铁磁材料疲劳损伤的磁性无损检测技术

　　铁磁材料作为一种强磁性物质,具有良好的强度、硬度、塑性和韧性,已被广泛应用于工业生产的各个领域^[1],机械装备中许多关键部件都由铁磁材料制成,这些部件大多承受交变载荷反复作用,易产生疲劳失效^[2]。尤其当铁磁部件表面存在应力集中及微观缺陷时,疲劳裂纹就会萌生,在服役过程中缓慢扩展到一定尺寸时,便会发生突然快速断裂。

　　疲劳破坏通常在远低于强度极限的交变载荷作用下发生,宏观上无明显塑性变形,破坏具有隐蔽性,常引发灾难性后果。监测铁磁材料的疲劳行为,评价其疲劳损伤程度一直是无损检测领域的热点和难点问题,因此安全实用、测量精度高的疲劳损伤无损检测技术是许多科学工作者的研究目标^[3]。

　　1　铁磁材料疲劳损伤的检测技术

　　疲劳破坏是一个缓慢的延滞破坏过程,在此过程中铁磁材料内部位错结构在交变应力作用下往复滑移不断积累,经过疲劳裂纹萌生、扩展和断裂三个阶段最终导致铁磁材料疲劳失效^[4]。

　　目前针对铁磁材料疲劳损伤的不同阶段,已有几种无损检测技术,但各有其局限性。当疲劳裂纹己产生且达到一定尺寸时,常规技术即能检测,如超声波法、涡流法检测裂纹或类裂纹缺陷^[5],判断疲劳损伤,同时采用断裂力学方法估计疲劳寿命。

　　在早期疲劳裂纹萌生阶段,从位错堆积到位错区疲劳微裂纹形核长大,由于没有明显的微观和宏观物理参量的变化,检测非常困难。当前应用较多的是声发射(AE)技术,声发射信号本质上是一种弹性波,铁磁材料在受外力作用产生塑性变形、相变或裂纹时,往往伴随有声发射现象的出现,声发射技术通过监测、分析该声波信号,实现对铁磁材料疲劳损伤的动态监控^[6]。声发射技术于20世纪50年代在德国发现,60年代在美国得到深入研究,目前已在航空航天领域广泛应用。该技术面临的问题是如何抑制噪声、提高检测精度和效率。除声发射技术外,还有文献报导,利用激光照射到物体表面时,疲劳损伤导致表面粗糙度的变化引起反射和散射光强的相应变化,形成激光散斑,探索用激光衍射谱面光强比的变化判断疲劳损伤状态,该技术在实际检测中由于对刚体运动的敏感和图像处理的繁杂而受到限制^[7]。目前尝试采用磁性检测技术如磁巴克豪森噪声、磁声发射和磁记忆技术来监测疲劳损伤,为评价铁磁材料的疲劳损伤开辟了新的研究领域。

　　2　铁磁材料疲劳损伤的磁性无损检测方法及应用

　　磁性检测方法的物理基础是磁机械效应,即应力或应变等力学量的变化会导致磁化强度的变化,该磁性测量法设备简单、操作方便,宜于在线检测。