基于ACFM法的钢板应力集中评估研究 毕业论文.doc

毕业设计（论文）题目： 基于acfm法的钢板应力集中评估研究 系 别 测试与光电工程专业名称 测控技术与仪器班级学号 学生姓名 指导教师 二o一二 年 六 月学士学位论文原创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学科技学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 日期：导师签名： 日期：基于acfm法的钢板应力集中评估研究 摘要：交变磁场测量法（acfm）是近几年发展起来的最新无损检测技术, 该技术基于电磁感应原理进行宏观缺陷的检测，且该方法能实现二维检测，可有效防止缺陷漏检和误判，而应力集中会导致铁磁性材料磁导率和电导率等参数发生变化，所以该技术在铁磁性金属构件失效的早期诊断, 特别是在铁磁构件的疲劳强度和寿命评估研究中具有很重要的研究意义。本文在阐述了该技术国内外研究现状，分析其特点及原理的基础之上，详细说明了acfm法在铁磁性材料应力集中检测中的特点。本课题进行了交流电磁探头制作，制作交流电磁检测系统，利用该系统进行了钢板应力集中检测。本课题首先优化设计探头，包括线圈线径及匝数的选择，磁芯的选择，线圈形状的设计，制作了u型磁轭式探头。然后利用优化好的检测系统进行钢板应力集中检测，主要包括拉伸试验和弯曲试验。在实验中，采用了q235试样，通过逐级加载的形式，在不同的激励电流和激励频率下，用交流电磁探头对试样应力集中区域进行检测。实验结果表明:用acfm法检测铁磁性材料应力集中区域具有可行性，在弹性阶段，在应力集中区域，平行于加载应力方向的输出电压与应力成线性，且缓慢减小；在塑形变形阶段，平行于加载应力方向的输出电压与应力成线性，且明显减小；在弹性和塑形变形阶段，垂直于加载应力方向的输出电压基本保持不变；在试样断裂临界时，平行于加载应力方向的输出电压与应力成非线性，且急剧减小。实验取得了满意的结果。 关键词：u型磁轭式探头、acfm、信号处理电路、应力集中、电磁 指导老师签字：based on the method of steel stress concentration acfm assessmentstudent name: huang ping class: 080812 supervisor: song kaiabstract: alternating magnetic field measurement method (acfm) is developed in recent years the latest nondestructive testing technology. this technology is based on principle of electromagnetic induction macro defect detection, and this method can realize the d detection, which can effectively prevent undetection defects and miscalculation. stress concentration will lead to the ferromagnetic materials magnetic conductance and electric conductivity parameters change, so this technology in ferromagnetic metal component failure of early diagnosis, especially in the ferromagnetic component fatigue strength and service life of assessment is an important research significance. in this paper, the paper explains the technology research status from domestic and abroad, and analyzes its characteristics and principle on the basis of detailed description of the ferromagnetic materials acfm method in the detection of stress concentration