度的恒定磁场，正弦波电压激励的交变磁场对材料的磁化能力相对较弱，这是因为采用正弦波电压信号激励磁场时，在一定电压下，信号频率越大，其产生的交变磁场强度越小。而方波电压信号的电压平台相当于频率无限大的正弦波电压信号，故采用方波电压信号能有效提高交变磁场强度和对材料的磁化能力。因此，在4Vpp电压对应的交变磁场强度的基础上，本发明通过方波激励的形式进一步提高Hmax，将降低或者消除表面不连续对MAE信号强度的影响。
3)将2)中的正弦波电压信号改变为占空比为50％的方波电压信号，信号的频率保持为20Hz，峰峰值设置为4Vpp，此时采集得到的MAE信号具有“T”形包络，如图5所示。
4)对25个磁化周期的MAE信号进行滤波，然后提取MAE信号的特征参数：峰峰值电压，并分别对这些周期内的MAE信号的峰值电压求取平均值。
具体方法为，首先滤除频率低于20kHz成分，求取一个磁化周期内波形信号的峰值电压，然后再求取多个磁化周期的峰峰值电压的平均值。
5)采用第3)步中的电压信号对经受不同疲劳周期的Q235钢构件的MAE信号进行采集并进行第4)步的分析，获取构件不同疲劳周次的MAE信号25个磁化周期内的峰峰值电压平均值，见图6。
对于铁磁性金属材料，其不可逆磁化过程主要为磁畴壁的不可逆位移和磁畴壁的产生和湮灭，MAE信号强度与不可逆位移的畴壁的数量和位移大小密切相关。在疲劳第一阶段，材料中的位错快速增殖，其形态由分散的位错发展为位错结、位错包络并最终形成“驻留滑移带”。位错结、位错包络等的形成，一方面，作为磁畴的钉扎点使不可逆移动磁畴壁数量增多，进而使MAE信号的增强；另一方面使畴壁不可逆位移减小，进而降低MAE信号强度。两方面共同作用使MAE信号强度出现波动；在疲劳第二阶段，微裂纹的萌生使原有的磁畴结构破碎，磁畴壁不可逆位移减小，导致MAE信号强度进一步降低；在疲劳第三阶段，随着疲劳第II阶段裂纹快速扩展，一方面，应力得到一定程度的释放，进而引起MAE信号的强度的增加，但是另一方面，裂纹扩展应变导致构件形成的表面不连续引起材料磁化强度降低，进而使发生不可逆位移的磁畴壁数量减少，导致MAE信号的强度下降。因此，在疲劳第三阶段MAE信号强度的变化由应力释放和材料表面不连续两方面共同决定。当外加磁场为恒定磁场且磁场强度大于或等于材料饱和磁化强度时，材料表面不连续对材料磁化强度的影响可以忽略。因此，要克服表面不连续对激励磁化强度的影响，使得应力释放产生的MAE变化体现出来，发明人提出，通过提高Hmax的方式，使得构件表面发生不连续时，削弱或消除其对材料磁化强度的影响，从而应力释放对MAE强度的增加效用不被表面不连续的影响而掩盖，信号特征值随疲劳周期的“拐点”才会出现。
参考电压的获取，首先保证了材料的饱和磁化，在此基础上，方波激励一方面提供了清晰易辨的T形包络，另一方面方波电压信号的电压平台相当于频率无限大的正弦波电压信号，其平均电压高于正弦波平均电压，实质上是进一步提高了激励磁场的强度，因而本发明提出的正弦波参考电压结合方波激励，确保了后继表面不连续发生时，材料内部的磁化强度依然饱和，从而本发明最终获取到的MAE信号反映出使疲劳裂纹由第I阶段稳定扩展发展至第II阶段快速扩展时应力释放的变化。即本发明通过正弦波和方波结合的方式，获取了稳定有效的激励源，从而“T”形包络信号的峰峰值电压作为分析的特征参数才能有效地指示第II阶段裂纹快速扩展的起始时刻。
上述实施方式证实了本发明的有效性，即通过比较不同疲劳周期的待测部位的磁致声发射信号的所述峰峰值电压平均值，可直观、便捷地用于分析待检区域疲劳损伤程度的检测，并确保了检测结果的可靠性、有效性。
上述实施方式为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和/或简化，均应视为等效的置换方式，均应包含在本发明的保护范围之内。