基于磁記憶技術(shù)的疲勞損傷評估及壽命預(yù)測.pdf

1、疲勞損傷是造成機械零構(gòu)件失效的主要原因，如何及時地進行可靠的疲勞損傷評估及壽命預(yù)測，防止重大事故發(fā)生，是當(dāng)前迫切需要解決的問題。
　　疲勞損傷是一個從萌生到擴展不斷累積、發(fā)展的過程，伴隨著疲勞損傷的演化，材料的磁化特性不斷發(fā)生改變，靠近疲勞損傷處的磁阻增加，磁導(dǎo)率下降。新興的金屬磁記憶技術(shù)，正是基于鐵磁材料在地磁場和疲勞載荷作用下磁化特性的改變，不但能夠檢測塑性變形及宏觀裂紋，而且能夠可靠探測早期應(yīng)力集中，克服了傳統(tǒng)無損檢測方法對

2、損傷萌生無法檢測的不足，在疲勞損傷評估方面極富開發(fā)潛力。
　　同時，疲勞損傷的評估不僅依賴于先進的無損檢測技術(shù)，還必須結(jié)合疲勞損傷的細(xì)觀顯微觀測手段，從宏觀和細(xì)觀相結(jié)合的角度，探求疲勞損傷微觀演化的宏觀特征，才能進行可靠的損傷評估和壽命預(yù)測。
　　本文的目的是將金屬磁記憶技術(shù)引入疲勞損傷與壽命評估領(lǐng)域，從宏觀和細(xì)觀相結(jié)合的角度，整合磁記憶檢測和CCD視頻顯微觀測手段，發(fā)展一種新的疲勞損傷測試方法，研究疲勞損傷萌生和擴展微觀演

3、化機制下的磁記憶宏觀表征規(guī)律，建立基于磁記憶參數(shù)的疲勞裂紋萌生壽命模型，探索涵蓋物理短裂紋和長裂紋在內(nèi)的裂紋擴展速率與磁記憶相關(guān)性模型，進行基于磁記憶技術(shù)的疲勞損傷評估和全壽命預(yù)測。本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　首先基于量子力學(xué)的交換能理論，研究了鐵材料的自發(fā)磁化特性。在此基礎(chǔ)上，從熱力學(xué)方程導(dǎo)出的壓磁效應(yīng)關(guān)系，研究了單個疲勞周期下的磁記憶效應(yīng)，并進一步從鐵磁材料自發(fā)磁化特性、磁疇理論、鐵磁學(xué)能量平衡理論，研究了多周期循環(huán)應(yīng)力作用

4、下的磁記憶機理。根據(jù)磁疇理論，在磁偶極子模型的基礎(chǔ)上，研究了磁記憶檢測原理。
　　應(yīng)用疲勞損傷磁記憶——顯微觀測試驗方法，對45號調(diào)質(zhì)鋼和Q235鋼三點彎曲試樣，進行了不同載荷和應(yīng)力比下疲勞裂紋萌生試驗；在有限元仿真計算的基礎(chǔ)上，從裂尖縱向、橫向及三維角度，綜合研究了微裂紋萌生階段、三點彎曲試樣正應(yīng)力和切應(yīng)力分布與磁記憶信號分布的對應(yīng)關(guān)系；結(jié)合位錯理論和磁彈性耦合理論，給出了裂紋萌生微觀機制下的磁記憶表征規(guī)律，研究分析了臨界裂紋萌

5、生時的磁記憶特征信號。
　　根據(jù)裂紋成核和磁疇自發(fā)磁化的相變原理，鐵磁材料疲勞裂紋萌生過程的能量變化遵循Gibbs自由能最小原理，以裂紋成核前后能量漲落為切入點，建立了裂紋萌生壽命與磁記憶參數(shù)、材料細(xì)觀組織參數(shù)、載荷條件的相關(guān)模型。試驗驗證結(jié)果表明，該模型與試驗結(jié)果具有較好的一致性。
　　應(yīng)力強度因子范圍和裂紋擴展速率是裂紋擴展評估的兩個重要參量，根據(jù)物理短裂紋擴展的特異性，采用有效應(yīng)力強度因子范圍Δ來描述裂紋擴展速Kef率

6、，結(jié)合裂紋閉合效應(yīng)的分析，將長裂紋擴展分析方法延伸到物理短裂紋階段；通過疲勞裂紋擴展與磁記憶效應(yīng)相關(guān)性試驗，獲得了45號調(diào)質(zhì)鋼和Q235鋼在不同載荷和應(yīng)力比下，從物理短裂紋到長裂紋擴展的磁記憶信號與有效應(yīng)力強度因子范圍的關(guān)系；按物理短裂紋擴展、長裂紋穩(wěn)態(tài)擴展、長裂紋失穩(wěn)擴展三個階段，詳細(xì)研究了有效應(yīng)力強度因子范圍Δ、裂紋擴展速率dNda/與磁記Kef憶信號Hp的相關(guān)性，以新的磁特性角度將物理短裂紋與長裂紋的擴展研究)(y統(tǒng)一起來。

7、>　　da/與磁記憶信號利用最小二乘法，建立了涵蓋了物理短裂紋和長裂紋在內(nèi)的裂紋擴展速率dNHp的相關(guān)性定量模型，驗證試驗表明預(yù)測值與實測值)(y一致性比較好，尤其在長裂紋穩(wěn)態(tài)擴展階段，預(yù)測值與實測值具有很高的一致性，在短裂紋擴展和長裂紋失穩(wěn)擴展階段稍差一些；同時分析了疲勞平均載荷、應(yīng)力比、熱處理方式對裂紋擴展速率和磁記憶相關(guān)性的影響，對裂紋擴展研究作了新的嘗試。
　　由于疲勞損傷演變是動態(tài)非線性過程，用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)函數(shù)精確建立壽命