characteristics. this topic exchange electromagnetic probe production, making exchange electromagnetic detection system, using the system for the steel plate stress concentration detection. this subject first optimization design probe, including coil line diameter and circle number of choice, the choice of magnetic cores, coil to the shape of the design, make u magnetic yoke is the probe. and then using the optimized good detection system for steel plate stress concentration detection, mainly including tensile test and bending test. in the experiment, the q235 samples, through the level of loading forms in different drive electric current and incentive frequency, exchange of the electromagnetic probe with stress concentration area for testing. the experimental results show that the method to detect with acfm ferromagnetic materials stress concentration area has the feasibility, elastic stage, the stress concentration area, parallel to the direction of stress loading output voltage and stress of a linear, and slow decreased; in the model form deformation stage, parallel to the direction of stress loading the output voltage and stress of a linear, and obviously decreased; in the elastic and styling deformation stage, perpendicular to the direction of stress loading the output voltage of basic remain unchanged; in the sample split critical, parallel to the direction of stress loading the output voltage and stress into nonlinear, and drastic decrease. the experiment has obtained the satisfactory results.keywords: u magnetic yoke of probe, acfm, signal processing circuit, stress concentration, electromagnetic signature of supervisor: 目录1 引言11.1本课题的研究意义11.2基于acfm法钢板应力检测的国内外的研究状况11.3本课题研究内容32基于acfm法钢板应力集中检测的基本理论42.1铁磁性物质的基本特征42.1.1铁磁性物质的宏观磁特性42.1.2铁磁性物质的微观磁特性42.2磁致伸缩效应与逆磁致伸缩效应62.3 acfm检测原理概述73 acfm检测系统设计及调试83.1检测系统83.1.1激励线圈的设计83.1.2检测线圈的设计与制作83.2探头性能测试114基于acfm法的钢板应力集中评价144.1整体实验方案设计144.2实验仪器选择154.3拉伸试验164.3.1试验过程164.3.2实验数据处理及分析184.4三点弯曲试验214.4.1试验过程214.4.2实验数据处理及分析225结论与展望265.1结论265.2展望26参考文献27致谢29基于acfm法的钢板应力集中评估研究1 引言1.1本课题的研究意义随着世界经济和社会的高速发展，各种重型机械与制造设备的广泛运用，各地区的基础设施以及公共设施建设与翻新改造的规模和数量呈现快速增长，以钢铁等铁磁性材料大跨空间的钢架结构、铁路和各种桥梁的应用也日趋广泛。