利用自发射磁信号评价再制造毛坯应力集中程度的方法

技术领域

本发明涉及一种利用自发射磁信号评价再制造毛坯应力集中程度的方 法，属于无损检测技术领域。

背景技术

再制造毛坯是再制造的生产对象，它们是经过一轮服役周期的废旧机械零 部件。在服役过程中这些废旧零部件可能产生损伤，甚至生成缺陷。再制造 前必须评价再制造毛坯的损伤程度，判断其有无再制造价值，只有具有再制 造价值的废旧零部件才能够进行再制造。

针对已生成宏观缺陷的再制造毛坯，使用常规无损检测方法，如射线、超 声、涡流、磁力、渗透探伤等技术均可发现，但这些方法对再制造毛坯的早 期隐性损伤无法诊断。目前再制造生产企业主要采用磁粉、超声、渗透、水 压等探伤技术来检测废旧零件有无裂纹等危险缺陷。如未发现缺陷，则认为 这些废旧件具有再制造价值，可以进行再制造，这就使得虽无宏观缺陷但有 早期损伤的废旧零件进入再制造生产流程，埋下质量隐患。

由于早期损伤的复杂性和隐蔽性，无损评价再制造毛坯的早期损伤程度非 常困难。金属磁记忆技术是90年代末形成的先进无损检测手段，它利用铁磁 材料在服役过程中受载荷激励而自发产生的自发射磁信号来发现潜在的应力 集中部位，由于在早期损伤诊断领域极具潜力而受到关注。俄罗斯学者作为 金属磁记忆技术的原创者，提出以磁信号法向分量的梯度值来评价铁磁材料 应力集中程度大小，建立经验公式(1)如下：

$K=\frac{\left|\Delta H_p\right|}{\Delta l_k}---\left(1\right)$

公式(1)中：ΔH_p表示铁磁材料表面自发射磁信号法向分量的变化；Δl_k表示 相对应的探头检测的长度。

目前，在工程领域和学术领域，均以此公式为基础，评价铁磁零部件应 力集中区域的危险程度。然而，由于针对不同的铁磁构件，其化学成分、几 何尺寸、服役环境、服役载荷等诸多影响因素与自发射磁信号变化规律的相 关性尚未澄清，缺乏应力集中程度的校验标准，依据公式(1)只能对同类零 件应力集中程度进行定性评价，难以定量比较不同结构、功能和服役条件的 铁磁性再制造毛坯的应力集中程度。

已有技术中，仅有申请号200710119911.6，公开号CN101122578A的中国 发明专利——铁磁性金属构件疲劳裂纹和应力集中的磁记忆检测方法，提出 一种磁示应力集中系数表征铁磁材料应力集中程度的方法，以自发射磁信号 的水平分量H_p(x)信号磁场强度最大值与最小值的比值作为比较标准，该方法 仍然是一种应力集中程度定性评价方法，不适用不同零件的比较。

发明内容

本发明的目的是发明一种利用自发射磁信号定量评价不同服役条件下铁 磁零件应力集中程度的新型检测方法。

本发明所提供的是一种通过预制一系列标准应力集中系数的试件，在不 同服役条件下进行试验，获得自发射磁信号特征参量与应力集中系数的映射 关系，利用这一映射关系评价废旧铁磁零件潜在危险部位的应力集中程度， 实现利用自发射磁信号定量评价再制造毛坯应力集中程度的目标。

本发明通过如下技术方案实现：

一种利用自发射磁信号定量评价废旧铁磁零件应力集中程度的方法，其 特征在于该方法包括以下各步骤：

1)采用和被测废旧铁磁零件相同材质的材料制作系列应力集中系数的标 准试件，按照被测废旧铁磁零件新品出厂时的表面质量及热处理规范要求进 行使用前的最终处理；

2)磁传感器垂直标准试件表面，按照固定提离值，扫描标准试件表面的 应力集中部位，获得初始状态下试件检测表面的自发射磁信号；

3)根据被测铁磁零件服役条件要求，设计相应的弯曲、扭转、冲击、疲 劳一种或几种不同试验类型，进行应力集中系数标准试件试验，试验过程中 利用磁传感器垂直试件表面，按照步骤2)相同的固定提离值，扫描试件表面 的应力集中区域，获得应力集中区域的自发射磁信号；检测次数的确定根据 被测零件的设计寿命确定；重复上述步骤，直至标准试件破坏；

