創(chuàng)新實(shí)習(xí)報(bào)告格式

1、創(chuàng)新實(shí)習(xí)報(bào)告題 目 名 稱 磁記憶檢測(cè)原理及其發(fā)展方向的研究 學(xué) 院（系） 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 專 業(yè) 班 級(jí) 材料成型及控制工程 二 班 學(xué) 生 姓 名 吳云浩 指 導(dǎo) 教 師 吳文秀 日 期 2012.2.26 至 2012.3.22 目 錄1、 金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)31.1簡(jiǎn)介31.2磁記憶原理51.3疲勞損傷61.4 金屬磁記憶法優(yōu)點(diǎn)61.5 金屬磁記憶方法的物理原理72、鐵磁結(jié)構(gòu)制件局部應(yīng)力集中區(qū)形成磁偶極子的建議模型。123、非結(jié)構(gòu)鐵磁制件174.結(jié)論204.1應(yīng)力集中204.3應(yīng)力測(cè)試定義214.5應(yīng)力測(cè)試的方法22參考文獻(xiàn)23 摘要：通過(guò)創(chuàng)新實(shí)習(xí)，我漸漸學(xué)習(xí)了磁記憶檢測(cè)方法，

2、磁記憶檢測(cè)技術(shù)是一種正在發(fā)展中的新型的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來(lái)越高，構(gòu)件的質(zhì)量檢測(cè)由常規(guī)的宏觀缺陷檢測(cè)發(fā)展到缺陷源的早期診斷。二十世紀(jì)九十年代提出的磁記憶檢測(cè)技術(shù)，與常規(guī)檢測(cè)技術(shù)相比，具有快速、無(wú)外加磁場(chǎng)及檢測(cè)成本低等優(yōu)點(diǎn)。所謂創(chuàng)新，就是要將磁記憶檢測(cè)儀器向便捷，智能，易于人機(jī)互交的方向發(fā)展，希望將來(lái)可以通過(guò)編程手機(jī)軟件，通過(guò)便捷探頭，用手機(jī)就可以對(duì)金屬進(jìn)行磁記憶檢測(cè)。 關(guān)鍵詞：磁記憶、無(wú)損檢測(cè)、質(zhì)量1、 金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù) 1.1簡(jiǎn)介 金屬磁記憶技術(shù)是 20世紀(jì) 90年代后期出現(xiàn)的一種新型金屬無(wú)損檢測(cè)技術(shù) , 該技術(shù)借助于天然 的地磁場(chǎng)作用, 金屬內(nèi)部各

3、種微觀缺陷和局部應(yīng)力集中對(duì)磁作用的特殊反應(yīng)機(jī)制, 能夠?qū)﹁F磁性金屬 構(gòu)件進(jìn)行早期診斷和壽命的評(píng)估工作 .檢測(cè)原理可以表述為: 處于地磁環(huán)境下的鐵制工件受工作載荷的作用, 其內(nèi)部會(huì)發(fā)生具 有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向和不可逆的重新取向, 并在應(yīng)力與變形集中區(qū)形成最大的漏 磁場(chǎng)h p的變化, 如圖1所示.即磁場(chǎng)的切向分量 h p ( x ) 具有最大值, 而法向分量h p ( y ) 改變 符號(hào)且具有零值點(diǎn), 這種磁狀態(tài)的不可逆變化 在工作載荷消除后仍繼續(xù)保留. 通過(guò)漏磁場(chǎng)法 向 分 量 h p ( y ) 的測(cè)定k值 (k =dh p ( y ) / dx ) , 便可以準(zhǔn)確地推斷出工件的應(yīng)力集

4、中區(qū) . 金屬磁記憶診斷技術(shù)是利用缺陷或缺陷形成之前的微區(qū)變化在地球磁場(chǎng)作用下主動(dòng)發(fā)出磁場(chǎng)變化 信息的這樣一種特性,間接地判斷鐵磁性部件是否存在缺陷或應(yīng)力集中區(qū)。當(dāng)用磁化器磁化被檢測(cè)鐵磁材料時(shí),若材料的材質(zhì)是連續(xù)、均勻的,則材料中的磁感應(yīng)線將被約束在材料中,磁通是平行于材料表面的,幾乎沒(méi)有磁感應(yīng)線從表面穿出,被檢測(cè)件表面沒(méi)有磁場(chǎng). 但是, 當(dāng)材料中存在著切割磁力線的缺陷時(shí),材料表面的缺陷或組織狀態(tài)變化,會(huì)導(dǎo)致磁導(dǎo)率發(fā)生變化,由于缺陷的磁導(dǎo)率很小, 磁阻很大, 使磁路中的磁通發(fā)生畸變, 磁感應(yīng)線的流向會(huì) 發(fā)生變化, 除了部分磁通直接通過(guò)缺陷或通過(guò)材料內(nèi)部來(lái)繞過(guò)缺陷外,還有部分磁通會(huì)泄露到材料表面

5、上空,通過(guò)空氣繞過(guò)缺陷再度重新進(jìn)入材料,從而在材料表面缺陷處形成漏磁場(chǎng) (如圖 2b所示 ).在具有外磁場(chǎng) ( 地球磁場(chǎng) ) 存在的條件下,承載的鐵磁部件中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中, 并在應(yīng)力集中 部位出現(xiàn)磁導(dǎo)率減小、工作表面的漏磁場(chǎng)增大的現(xiàn)象,鐵磁性金屬部件所具有的這一特性稱之為磁機(jī)械效應(yīng).由于這一增強(qiáng)了的磁場(chǎng)記憶部件的缺陷或應(yīng)力集中的位置, 故又稱為磁記憶效應(yīng).1.2磁記憶原理通過(guò)中碳鋼缺口退磁試件的拉一拉疲勞實(shí)驗(yàn)。利用磁記憶檢測(cè)儀研究不同循環(huán)次數(shù)下試件應(yīng)力集中區(qū)的離線磁信號(hào)變化特征。結(jié)果表明：試件加載前在缺口部位由于幾何形狀形成漏磁場(chǎng)而產(chǎn)生一異常波，加載后異常波可能產(chǎn)生反向；當(dāng)循環(huán)加載到一定次數(shù)后