据资料显示，近十年以来，我国每年都有上百万套商品房和大型商业建筑开建，数十个大型体育馆和大学新校区建设竣工，各种新型的大型的加工制造厂的建设。其中钢材的运用最为广泛，因此，钢材结构安全系数受到越来越多人的关注。钢材在在使用过程中由于应力集中普遍产生疲劳累积损伤、应力腐蚀、裂纹等破坏性缺陷的现象。在应力集中区域内，钢材局部所承受的应力常常高达名义应力的数倍或数十倍，极易发生位错滑移变形，导致蠕变、疲劳、腐蚀的加速，甚至发展成宏观裂纹等，从而引发钢材的最终破坏1。因此对钢材内部应力集中分析研究显得尤为重要，测定结果保证钢材强度和可靠性评价。交流电磁场检测 (alternating current field measurement ,简称acfm2) 技术是一种新兴的无损检测技术,其原理为:在工件中感应出均匀的交变电流,检测工件表面磁场的变化。当工件中存在缺陷，工件的磁导率将会发生变化，从而产生畸变的感应磁场。工件表面电磁场的拾取可以由探测线圈和电子磁敏元件完成，从而实现对缺陷的评定。由于应力集中会影响工件磁导率的变化，因而可以依据acfm法来更有效地分析和研究钢板的应力集中。与传统的无损检测方法相比，不仅能够检测出铁磁性材料塑性变形及宏观缺陷，更能够有效地预测被测铁磁性材料构件早期应力集中的区域。因此acfm法在材料疲劳损伤与寿命评估方面有着无与伦比的优势。本课题中采用交流电磁法检测钢板的应力集中 ，既有磁记忆法3的方便、快速又有盲孔法4的精度，更重要的是提取的信号稳定和所获的数据更易分析，因而开展基于acfm法钢板应力集中无损评价的研究迫在眉睫，在金属工业领域具有重大意义。1.2基于acfm法钢板应力检测的国内外的研究状况对于磁测量应力检测技术的研究比较深入的是日本。日本研究人员两级式磁测量传感器对铁磁构件进行应力检测，他们对被测试件一个点位进行旋转式多角南昌航空大学2012届学士学位论文度测量，发现能够运用应力平行方向的传感器检测线圈输出的最大电压值来评定应力。h.yamada5等研究人员对四足式磁检测传感器进行了磁回路的理论分析，提出了各方向上的磁导率椭圆分布，并指出被测试件的磁阻与其受到的最大应力成正比。r.langma 69制作了一个可调式磁测量传感器，在u型铁芯上缠绕数匝线圈作为激励源，感应部分是由两个相互垂直的感应线圈组成，当被测试件由于受到外力作用导致磁阻发生变化时，感应线圈上的电压将发生变化，通过计算两个感应线圈上电压来确定应力的变化量。英国伦敦大学无损检测中心在近期研究中提出了关于用交流电测量残余应力新的检测方法10。在实验研究中采用了扁钢碳钢试块。在样本表面喷丸产生一个对称的双轴残余压应力场。然后使试块在疲劳试验机上受到恒幅循环载荷。在这种加载的环境下，钻孔测试显示只有在循环荷载方向的残余应力分量有显著的衰减。测试结果显示这种衰减可以用现在的交流应力测量系统检测。我国学者对磁测量的应力检测技术的研究起步比较晚，但是发展很快。主要研究方向是建立检测信号与被测试件受到外力的关系，在实验过程中，尽可能降低实验误差，从而提高测量精度。王振山和刘树桥1112等研究人员通过实验导出了两极磁测量传感器输出信号与主应力及测量角度的关系。他们指出，应力的改变量与两次传感器输出信号差成正比，这时候传感器测量方向应与受力方向平行。清华大学谢大吉教授1314利用自制的两级式磁测量传感器对铁磁性材料在单向拉伸，单项压缩，双向拉伸和双向压缩时候，以及各种焊构件残余应力进行试验分析。指出当传感器测量方向与所受的应力方向平行和垂直时候，其输出信号均与应力的变化量成线性关系，并给出了相应的数学模型。南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室任吉林15等研究人员在交流电磁场检测原理基础上，应用ansys 软件，建立交流电磁场检测技术(acfm)数学模型，仿真分析铁磁性材料和非铁磁性材料，在不同的激励条件下，被检材料的表面磁场分布。当被检材料中存在缺陷的情况下，分析表面扰动磁场的分布，提取表面各方向扰动磁通量密度值，发现与缺陷大小有很好的对应关系，分析不同金属材料在相同激励条件下，表面均匀电流场的分布特征，以及影响因素。 