[发明专利]一种利用表面磁场的变化判定铁磁材料开始发生塑形变形的方法

摘要

本发明公开了基于磁记忆检测技术的铁磁材料发生塑形变形的判断方法，将磁记忆表面磁场测量与弹塑性力学以及材料学相结合，以表面磁场法向分量作为特征参量，建立了一种针对铁磁构件拉伸载荷下材料进入塑形变形的表征方法。本发明采用金属磁记忆检测拉伸过程中构件表面磁场的变化，通过表面磁场梯度是否开始小于零以及表面磁场是否出现“跳水式”下降来确认材料开始产生塑形变形。

主权项

一种利用表面磁场的变化判定铁磁材料开始发生塑形变形的方法，其特征是：该方法包括如下步骤：1)对金属磁记忆检测装置按照相关技术文档，对其磁性传感器进行标定，一般以地磁场为40A/m进行标定，其中A/m为磁场单位；2)采用退磁机械对构件进行退磁处理，若是经过去应力退火的材料不必进行退磁处理，并用磁记忆检测装置记录测量测点表面磁场法向分量的初始值，记为：Hp(y)₀，其中Hp(y)₀为表面磁场法向分量的初始值；3)按一定步长的载荷或者应变对试件进行第n次加载，小心将构件从整体结构中取出，放置在无磁平台上，即采用离线测量的方式，记录测量测点表面磁场法向分量，记为Hp(y)'_n，与表面磁场法向分量初始值Hp(y)₀相减，获得第n次载荷下完全由载荷引起的表面磁场记为Hp(y)_n，其中Hp(y)'_n为第n次加载后材料离线方式测量的表面磁场法向分量，Hp(y)₀为表面磁场法向分量的初始值，Hp(y)_n为第n次载荷下完全由载荷引起的表面磁场法向分量；4)进行第n+1次加载，加载至预定载荷后，以步骤3同样的方式进行表面磁场法向分量的测量，记录值记为Hp(y)'_n+1，将其与表面磁场法向分量初始值Hp(y)₀相减，获得第n+1次载荷下完全由载荷引起的表面磁场记为Hp(y)_n+1，其中Hp(y)'_n+1为第n+1次加载后材料离线方式测量的表面磁场法向分量，Hp(y)₀为表面磁场法向分量的初始值，Hp(y)_n+1为第n+1次载荷下完全由载荷引起的表面磁场法向分量；5)表面磁场法向分量的梯度K，其中K为表面磁场法向分量的梯度，Hp(y)_n为步骤3第n次加载得到的表面磁场法向分量，Hp(y)_n+1为步骤4第n+1次加载得到的表面磁场法向分量；6)若表面磁场法向分量的梯度K＞0，材料处于弹性阶段；若表面磁场法向分量的梯度K＜0，材料处于塑性阶段；若表面磁场法向分量的梯度K＝0，材料处于由弹性向塑形变形过渡时刻；7)当铁磁材料承受塑性变形之后，磁化受到外加磁场，残余应力场，和塑性应变场的影响，总的有效场H_eff：H_eff＝H+αM+H_σr+H_σp‑D_σM其中H为外加磁场，即地磁场，M为材料的磁化强度，α为平均场耦合系数，而残余应力等效场$H_{\mathrm{\σr}}=\frac{3{\mathrm{\σ}}_r}{2{\mathrm{\μ}}_0}\frac{\mathrm{d\λ}}{d{M}_{\mathrm{an}}}$和塑形变形等效场$H_{\mathrm{\σp}}=-\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_0}\frac{\∂E_p}{\∂M}=-k\left|{\mathrm{\ϵ}}_p\right|$都是塑形应变ε_p的函数，k为材料的钉扎系数，σ_r为残余应力，μ₀为真空磁导率，λ为磁致伸缩系数，M_an为无滞后磁化强度，E_p为磁塑性能，对于多晶材料，磁性体的磁化M可以用下式来计算：$M=M_s(\coth \left(\frac{H_{\mathrm{eff}}}{a}\right)-\frac{a}{H_{\mathrm{eff}}})-\mathrm{k\δ}\left(\frac{\∂M}{\∂H_{\mathrm{eff}}}\right)$其中δ＝±1分别对应于增加和减少的磁场，M_s为材料的饱和磁化强度，计算可得磁化的表达式：$\begin{array}{c}\frac{M}{M_s}=\coth \left(\frac{H_{\mathrm{eff}}}{a}\right)-\frac{a}{H_{\mathrm{eff}}}+\frac{\mathrm{k\δ}}{a}\{{\cos \mathrm{ech}}^2\left(\frac{H_{\mathrm{eff}}}{a}\right)-{\left(\frac{a}{H_{\mathrm{eff}}}\right)}^2\}-\mathrm{k\δ}\left(\frac{{\∂}^{2}M}{{\∂}^2{H}_{\mathrm{eff}}}\right)\\ \≈\coth \left(\frac{H_{\mathrm{eff}}}{a}\right)-\frac{a}{H_{\mathrm{eff}}}+\frac{\mathrm{k\δ}}{a}\{{\cos \mathrm{ech}}^2\left(\frac{H_{\mathrm{eff}}}{a}\right)-{\left(\frac{a}{H_{\mathrm{eff}}}\right)}^2\}\\ +\frac{2k^2}{a^2}\{{\cos \mathrm{ech}}^2\left(\frac{H_{\mathrm{eff}}}{a}\right)\coth \left(\frac{H_{\mathrm{eff}}}{a}\right)-{\left(\frac{a}{H_{\mathrm{eff}}}\right)}^3\}\end{array}$式中a为规划常数，计算可知磁化强度与塑性变形之间是呈“跳水式”的关系，即塑形变形初期，磁化强度快速下降，而后随着塑性变形继续增加，磁化强度缓慢变化；8)得出各载荷与测点的表面磁场法向分量Hp(y)值对应曲线，铁磁材料发生塑性变形的开始阶段，材料的磁记忆信号会出现“跳水式”下降，而后随着塑形变形的增加而缓慢减少；9)材料发生塑形变形的另外一个判据是材料表面磁场法向分量Hp(y)值出现“跳水式”下降，上述方法即为利用表面磁场的变化判定铁磁材料开始发生塑形变形的方法。