6、，磁信號(hào)曲線趨于穩(wěn)定；而到最后階段，缺口部位的異常波波幅不斷增加到斷裂時(shí)產(chǎn)生激變。通過(guò)消除鋼制夾頭的磁場(chǎng)干擾，提取出僅由應(yīng)力集中引起的磁信號(hào)的最大磁場(chǎng)梯度。從而把整個(gè)疲勞過(guò)程大致劃分為四個(gè)階段。不同的階段反映了應(yīng)力集中部位損傷程度的不同變化；基于磁信號(hào)特征參量表征的損傷實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算的疲勞損傷演化規(guī)律一致?？捎糜谄趬勖脑缙陬A(yù)測(cè)。1.3疲勞損傷在長(zhǎng)期承受交變載荷作用的金屬結(jié)構(gòu)中，疲勞失效是一種主要的破壞形式。由于疲勞斷裂時(shí)的應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料靜載下的強(qiáng)度極限甚至屈服極限，而且在沒(méi)有明顯塑性變形的情況下突然斷裂，可能會(huì)造成災(zāi)難性的后果。因此，工業(yè)生產(chǎn)中無(wú)損監(jiān)測(cè)構(gòu)件的疲勞損傷過(guò)程并預(yù)測(cè)其剩余壽命

7、對(duì)于保障設(shè)備的安全運(yùn)行具有重要的意義。為此，壽命評(píng)估、可靠性設(shè)計(jì)、無(wú)損檢測(cè)等技術(shù)被用于解決構(gòu)件的疲勞損傷評(píng)估與壽命預(yù)測(cè)問(wèn)題。傳統(tǒng)的疲勞壽命分析方法主要有名義應(yīng)力法、局部應(yīng)力應(yīng)變法、應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)法等，但前提條件認(rèn)為材料是均勻無(wú)缺陷的，且參數(shù)較多實(shí)驗(yàn)依賴性強(qiáng)；而疲勞失效總是萌生于局部缺陷處如應(yīng)力集中疲勞破壞理論也從最初的斷裂力學(xué)發(fā)展到損傷力學(xué)及二者的結(jié)合。由于鐵磁材料的磁性能。如矯頑力、剩磁_(tái)一等對(duì)疲勞損傷引起的微觀結(jié)構(gòu)變化非常敏感，各種磁測(cè)量技術(shù)也用于疲勞損傷的評(píng)估中。利用preisach遲滯模型來(lái)監(jiān)測(cè)局部磁滯回線可評(píng)估材料的退化狀態(tài)。barkhausen噪聲技術(shù)可用來(lái)判斷疲勞壽命的三個(gè)發(fā)展階段。磁

8、聲發(fā)射強(qiáng)度的變化可用來(lái)表征材料的疲勞損傷程度，進(jìn)而預(yù)測(cè)殘余壽命，但一般來(lái)說(shuō)這些信號(hào)都很微弱 疲勞損傷是一個(gè)不斷累積、發(fā)展的過(guò)程，在疲勞載荷的作用下微觀結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化，伴隨著疲勞損傷的萌生和擴(kuò)展；興起于20世紀(jì)90年代的金屬磁記憶技術(shù)，基于鐵磁材料在循環(huán)應(yīng)力作用下的磁致伸縮效應(yīng)和壓磁效應(yīng)，構(gòu)件的損傷和應(yīng)力分布可以通過(guò)其表面的磁場(chǎng)分布反映出來(lái)，進(jìn)而評(píng)價(jià)應(yīng)力集中及早期損傷。本工作嘗試用磁記憶技術(shù)對(duì)疲勞損傷的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而反映損傷累積的動(dòng)態(tài)發(fā)展，為疲勞損傷與壽命評(píng)估領(lǐng)域提供一種新的解決思路 1.4 金屬磁記憶法優(yōu)點(diǎn) 金屬磁記憶法與傳統(tǒng)磁測(cè)法最大區(qū)別是不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)宏觀裂紋的測(cè)定,而且可以確定

9、由于應(yīng)力集中造成的損傷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)剩余壽命的評(píng)估，其物理作用機(jī)制 是鐵磁材料在應(yīng)力集中區(qū)會(huì)發(fā)生磁疇組織的定向及不可逆的重新取向，在地球磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生自有漏磁場(chǎng)，其外在表現(xiàn)為自有漏磁場(chǎng)沿位錯(cuò)滑移帶切向分量達(dá)到極大值, 而法線方向分量在位錯(cuò)滑移帶兩側(cè)改變其符號(hào)，出現(xiàn)較大的梯度峰值，由于該檢測(cè)方法具有檢測(cè)設(shè)備輕便、操作過(guò)程簡(jiǎn)單、缺陷識(shí)別判據(jù)直觀等優(yōu)點(diǎn)，因此極易于工程應(yīng)用，但作為一種新型無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，其測(cè)試原理的理論物理模型測(cè)試結(jié)果的可靠性和定量化，測(cè)試信息的有效利用性等方面還存在許多爭(zhēng)議和不確定之處，本文在簡(jiǎn)單介紹其測(cè)試原理基礎(chǔ)上，列舉了一些典型工程應(yīng)用實(shí)例，并就該方法存在的問(wèn)題和未來(lái)發(fā)展方向

10、進(jìn)行。 1.5 金屬磁記憶方法的物理原理 檢測(cè)設(shè)備的實(shí)際應(yīng)力-變形狀態(tài)，最為有效并且在實(shí)踐中得到越來(lái)越廣泛應(yīng)用的方法乃是金屬磁記憶法(mmm)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)鑰匙和錘子的表面應(yīng)力損傷：圖1.51 1.52 1鑰匙主要是齒狀的部位發(fā)生應(yīng)力集中，通過(guò)圖1.51紅綠交替的地方剛好是圖的前一部位，而圖1.52反映的是是錘子的應(yīng)力集中部位是錘子的錘頭，也就是經(jīng)常擊打的部位，而不是錘柄。金屬磁記憶方法，乃是技術(shù)診斷領(lǐng)域里的嶄新方向。這是繼聲發(fā)射之后第二個(gè)被動(dòng)式的檢測(cè)方法, 它是利用結(jié)構(gòu)自身輻射出的信息。金屬磁記憶法不僅能檢測(cè)處在運(yùn)行狀態(tài)下的設(shè)備，也能在設(shè)備修理時(shí)進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)，金屬磁記憶法除了能早期發(fā)現(xiàn)正在