中国石油大学李伟、陈国民、齐玉良16研究人员在交流电磁场裂纹检测的仿真研究和信号分析的基础上, 给出了分析磁场信号分布的数学模型, 确定了用于裂纹尺寸反演研究的信号特征量。通过对不同尺寸的任意形状裂纹电磁场分布情况的数值模拟计算, 总结出描述磁场分布与裂纹尺寸形状之间关系的三条规律, 进而提出了一种交流电磁场4南昌航空大学2012届学士学位论文检测裂纹量化算法, 并利用该算法对一组交流电磁场检测试验信号进行了裂纹尺寸反演。湘潭大学李安强、洪波、屈岳波、尹力17学者在根据交变磁场测量法(acfm)的基本原理, 设计了一种由激励线圈和感应线圈组成的交变磁场传感器, 可对空间“点”磁场进行测量。通过大量实验, 研究了传感器位置和不同焊缝宽度对传感信号的影响规律。根据传感信号的变化规律, 提出了相应的信号处理的方法, 为acfm方法用于焊缝跟踪奠定了良好的基础。基于磁测量的应力检测方法经历几十年的发展，分支出了很多种类，但是这些种类的实质没有发生根本变化，即将铁磁性材料应力集中区域应力变化转化为材料磁特性的微观变化从而利用磁传感器检测出应力集中区。这种对铁磁性材料早期预警式的诊断正在受到国内外越来越多学者关注，它的运用前景一片光明。1.3本课题研究内容本课题主要研究交变磁场法评定钢板应力集中，设计高灵敏度交流电磁探头，基于该探头，进行拉伸和弯曲试验，研究加载下应力集中与信号的关系。所以本论文主要有以下研究内容：1、对acfm检测理论进行了深入的研究。2、基于acfm法检测系统的设计，主要是进行交流电磁探头设计，优化参数，更重要的是交流电磁探头的磁芯的选择，线圈绕制，线圈的形状以及焊接、封装，以及对探头性能进行测试。3、基于acfm法钢板应力集中检测，包括拉伸试验和三点平台弯曲试验，并将检测数据进行计算分析得出结论。2基于acfm法钢板应力集中检测的基本理论2.1铁磁性物质的基本特征2.1.1铁磁性物质的宏观磁特性铁磁性物质的宏观磁特性反应在该物质的磁滞特性曲线上。如同物质都有热胀冷缩的现象一样，电场和磁场也都会使物体的尺寸伸长或缩短。铁磁性物质在外磁场的作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩效应是焦耳在1847年发现的18。磁致伸缩效应一般用磁致伸缩系数来表示。 =式中ih为物体处于外磁场中的长度，i0为物体原来的长度。通常情况下铁磁性物质的很小约百万分之一。2.1.2铁磁性物质的微观磁特性铁磁性物质的磁性可以用磁畴来解释，在铁磁体内部存在着无数个线性度为10-4m的原本已经磁化了的小区域，这些区域就叫做磁畴。在每个磁畴中，所有的原子的磁矩已经向同一个方向排列整齐了。如图2.1所示。图2.1 铁磁铁内部磁畴在外磁场下的动作如图是一个关于磁畴在磁化过程中的示意图，在其未被磁化的时候，内部的各个磁畴是无规则的任意取向的，因此物体对外不显示磁性。当其放入磁场之中，部分磁畴的磁矩方向会指向外部磁场的方向，而且，随着外部磁场强度的增加，与外部磁场方向相同的磁矩的磁畴数量也越来越多，当外部磁场到达一定程度的时候，物体内部所有磁畴的磁矩同时转向同一方向，即外部磁场的方向。铁磁体在外磁场作用下的磁化过程与外磁场的大小不成正比，而是非线性的关系。根据外磁场大小和磁化效果，我们可以将磁化过程分成四个部分，如图2.2所示，包括初始磁化阶段、阶跃式磁化阶段、旋转磁化阶段、饱和磁化阶段。4图2.2 铁磁体的磁化过程图中在初始磁化阶段只有磁畴壁的移动体现了铁磁体被磁化，阶跃式磁化阶段，即barkhausen effect 产生的阶段，这个阶段的磁化是不连续的磁化，随着外加磁场的增加磁畴壁位移加大，磁畴内部结构也就发生了改变。旋转磁化阶段，磁畴壁的移动已经达到极限，这时候磁矩开始偏转，其转向的方向是朝着外加磁场方向的。饱和磁化阶段，即技术磁化阶段物体内部所有的磁畴的磁矩基本都转向外加磁场的方向。铁磁体在磁化过程中达到磁饱和之后，随着外加磁场强度的减小，材料内部的磁感应强度b和磁化强度h也会随之减小，但是这个减小的过程并不是沿着原来磁化过程的那条曲线。如图2.3所示。图2.3 铁磁材料磁滞回线如图所示，当外加磁场减小至零的时候，磁感应强度b不为零，而是有b=br，称为剩余磁场强度。若要使被磁化的铁磁体材料内部的磁感应强度减小为零，就必须加上一个反向的磁场，当反向磁场增加到一定大小，如图中为hc时候，材料内部的磁感应强度为零，这时的磁感应强度为该磁性材料的矫顽力。如图2.4所示为铁磁性单晶体的磁畴结构示意图，可以看出，对于a），在无外加磁场和外加应力时候，其磁畴分布没有规律，物体对外不呈现磁性。