4)磁传感器在上述步骤中测得的信号经计算处理，提取自发射磁信号水 平分量H_p(x)或法向分量H_p(y)或切向分量H_p(z)之一或者两种或者三种的特征 参量，采用神经网络建立标准试件应力集中区域自发射磁信号的特征值与应 力集中程度的映射关系模型；

5)采用步骤2)所用的磁传感器，按照和步骤2)相同提离值，检测被 测铁磁零件表面潜在危险区域的自发射磁信号，根据步骤4)中确定的自发射 磁信号特征量与应力集中程度的映射关系，定量评价被测铁磁试件的应力集 中程度；

上述的自发射磁信号的测量方式为标准试件和被测铁磁零件在卸载状态 下进行测量。

使用的磁传感器测量铁磁材料自有漏磁场的一维或二维或三维之一或者 两种或者三种的磁信号，即为法向分量H_p(y)信号、水平分量H_p(x)信号或切 向分量H_p(z)信号之一或者两种或者三种信号，测量精度等于或高于1A/m。

本发明确定的方法，利用铁磁材料自发射磁信号实现应力集中程度的定 量评价，无需对被测废旧铁磁零件外加激励磁场及退磁装置，也不需要对废 旧零件表面作任何预处理。

附图说明

图1为本发明采用的应力集中标准试件及检测线布置

图2为本发明采用的应力集中标准试件疲劳试验过程中表面二维磁信号 分布特征

具体实施方式

本发明通过如下措施来实现：

被测构件材料为42CrMo钢，自发射磁信号检测仪器为EMS-2003型金属 磁记忆检测仪(检测法向分量H_p(y)信号)和RM-1型磁记忆检测仪(检测水 平分量H_p(x)信号)。

1)选用和被测构件材质相同的铁磁材料42CrMo钢，按照国家标准制作 应力集中系数K_t＝1～5的五种预制切口的应力集中系数试件，表面粗糙度R_a的 上限值为0.4μm，加热至860℃，保温30分钟，油淬，而后540℃高温回火2 小时，随炉冷却至200℃以下出炉空冷，获得纯净的初始磁状态。

在试件表面两侧的预制切口部位，每条检测线间隔1mm，共布置10条平 行检测线，覆盖预制切口。检测线长度100mm，如附图1所示。

2)采用的磁传感器基于霍耳元件，可采集表面杂散磁场的二维信号，即 自发射磁信号的法向分量H_p(y)信号和水平分量H_p(x)信号，检测精度为1A/m。 传感器垂直试件表面，提离值1mm，以直线行进方式(扫描方向如附图1箭头 所示)分别扫描各检测线，采集试件初始状态下表面杂散磁场的二维信号， 获得H_p(x)和H_p(y)信号分布。

3)对应力集中标准试件施加恒幅拉压疲劳载荷，根据真实零件的服役载 荷谱，设定最大应力σ_max＝160MPa，应力比R＝-1，频率f＝30Hz。加载至标准 试件疲劳寿命的初期、中期和后期阶段的循环次数下，分别卸载取下试件， 将试件沿地磁场南北方向放置于非磁性三维平台上，由三维电控扫描架控制 磁传感器检测线按照固定方式移动，获取试件应力集中部位表面的二维信号， 信号送入计算机处理，获得该循环次数下表面杂散磁场法向分量分布。重复 上述步骤，获得不同应力集中系数下，疲劳循环次数与试件表面杂散磁场二 维信号分布规律(如附图2所示)，直至试件萌生疲劳裂纹。

4)采用Matlab软件提取H_p(y)信号的峰峰值和峰间斜率值两个特征参量， H_p(x)信号的峰宽、峰高及峰态因素等三个特征量，以这五个信号特征量为输 入向量建立三层BP网络模型，输出层神经元个数为1，为试件应力集中程度 值，建立自发射磁信号特征量与应力集中程度映射关系的BP神经网络模型。

5)采用步骤2)所用的磁传感器，按照和步骤2)相同提离值，检测被 测铁磁零件表面潜在危险区域的自发射磁信号，根据步骤4)中确定的二维磁 信号特征量与应力集中程度的神经网络模型，定量评价被测铁磁试件的应力 集中程度。