11、發(fā)展著的缺陷外，還能進(jìn)一查明受檢對(duì)象的實(shí)際應(yīng)力-變形狀態(tài)，找出產(chǎn)生破損的根源。和聲發(fā)射方法比較，金屬磁記憶使用在更為早期的檢測(cè)階段, 是從外部載荷超過(guò)金屬內(nèi)應(yīng)力水平時(shí)開(kāi)始。大多數(shù)低碳鋼，因組織結(jié)構(gòu)的不均勻性造成的平均內(nèi)應(yīng)力水平，等于60-80mpa，將近材質(zhì)屈服極限的0.3倍。按強(qiáng)度和機(jī)械損傷機(jī)理，設(shè)備出現(xiàn)和發(fā)展破損最為不利的情況是復(fù)合型載荷，這時(shí)金屬局部受主拉伸應(yīng)力作用，在垂直于該應(yīng)力的平面上滋生裂紋。 多年從事管道和各種設(shè)備磁場(chǎng)的研究經(jīng)驗(yàn)表明，金屬發(fā)展損傷的區(qū)域，存在著磁場(chǎng)強(qiáng)度hp穩(wěn)定的符號(hào)變換線，而正是這一診斷參數(shù)，即=0線，構(gòu)成了金屬磁記憶檢測(cè)設(shè)備方法的基礎(chǔ)。本文力圖詮釋在工作載荷作用

12、下，出現(xiàn)在管件表面上的主應(yīng)力線這一個(gè)磁診斷參數(shù)。 拉伸、壓縮、扭曲和周期性載荷作用下的金屬磁記憶效應(yīng)，最早是在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)研究中發(fā)現(xiàn)的。磁記憶方法的獨(dú)到之處還在于，它利用工作載荷的作用，在穩(wěn)定的滑移位錯(cuò)帶區(qū)域產(chǎn)生的自有漏磁場(chǎng)。存在微弱地球磁場(chǎng)時(shí)，在受檢物體應(yīng)力集中區(qū)的表面將形成的漏磁場(chǎng)梯度，使用專門(mén)的磁測(cè)儀表能確定該梯度值的大小。 在位錯(cuò)聚積區(qū)產(chǎn)生自有漏磁場(chǎng)的機(jī)理是源于這些聚積變成和磁疇壁厚相等時(shí)磁疇邊界的固鎖效應(yīng)。任何條件下對(duì)工作結(jié)構(gòu)的人工磁化，都得不到象自有磁場(chǎng)那樣的信息源，只有象地球磁場(chǎng)這樣微弱的外部磁場(chǎng)，承載結(jié)構(gòu)上的變形能量，又遠(yuǎn)大于外部磁場(chǎng)的能量時(shí)，才能形成和得到那樣的信息。要想定量

13、評(píng)估應(yīng)力集中水平，就得確定通過(guò)應(yīng)力集中線(hp=0線)1磁場(chǎng)hp法向分量的梯度值(變化強(qiáng)度)。 （1）式中:表示應(yīng)力集中區(qū)金屬磁性變化強(qiáng)度，因而也是由磁場(chǎng)hp變化強(qiáng)度表示的漏磁場(chǎng)梯度值或應(yīng)力強(qiáng)度磁系數(shù)；位于hp=0線兩側(cè)同等線段上兩檢測(cè)點(diǎn)之間磁場(chǎng)hp的差數(shù)模量。這時(shí)，線段應(yīng)垂直于hp=0線。線段對(duì)于hp=0線的垂直位置，是由于這些線段同最大的拉伸（或壓縮）應(yīng)力方向相重合所決定的。利用金屬磁記憶這一新診斷方法，能從金屬質(zhì)量，實(shí)際使用條件和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)去綜合評(píng)價(jià)部件狀態(tài)。所建議的新檢測(cè)方法其原理性的新東西都是什么呢？分析已知的磁無(wú)損檢測(cè)方法，我們能得出采用這些方法必備的條件是：第一，必須有磁化裝置。第

14、二，傳統(tǒng)的磁無(wú)損探傷法僅能在事先知道檢測(cè)對(duì)象的應(yīng)力集中和缺陷部位的情況下才能使用。第三，已知的磁無(wú)損檢測(cè)方法，通常得清理受檢金屬表面和完成一系列的準(zhǔn)備工作。顯然，在長(zhǎng)且巨大的結(jié)構(gòu)和設(shè)備上，要想采用傳統(tǒng)的磁檢測(cè)方法去全面普查是不可想象的。例如，專門(mén)去磁化管路系統(tǒng)，在一個(gè)現(xiàn)代的動(dòng)力鍋爐上，其管路總長(zhǎng)度達(dá)數(shù)百公里，這個(gè)任務(wù)是不現(xiàn)實(shí)的。何況每一根鍋爐管件的應(yīng)力集中部位（損傷的發(fā)展根源），不可能事先知道，因?yàn)橛绊懶纬傻挠懈鞣N工藝性、結(jié)構(gòu)性和使用性等諸多因素。眾所周知，多數(shù)由鐵磁材料制造的金屬結(jié)構(gòu)和設(shè)備，在工作載荷作用下，于地球磁場(chǎng)中經(jīng)受著“自磁化”。圖1給出了導(dǎo)致殘余磁感應(yīng)增大的磁彈性效應(yīng)，如果在結(jié)構(gòu)的

