【摘 要】
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应力在决定服役铁磁构件的使用寿命方面起着关键作用。无损检测技术在不损伤材料的前提下,检测铁磁构件内部及表层的应力情况。基于动态磁化特性的巴克豪森噪声技术是一种电磁无损应力检测技术。巴克豪森噪声是由磁畴的不连续运动产生,巴克豪森检测技术对于铁磁构件的微观结构变化检测比较灵敏。铁磁材料的微观结构和应力会影响磁畴分布和畴壁动态移动行为,从而影响巴克豪森噪声信号。然而,目前基于巴克豪森噪声的应力检测和评估
【基金项目】
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国家自然科学基金重大仪器专项“钢轨接触疲劳及裂纹多物理高速巡检监测技术攻关和仪器研发”(项目编号:No.61527803); 国家重点研发计划重点专项“材料损伤电磁无损检测与评估关键技术研究与仪器研制”(项目编号:No.2017YFF0209702);
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应力在决定服役铁磁构件的使用寿命方面起着关键作用。无损检测技术在不损伤材料的前提下,检测铁磁构件内部及表层的应力情况。基于动态磁化特性的巴克豪森噪声技术是一种电磁无损应力检测技术。巴克豪森噪声是由磁畴的不连续运动产生,巴克豪森检测技术对于铁磁构件的微观结构变化检测比较灵敏。铁磁材料的微观结构和应力会影响磁畴分布和畴壁动态移动行为,从而影响巴克豪森噪声信号。然而,目前基于巴克豪森噪声的应力检测和评估研究缺少铁磁材料微观结构和微观-宏观磁性特征物理映射模型,难以分析铁磁材料微观结构的变化对应力检测和评估的影响。因此,建立材料微观结构、微观磁信号和巴克豪森噪声的物理模型,对实现铁磁材料的应力检测和评估具有重要意义。针对上述问题,本文基于磁光克尔显微镜成像系统和巴克豪森噪声检测仪,量化应力下畴壁运动的不均匀变化,建立应力下畴壁运动和巴克豪森噪声的物理映射模型,研究材料微观结构对铁磁材料应力评估的影响,量化应力下畴壁翻转、磁巴克豪森噪声的时空特征变化,实现铁磁材料弹性和塑性范围的应力检测和评估。本文主要研究内容和创新点概括如下:(1)利用磁光克尔显微镜成像系统,开展拉应力下硅钢晶粒内和晶界周围不同步的畴壁运动表征研究。不同位置的畴壁分布和畴壁动态行为之所以存在差异,是由于晶粒和晶界结构差异造成应力下不同位置的磁弹性能差异。磁化功可量化磁化过程中不同拉应力下晶粒内和晶界附近的畴壁运动。在拉应力作用下,硅钢晶粒内部比晶界更容易达到磁饱和。晶粒内部和晶界周围畴壁运动的差异随着应力的增大而增大。晶粒和晶界的不同步畴壁运动表征研究为材料微观结构不均匀对磁巴克豪森噪声应力检测与评估的影响研究提供理论支撑。(2)利用磁光克尔显微镜观测不同位置畴壁移动,借助高空间分辨率的磁性探头获取硅钢片晶粒内部和晶界周围的巴克豪森噪声信号,从微观尺度上分析硅钢在弹性变形中晶粒内部和晶界周围巴克豪森噪声时间响应不均匀性。提出巴克豪森噪声时间响应直方图,讨论弹性变形中晶粒内和晶界周围畴壁运动的不同时间特征。根据不同位置的畴壁运动时间响应特征,对磁巴克豪森噪声直方图进行时间分段,分离应力、晶粒和晶界对磁巴克豪森噪声均值、均方根和峰值的影响,从而消除微观结构不均匀对基于磁巴克豪森噪声应力检测与评估的影响。(3)利用观测到的畴壁移动和巴克豪森噪声,建立弹性范围内应力下畴壁运动速度与磁巴克豪森噪声信号的物理映射模型。通过计算畴壁运动速度和巴克豪森噪声的均方根、均值、峰值相关系数,验证拉应力作用下硅钢片畴壁翻转速度和巴克豪森噪声信号的强相关性(高于96%)。通过分析畴壁运动的变化情况理解巴克豪森噪声的应力检测机理,为后续基于巴克豪森噪声瞬时模型在弹性、塑性范围内的应力检测与评估奠定基础。(4)建立磁巴克豪森噪声瞬态模型,实现弹性、塑性范围内的应力检测与评估。通过观察畴壁分布和微观结构,研究材料微观结构与巴克豪森噪声瞬态模型的相关性,验证该方法在微观尺度上应力检测和评估的能力。巴克豪森噪声瞬态模型与弹性、塑性范围内应力有正相关和负相关的物理关系。在塑性变形过程中,晶界附近出现晶界迁移和位错,阻碍畴壁运动,使磁巴克豪森噪声信号在晶界和晶粒上呈现非均匀变化特征。巴克豪森噪声瞬态模型具有评估和量化应力下晶粒和晶界不均匀变化的能力。巴克豪森噪声瞬态模型的持续时间和强度(,)从微观尺度上实现硅钢和Q235钢在弹性和塑性范围内的应力检测与评估,为工业领域中铁磁材料应力无损检测与评估提供技术支撑。上述研究,通过分析微观-宏观磁信号的空间和时间特征评估铁磁材料的应力,为后续研发新型高空间、高时间分辨率的磁信号无损应力检测和评估技术提供理论基础。
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