15、某個(gè)部位上加上周期性載荷，且有外部磁場(chǎng)（如地球磁場(chǎng)），在該部位就會(huì)出現(xiàn)殘余磁感應(yīng)和殘余磁化強(qiáng)度的增長(zhǎng)。同這種“自磁化”現(xiàn)象，到處（造船、動(dòng)力、滾珠軸承行業(yè)以及其他部門(mén)）都在進(jìn)行著斗爭(zhēng)。而以鍋爐管件為例，研究其使用過(guò)程中的自磁化現(xiàn)象之后，首次建議將該現(xiàn)象用于技術(shù)診斷的目的。設(shè)備和結(jié)構(gòu)“自磁化”時(shí)，表現(xiàn)出不同的磁致伸縮效應(yīng)，但是，在新的檢測(cè)方法中利用的是所有不同形式的磁致伸縮效應(yīng)中的后果，它表現(xiàn)為設(shè)備金屬中實(shí)際變形和組織變化的金屬磁記憶形式。 圖1 周期性載荷作用下磁彈性效應(yīng)原理圖r-殘余磁感應(yīng)的變化；(p)-周期性載荷的變化；e-外部磁場(chǎng)。 通常，最大值和hp=0線對(duì)應(yīng)著最大應(yīng)力集中區(qū)（發(fā)展破損

16、區(qū)），但是，實(shí)踐中有這樣的例子，僅有最大應(yīng)力集中區(qū)和相應(yīng)的缺陷而無(wú)hp=0零值線，這種特殊情況要單獨(dú)討論。金屬磁記憶-是微弱地球磁場(chǎng)中，受工作載荷作用，受檢物體上出現(xiàn)的，應(yīng)力超出平均內(nèi)應(yīng)力所造成的磁感應(yīng)強(qiáng)度不可逆的變化。機(jī)械零件和焊接件，其金屬磁記憶表現(xiàn)為在地球磁場(chǎng)中制造和冷卻后形成的殘余磁化強(qiáng)度，并且反映著他們結(jié)構(gòu)和工藝的繼承性。金屬磁記憶法-這是一種無(wú)損檢測(cè)方法，其基本原理是記錄工作載荷作用下設(shè)備在應(yīng)力集中區(qū)中產(chǎn)生的自有漏磁場(chǎng)。 金屬磁記憶是記錄工件、制品和焊接件在地球磁場(chǎng)中制造和冷卻后產(chǎn)生于殘余應(yīng)力集中區(qū)的自有漏磁場(chǎng)。任何鐵磁件的制造過(guò)程（熔化、鍛造、熱處理）都將產(chǎn)生實(shí)際的磁結(jié)構(gòu)，通常，

17、在地球磁場(chǎng)下冷卻時(shí)和結(jié)晶時(shí)發(fā)生。在晶格缺陷最集中的部位（例如位錯(cuò)聚積處）和組織不均勻處，形成磁疇邊界固定節(jié)點(diǎn)以漏磁場(chǎng)hp改變符號(hào)的形式出現(xiàn)在工件表面上，同時(shí)hp=0線對(duì)應(yīng)為最大磁阻抗的截面，且以金屬最大不均勻組織為特點(diǎn)，而且是最大內(nèi)應(yīng)力集中區(qū)。2、鐵磁結(jié)構(gòu)制件局部應(yīng)力集中區(qū)形成磁偶極子的建議模型。由工作載荷作用，在局部應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)殘余磁化強(qiáng)度變化和磁偶極子形成的過(guò)程，有下列條件：處在閉合磁回路的鍋爐管件，具有一定的殘余磁化強(qiáng)度且處在固定的磁場(chǎng)中，至少是處在地球磁場(chǎng)中。管件承受工作載荷，形成了應(yīng)力集中區(qū)。 本文分別用下列符號(hào)表示： mtp-管件金屬（母體）磁化強(qiáng)度； h-地球磁場(chǎng)； eqv-由

18、工作載荷形成的管件中的當(dāng)量應(yīng)力； i-管件金屬中的內(nèi)應(yīng)力； -未計(jì)算在內(nèi)的偶極子應(yīng)力（例如，管件未能充分自補(bǔ)償）； -切線方向應(yīng)力； m-局部應(yīng)力集中區(qū)中磁化強(qiáng)度增量（變化）。 鍋爐管件實(shí)際使用中在未能充分自補(bǔ)償部位（如固定節(jié)點(diǎn)、卡死）將喪失穩(wěn)定性，通常出現(xiàn)扭曲，管件的那種部位其最薄弱截面，受外部載荷作用，生成具有最大金屬變形的應(yīng)力場(chǎng)（eqv +）。管件金屬在該區(qū)域出現(xiàn)穩(wěn)定的滑移位錯(cuò)帶和場(chǎng)，一直達(dá)到金屬屈服極限。專門(mén)研究管件和板材試件3,5,6表明：出現(xiàn)穩(wěn)定滑移場(chǎng)的瞬間取決于應(yīng)力i集中的程度和水平（20號(hào)鋼和12cr1mov近似為70-80兆帕）。在試件表面和金屬中，當(dāng)外部載荷達(dá)到0.3屈服極

19、限時(shí)，在應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)以磁場(chǎng)法向分量符號(hào)變換線為特征的滑移位錯(cuò)帶。當(dāng)外部拉伸載荷達(dá)到0.6屈服極限時(shí)，試件的應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)按整個(gè)截面發(fā)展的以微塑性為特征的位錯(cuò)變形。 由材料力學(xué)已知，不可逆位錯(cuò)在大多數(shù)晶體中出現(xiàn)在它最為薄弱的截面上，尤其是，和最大切向應(yīng)力（）方向相近時(shí)。顯然理想的和實(shí)際的工件強(qiáng)度之間的矛盾是由于位錯(cuò)時(shí)原子的移動(dòng)并非按所有場(chǎng)同時(shí)出現(xiàn)，這正是所謂位錯(cuò)的在晶格中出現(xiàn)畸變。 這一點(diǎn)于生成滑移位錯(cuò)帶時(shí)表現(xiàn)出來(lái)，在周期性載荷作用下，管件的同一部位上，滑移帶變成穩(wěn)定的且能向金屬的深度和廣度逐漸擴(kuò)散。 位錯(cuò)沿晶體運(yùn)動(dòng)伴有動(dòng)力學(xué)效應(yīng)：如機(jī)械、熱、超聲、磁和電等效應(yīng)。 整理位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起的變形能量超

20、過(guò)微弱外部地球磁場(chǎng)能量（h），以及由磁化（mtp）引起的內(nèi)部場(chǎng)能量（hi）達(dá)到一倍或更多時(shí)，晶格體原子的機(jī)械和磁力矩，由于磁機(jī)械效應(yīng)將不朝向薄弱磁場(chǎng)h和hi方向。同時(shí)，弱磁場(chǎng)h和hi不光從方向上，且從數(shù)量上積極參與整理位錯(cuò)聚積時(shí)總磁場(chǎng)的出現(xiàn)和形成。 應(yīng)該著重討論一下在位錯(cuò)聚積區(qū)產(chǎn)生自有磁場(chǎng)的機(jī)理并回答：能否在沒(méi)有外部地球磁場(chǎng)的條件下，受應(yīng)力集中和變形作用產(chǎn)生上述自有磁場(chǎng)。 由磁物理現(xiàn)象已知，沒(méi)有外部磁場(chǎng)的條件下，鐵磁體中不可能出現(xiàn)殘余磁化。沒(méi)有外部磁場(chǎng)，僅靠已知的磁機(jī)械效應(yīng)，在機(jī)械應(yīng)力作用下，確定金屬磁化現(xiàn)象的企圖，通常，都以失敗告終8。例如，借助圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置可證實(shí)這一點(diǎn)。 圖2 退磁后

21、的鐵磁試件，沒(méi)有內(nèi)部磁場(chǎng)hi和外部磁場(chǎng)h條件下測(cè)量其表面磁場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)裝置。1-補(bǔ)償電磁線圈；2-非磁化鈦合金試棒；鐵磁性碳鋼試棒（如鋼3）；4-退磁用電磁線圈；5-鐵磁探測(cè)式傳感器；6-磁測(cè)計(jì)；mkp-試棒兩端所加的旋轉(zhuǎn)力矩。試驗(yàn)過(guò)程是：開(kāi)始用非磁性材料（如鈦合金）制作圓試棒2，且在它的中部螺紋處裝上由碳鋼做成的鐵磁圓試棒3，這時(shí)，圓試棒3的截面要遠(yuǎn)小于圓試棒2的截面，圓試棒3靠近中部的位置補(bǔ)充車(chē)削成錐形，以便在被測(cè)磁場(chǎng)區(qū)域早些形成應(yīng)力集中，試棒圓錐部分固定了鐵磁探測(cè)傳感器以便測(cè)量磁場(chǎng)（沿圓試棒3軸線）的法向分量。已知，靠近鐵磁傳感器試件表面的法向分量大體上等于內(nèi)部磁場(chǎng)hi。接著借助磁測(cè)計(jì)測(cè)量試

22、棒3處在地球磁場(chǎng)中初始狀態(tài)時(shí)的場(chǎng)。 隨后，試棒2和3通過(guò)退磁線圈4并同時(shí)放入補(bǔ)償線圈1，在那里沒(méi)有外部磁場(chǎng)，（圖2上用箭頭指示試棒2和3的移動(dòng)方向）。圓試棒3退磁后將其放入補(bǔ)償線圈1中間測(cè)量場(chǎng)，并記錄下其零值。然后從相反方向給試棒2加上旋轉(zhuǎn)力矩mkp并同時(shí)測(cè)量在試棒3應(yīng)力集中區(qū)的磁場(chǎng)。借助旋轉(zhuǎn)力矩mkp直到把試棒3破壞且同時(shí)記錄磁場(chǎng)。多次完成這類(lèi)的試驗(yàn)表明，鐵磁試棒斷裂區(qū)沒(méi)有出現(xiàn)場(chǎng)和相應(yīng)的hi場(chǎng)以及殘余磁化強(qiáng)度。應(yīng)當(dāng)指出，如果是類(lèi)似的試驗(yàn)，要把退了磁的試棒3放到地球磁場(chǎng)中，那場(chǎng)在試棒破壞的瞬間，能從5-10安培/米增長(zhǎng)到100-150安培/米或更多。上述試驗(yàn)研究成果證實(shí)，沒(méi)有外部磁場(chǎng)時(shí)，位錯(cuò)聚

23、積（試件破壞前必然要出現(xiàn)）上不可能出現(xiàn)自有漏磁場(chǎng)。如果把位錯(cuò)聚積看成是非磁化加入物，那么按kersten模型，非磁化加入物表面出現(xiàn)磁電荷并且這些電荷的能量值近似的大于鐵磁體邊界層能量的100多倍。后來(lái)在磁致伸縮力普通理論的進(jìn)一步發(fā)展中，neel 曾企圖計(jì)算由非磁化加入物引起的磁化強(qiáng)度漲落值。顯示出，有雙重類(lèi)型的漲落導(dǎo)致出現(xiàn)分布在物體中的磁電荷，這些磁電荷將對(duì)應(yīng)一定的能量，該能量在很大程度上確定著磁疇邊界的位置以及具有外部磁場(chǎng)時(shí)它們的移動(dòng)。kersten討論了鐵磁試件中有強(qiáng)內(nèi)應(yīng)力時(shí)磁疇邊界位置變化的條件。提到，試件退磁狀態(tài)下磁疇邊界通過(guò)應(yīng)力梯度具有零值的區(qū)域。隨著外部磁場(chǎng)的加入，磁疇邊界一直移動(dòng)

24、直到應(yīng)力梯度沒(méi)有變成大到足以阻止磁疇邊界繼續(xù)移動(dòng)為止。移動(dòng)磁疇邊界所必需的最大場(chǎng)值對(duì)應(yīng)著最大的應(yīng)力梯度值。給出了內(nèi)應(yīng)力梯度條件下磁疇邊界移動(dòng)的過(guò)程演示圖解。指出，彎曲的磁疇邊界對(duì)應(yīng)著同等應(yīng)力的表面形狀（顯然，殘余應(yīng)力條件下這個(gè)部位有應(yīng)力梯度零值）且磁化強(qiáng)度從磁疇邊界兩側(cè)改變自己的方向！這就必定導(dǎo)致磁電荷的生成以及出現(xiàn)顯著的能量從而去形成磁疇邊界。bozort提到，不論neel的加入物理論，還是kersten的應(yīng)力理論都存在共同的缺點(diǎn)，就是他們沒(méi)有考慮到這類(lèi)條件下產(chǎn)生的與磁電荷相關(guān)的能量。于是，工作載荷（或者是卸下載荷時(shí)殘余應(yīng)力）作用下在小磁場(chǎng)中于位錯(cuò)聚積區(qū)出現(xiàn)磁電荷的條件需要磁物理專家加以研究

25、。由鐵磁體磁現(xiàn)象物理學(xué)經(jīng)典著作中引用的上述片斷，在一定程度上明晰了局部應(yīng)力集中區(qū)形成磁偶極子的機(jī)理。通常，這些區(qū)域?qū)?yīng)為滑移位錯(cuò)區(qū)并且由于出現(xiàn)最大法向應(yīng)力場(chǎng)其尺寸不超過(guò)管件截面的兩倍或壁厚。這里，磁偶極子尺寸和薄殼的“臨界”尺寸相吻合。實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)室試件研究表明，該偶極子中心（hp=0線）對(duì)應(yīng)著變形符號(hào)的變換區(qū)或是產(chǎn)生塑性的變形區(qū)。實(shí)踐中觀察到的高數(shù)量級(jí)漏磁場(chǎng)，就出現(xiàn)在穩(wěn)定的滑移位錯(cuò)帶上（滋生裂紋區(qū)域），用傳統(tǒng)的磁物理現(xiàn)象概念無(wú)法加以闡明。大家知道，位錯(cuò)的磁矩之間，沒(méi)有交換的相互作用，因?yàn)樗鼈冎g的距離很大?？梢园盐诲e(cuò)聚積看成是順磁氣體且需要很強(qiáng)的外部磁場(chǎng)，大約106奧斯特，以便在此區(qū)域出現(xiàn)金屬

26、的明顯磁化，而我們討論的條件下只有地球磁場(chǎng)，它才有0.5奧斯特?？墒菍?shí)際鐵磁制件總是存在著帶相應(yīng)磁疇邊界排列的殘余磁化強(qiáng)度矩陣。在工作載荷作用下（當(dāng)變形能量遠(yuǎn)大于外部磁場(chǎng)能量時(shí)）在穩(wěn)定的滑移位錯(cuò)帶區(qū)域出現(xiàn)磁疇邊界矩陣位移，以及在該區(qū)當(dāng)位錯(cuò)聚積的大小變成和磁疇壁厚相當(dāng)時(shí)的磁疇邊界的固鎖。顯然，正是在應(yīng)力（和，相應(yīng)的殘余應(yīng)力）集中區(qū)磁疇邊界矩陣的偏移和閉鎖導(dǎo)致在這些區(qū)域出現(xiàn)相當(dāng)大的自有漏磁場(chǎng)。從傳統(tǒng)的概念同樣得出結(jié)論，鐵磁體內(nèi)殘余磁化矢量的方向和符號(hào)僅由外部磁場(chǎng)決定。這一概念的合理性，是同時(shí)作用鐵磁體的不同符號(hào)載荷和強(qiáng)磁場(chǎng)的大量實(shí)驗(yàn)得出的。采用金屬磁記憶法檢測(cè)鐵磁體的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可證實(shí)，在穩(wěn)定的滑移位

27、錯(cuò)帶區(qū)域（當(dāng)變形能量大于地球磁場(chǎng)能量一個(gè)數(shù)量級(jí)的條件下），金屬磁化矢量能朝相應(yīng)的滑移帶那面改變符號(hào)和方向。位錯(cuò)壁，通常，沿晶體方向（111）和表面痕跡（110）排列。處在亞邊界平面（110）的位錯(cuò)生成遠(yuǎn)程作用應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)似于由平面位錯(cuò)聚積的應(yīng)力場(chǎng)。遠(yuǎn)程作用的應(yīng)力場(chǎng)形成遠(yuǎn)程磁疇邊界，構(gòu)成按應(yīng)力集中線（hp=0線）在鐵磁表面上的自有漏磁場(chǎng)?？梢约俣?，應(yīng)力集中區(qū)里位錯(cuò)壁和磁疇邊界矩陣相重合。這種情況下，可以說(shuō)是前邊討論條件下表現(xiàn)出的磁機(jī)械效應(yīng)。研究條件下地球磁場(chǎng)扮演著“引信”場(chǎng)的角色，沒(méi)有它就不可能有磁疇邊界矩陣。位錯(cuò)聚積本身的總磁矩異常微小，而且沒(méi)有地球磁場(chǎng)時(shí)他們就不可能被查找出來(lái)。所以，應(yīng)當(dāng)指出，檢

28、測(cè)奧氏體（順磁）管件實(shí)踐所查明的事實(shí)：應(yīng)力集中區(qū)（位錯(cuò)聚積區(qū)）自有漏磁場(chǎng)值不超過(guò)地球磁場(chǎng)值。檢測(cè)鍋爐管件時(shí)，去掉工作載荷后，應(yīng)力集中區(qū)（偶極子中心）顯然對(duì)應(yīng)著殘余應(yīng)力零梯度，而沿偶極子中心兩側(cè)， hp場(chǎng)最大值區(qū)對(duì)應(yīng)著最大的殘余應(yīng)力（拉伸或壓縮）區(qū)。這一對(duì)應(yīng)關(guān)系需要研制專用模型加以證實(shí)。某種程度上，那種模型已被研制了。依據(jù)上述討論，可以得出有關(guān)管件和其他設(shè)備應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生自有漏磁場(chǎng)條件的結(jié)論。自有漏磁場(chǎng)由三個(gè)因素決定：-產(chǎn)生于位錯(cuò)聚積和位錯(cuò)滑移穩(wěn)定帶區(qū)域的磁電荷；-磁彈性效應(yīng)和磁機(jī)械效應(yīng)；-存在外部弱磁場(chǎng)（至少是地球磁場(chǎng)）。由于應(yīng)力集中區(qū)位錯(cuò)滑移穩(wěn)定且具有方向性，于管件表面出現(xiàn)磁偶極子，這些磁偶

29、極子由于磁機(jī)械和次彈性效應(yīng)，同時(shí)反映出,和類(lèi)應(yīng)力宏觀和微觀的之間的有機(jī)聯(lián)系。3、非結(jié)構(gòu)鐵磁制件依照傳統(tǒng)概念，例如，鑄鋼件冷卻時(shí)，低于居里溫度點(diǎn)沒(méi)有外部磁場(chǎng)（雖然不大的地球磁場(chǎng)總是存在的）鑄件中不產(chǎn)生殘余磁化強(qiáng)度，且鑄件整體的磁矩等于零。這可由某些磁疇任意自行定向加以說(shuō)明。這種概念解說(shuō)是站得住腳的，一方面，它說(shuō)明為什么未磁化物體鐵磁材料的原子磁性沒(méi)有表現(xiàn)出來(lái)，另一方面，用來(lái)解說(shuō)物體磁化時(shí)，包括磁致伸縮的全盤(pán)現(xiàn)象。由傳統(tǒng)的概念同樣得出。如果某種形狀的鐵磁材料放入外部磁場(chǎng)he，它的殘余磁化強(qiáng)度m分布（去掉場(chǎng)后）以及總的磁矩是由he場(chǎng)方向、該試件形狀和退磁因素n（見(jiàn)圖3）決定。測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度法向分量得到

30、它近似的分布如圖3所示，而該場(chǎng)零值嚴(yán)格地處在試件中部。與此同時(shí)，殘余磁化強(qiáng)度m的分布，對(duì)應(yīng)為圖3，b所示。 圖3實(shí)際上，如前所述，基本處理工藝（熔化、鍛造、熱處理）金屬工件生產(chǎn)過(guò)程都出現(xiàn)在具有，至少，外部地球磁場(chǎng)下，而且所有工件，通常，有組織不均勻性。所以金屬制件冷卻低于居里點(diǎn)在地球磁場(chǎng)中結(jié)晶時(shí)，所形成的磁組織也相應(yīng)帶有結(jié)構(gòu)的不均勻性。這時(shí)在大位錯(cuò)聚積和其他不均勻組織上形成磁疇邊界，且工件冷卻后其殘余磁化強(qiáng)度的分布，通常，不是圖3b上的理想分布。參與形成金屬工件實(shí)際組織的有類(lèi)和類(lèi)（相應(yīng)在晶格和顆粒水平）的內(nèi)應(yīng)力（i）。試驗(yàn)室及工業(yè)研究結(jié)果表明，實(shí)際工件上的hp=0線可分布在不同區(qū)域且對(duì)應(yīng)著缺陷

31、集中部位和內(nèi)部應(yīng)力集中線（應(yīng)力集中線）。而應(yīng)力集中線依其在具體工件上的分布與外部載荷作用方向的關(guān)系能導(dǎo)致其加強(qiáng)或反之削弱。 圖4為證實(shí)這一假說(shuō)，在斷裂試驗(yàn)機(jī)上，用鐵磁體鋼試件做了專門(mén)試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，應(yīng)力集中線與外部載荷成垂直分布的試件比應(yīng)力集中線與外部載荷成角度或同軸的試件強(qiáng)度低。基于上述研究開(kāi)發(fā)了機(jī)械零件和工件生產(chǎn)過(guò)程中損傷趨勢(shì)的快速檢測(cè)方法，圖4是新汽輪機(jī)葉片的檢測(cè)結(jié)果。圖4a 應(yīng)力集中線位于葉片根部且垂直于主（離心）工作載荷，這種葉片不建議投入使用。圖4b 應(yīng)力集中線沿葉片體且對(duì)主工作載荷不構(gòu)成危險(xiǎn)。以自有漏磁場(chǎng)法向分量零值為特征的建議診斷參數(shù)適用于運(yùn)行中的各種工件和機(jī)械零件。圖5a是沿

32、電動(dòng)機(jī)軸母線記錄下的場(chǎng)法向分量分布以及以hp場(chǎng)零值線為特征的應(yīng)力集中線位置的例子。 圖5圖5b是顯示上述軸沿hp =0線脆性疲勞破損的片斷。測(cè)量疲勞斷裂線邊界上hp場(chǎng)時(shí)，記錄下的該場(chǎng)（hp=0線）符號(hào)變換。這個(gè)案例清楚地表明所制定規(guī)律對(duì)運(yùn)行中工件的正確性。工件表面（或斷面）場(chǎng)法向分量的符號(hào)變換線對(duì)應(yīng)為變形的符號(hào)變換線。所建議的檢測(cè)方法中依據(jù)的數(shù)量判據(jù)是查出的垂直相交于應(yīng)力集中線的hp場(chǎng)的梯度（hp=0線）。同時(shí)，場(chǎng)梯度值在應(yīng)力集中區(qū)，（載荷作用下工件滑移場(chǎng)分布區(qū)）表征工件體積中（按寬度和深度）位錯(cuò)聚積密度（）。疲勞損傷區(qū)如圖5b所示，顯然，位錯(cuò)滑移場(chǎng)在軸破損前就已形成。這里應(yīng)當(dāng)指出，穩(wěn)定滑移位

33、錯(cuò)帶的尺寸（深度和寬度）從一個(gè)微米（能顯著查出階段），到他們變成裂紋階段的數(shù)十微米。不乏實(shí)際事例，沿hp =0線（按kin最大值）打磨金屬0.5-0.6mm深度，對(duì)應(yīng)穩(wěn)定滑移位錯(cuò)帶的hp =0線完全消失，穩(wěn)定滑移位錯(cuò)帶完全消失（hp =0線消失）的最大深度，目前在實(shí)踐中查明的是3-4mm。沿hp =0線研究金相圖時(shí)不止一次地發(fā)現(xiàn)從一到數(shù)十微米的微裂紋，這種尺寸的裂紋處在傳統(tǒng)檢測(cè)方法靈敏度之外，顯然，生成裂紋之前穩(wěn)定滑移帶的極限尺寸和檢測(cè)對(duì)象以及金屬機(jī)械性能有關(guān)。位錯(cuò)聚積上的內(nèi)應(yīng)力i正比于。大家知道，穩(wěn)定滑移位錯(cuò)帶和他們相應(yīng)的最大聚積出現(xiàn)在切向應(yīng)力（）作用的剪切變形條件下，切向應(yīng)力也正比于：=a

34、gb，式中：a-常數(shù)，等于0.3-0.6；g-剪切模數(shù)；b -burgers矢量。由上述文獻(xiàn)和所作的研究得出，磁場(chǎng)梯度值在所建議的檢測(cè)方法中正比于位錯(cuò)密度且相應(yīng)為i。應(yīng)力集中區(qū)按磁場(chǎng)梯度確定金屬極限狀態(tài)的方法，在俄羅斯、波蘭、中國(guó)辦理了專利。4.結(jié)論 4.1應(yīng)力集中 在材料斷面急劇變化，結(jié)構(gòu)形狀急劇變化，材料內(nèi)部有氣孔、夾渣等缺陷，斷面開(kāi)孔等部位，應(yīng)力比正常值高出許多，這種現(xiàn)象就叫應(yīng)力集中。 對(duì)于由脆性材料制成的構(gòu)件，應(yīng)力集中現(xiàn)象將一直保持到最大局部應(yīng)力到達(dá)強(qiáng)度極限之前。因此，在設(shè)計(jì)脆性材料構(gòu)件時(shí)，應(yīng)考慮應(yīng)力集中的影響。對(duì)于由塑性材料制成的構(gòu)件，應(yīng)力集中對(duì)其在靜載荷作用下的強(qiáng)度則幾乎無(wú)影響。所

35、以，在研究塑性材料構(gòu)件的靜強(qiáng)度問(wèn)題時(shí)，通常不考慮應(yīng)力集中的影響。彈性力學(xué)中的一類(lèi)問(wèn)題，應(yīng)力在固體局部區(qū)域內(nèi)顯著增高的現(xiàn)象。多出現(xiàn)于尖角、孔洞、缺口、溝槽以及有剛性約束處及其鄰域。應(yīng)力集中會(huì)引起脆性材料斷裂；使物體產(chǎn)生疲勞裂紋。在應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)力的最大值（峰值應(yīng)力）與物體的幾何形狀和加載方式等因素有關(guān)。局部增高的應(yīng)力值隨與峰值應(yīng)力點(diǎn)的間距的增加而迅速衰減。由于峰值應(yīng)力往往超過(guò)屈服極限（見(jiàn)材料力學(xué)性能）而造成應(yīng)力的重新分配，所以，實(shí)際的峰值應(yīng)力常低于按彈性力學(xué)計(jì)算出的理論峰值應(yīng)力。反映局部應(yīng)力增高程度的參數(shù)稱為應(yīng)力集中系數(shù)k，它是峰值應(yīng)力與不考慮應(yīng)力集中時(shí)的應(yīng)力的比值，恒大于1且與載荷大小無(wú)關(guān)。

36、在無(wú)限大平板的單向拉伸情況下，其中圓孔邊緣的k3；在彎曲情況下，對(duì)于不同的圓孔半徑與板厚比值，k1.83.0；在扭轉(zhuǎn)情況下，k1.64.0。1898年德國(guó)的 g.基爾施首先得出圓孔附近應(yīng)力集中的結(jié)果。1910年俄國(guó)的g.v.科洛索夫求出橢圓孔附近應(yīng)力集中的公式。20世紀(jì)20年代末 ，蘇聯(lián)的n.i.穆斯赫利什維利等人把復(fù)變函數(shù)引入彈性力學(xué)，用保角變換把一個(gè)不規(guī)則分段光滑的曲線變換到單位圓上，導(dǎo)出復(fù)變函數(shù)的應(yīng)力表達(dá)式及其邊界條件，進(jìn)而獲得一批應(yīng)力集中的精確解。各種實(shí)驗(yàn)手段的發(fā)展也很快，如電測(cè)法、光彈性法、散斑干涉法、云紋法等實(shí)驗(yàn)手段（見(jiàn)實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析）均可測(cè)出物體的應(yīng)力集中。近年來(lái)計(jì)算機(jī)和有限元法以

37、及邊界元法的迅速發(fā)展，為尋找應(yīng)力集中的數(shù)值解開(kāi)辟了新途徑。為避免應(yīng)力集中造成構(gòu)件破壞，可采取消除尖角、改善構(gòu)件外形、局部加強(qiáng)孔邊以及提高材料表面光潔度等措施；另外還可對(duì)材料表面作噴丸、輥壓、氧化等處理，以提高材料表面的疲勞強(qiáng)度。 4.2應(yīng)力集中造成原因 一種是結(jié)構(gòu)自身，一種是加載，加約束不當(dāng)造成比如你加載，加約束的單元尺寸過(guò)小，增大單元尺寸可以減小還可以加彈性墊塊來(lái)減小；還可以控制網(wǎng)格劃分，在應(yīng)力集中的部位要控制過(guò)小單元出現(xiàn) 應(yīng)力監(jiān)測(cè)一般是指在建構(gòu)筑物施工過(guò)程中，如鋼結(jié)構(gòu)安裝、卸載、改造、加固，混凝土澆筑等過(guò)程，采用監(jiān)測(cè)儀器對(duì)受力結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)的技術(shù)手段，在監(jiān)測(cè)值接近控制值時(shí)發(fā)出報(bào)警，用來(lái)保證施工的安全性，也可用于檢查施工過(guò)程是否合理。 4.3應(yīng)力測(cè)試定義應(yīng)力監(jiān)測(cè)一般是指在建構(gòu)筑物施工過(guò)程中，如鋼結(jié)構(gòu)安裝、卸載、改造、加固，混凝土澆筑等過(guò)程，采用監(jiān)測(cè)儀器對(duì)受力結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)的技術(shù)手段，在監(jiān)測(cè)值接近控制值時(shí)發(fā)出報(bào)警，用來(lái)保證施工的安全性，也可用于檢查施工過(guò)程是否合理。 4.4應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試的目的靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試目的 a) 獲得結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律及應(yīng)力集中狀況； b) 檢