在加上外磁场作用之后，物体内部出现磁极，如b） 所示，与外加磁场强度方向相同的磁畴的体积会增大，当应力作用为压应力的时候，物体的弹性势能增加，磁化难度加剧。a）外界磁场强度为零，无拉力和压缩力 b）外界磁场强度h不为零，无拉力和压缩力图2.4 铁磁性单晶体的磁畴结构示意图2.2磁致伸缩效应与逆磁致伸缩效应磁致伸缩效应（magntostrictive effect），是指铁磁性物质在受到外磁场作用时，其体积和长度都会发生变化，当外磁场消失之后，物体能恢复到原来的尺寸。这是焦耳在1942年发现的，也叫焦耳效应。磁致伸缩效应所能引起的铁磁性物质长度和体积的变化时十分微弱的。其中，引起物体长度的变化叫做线磁致伸缩，引起物体体积变化叫做体积磁致伸缩。线磁致伸缩要比体积伸缩量大得多。逆磁致伸缩效应，是指铁磁性材料在外力诸如拉力，压力或者扭转力等其他力的作用下发生变形，其磁化强度（即磁导率、磁阻）将随之发生变化的现象19。对于磁致伸缩效应的微观物理解释如图2.5所示。图2.5 磁致伸缩效应示意图如图所示，当物体温度小于居里温度时，铁磁性材料内部存在不规则的排列的磁畴，在每个磁畴中原子的磁矩有序排列，所以每个磁畴都有自己的方向，在没有外磁场作用下磁畴之间没有规律，物体对外不显磁性。当外加磁场后，物体的长度和体积均发生了变化，且各个磁畴的自发磁化都转向外磁场方向，于是产生了宏观磁致伸缩。2.3 acfm检测原理概述交变磁场测量法原理为：由激励探头在待测工件表面感应出均匀交变电流，当工件中无缺陷或者远离缺陷时，工件表面感应磁场均匀；若有缺陷存在，由于空气和工件电阻率的差异，感应电流在缺陷的两边和底部绕过，引起表面电磁场扰动，检测探头采集缺陷上方电磁场畸变信息并分析处理，可获得描述缺陷状态的尺寸信息，从而达到定量分析的目的。在acfm技术中，可以测量工件表面感应磁场磁通密度的三个分量，x分量记作bx，与电流方向垂直，与工件表面平行；y分量记作，与电流方向一致；z分量计作bz，与工件表面垂直。当缺陷长度方向也与电流方向垂直时，x分量的方向将与缺陷长度方向平行。在仿真建模时，由于工件相对于激励场来说可以看作无限大，因此为了方便建模和数据提取，模型中选取的计算区域长度与缺陷长度方向一致，宽度与缺陷宽度方向一致，高度与缺陷深度方向一致，如图2.6所示。图2.6 acfm缺陷检测原理示意图根据电磁感应定律易知，当工件表面无缺陷存在时，感应电流均匀分布，分量by和bz的值为零，磁场在x轴方向均匀分布并与电流方向垂直。当电流经过含缺陷工件表面时，电流向缺陷两端和底面偏转，使流经缺陷面的电流强度减小，缺陷越深的地方，电流线越稀疏，感应磁场磁通密度值也就越小；另外，电流在缺陷两端聚集，势必使缺陷两端点处的磁通密度处于极大值。当探头沿着缺陷表面进行扫描时，bx轴出现一个宽凹陷区，by和bz出现高幅值的波峰和波谷，由于by的数量级小，因此在不需要特殊处理的情况下，探头只需测量bx和bz分量即可判定缺陷的存在20。即x轴方向磁感应强度bx和bz轴方向磁感应强度bz。前者反映了缺陷的深度信息，后者反映了缺陷的长度信息。3 acfm检测系统设计及调试3.1检测系统3.1交流电磁场检测系统结构示意图交流电磁场检测系统主要由激励电源、探头、检波电路、数据采集组成。激励电源给激励线圈提供不同频率的正弦交流电，激励线圈在试件表面感应均匀的电场。检测探头拾取在激励线圈下产生的感应磁场信号，通过信号处理电路得到比较明显的缺陷信号，对信号进行采集。交流电磁场检测系统结构示意图3.1。3.1.1激励线圈的设计为了获得足够大的均匀交变电场，采用大的激励线圈或多个线圈并排的形式，加强激励电场，合理选用磁芯。磁芯的损耗与工作频率f和工作磁通密度bm相关。f升高或者bm增大，损耗都会大幅度增加，至使磁芯发热严重，这就要求磁芯电导率p大，以有效地抑制涡流损耗。为了提高工作磁密bm，要求材料的饱和磁密bs高，为了使磁芯能够在比较宽的温度范围内具有良好的工作特性，磁芯材料的居里温度tc要求比较高。硅钢片的加工工艺复杂，成本高，且受到材料性能的限制。高频下常用的磁性材料有铁氧体、坡莫合金、非晶与超微晶合金软磁材料。锰锌（mnzn）和镍锌（nizn）铁氧体是两类可有效地把磁芯损耗减小到最低程度的磁芯材料，nizn特别适合在频率高于1mhz工作，因为它具有较高的体积电阻率，对于涡流损耗不太敏感。这些损耗与电源工作频率的平方成比例增大。在频率低于1mhz时，mnzn材料的性能明显好一些。mnzn的初始导磁率高于nizn，因而在达到磁饱和前将支持较高的磁通密度。其次，mnzn工作温度范围宽。选用矩形载流线圈和锰锌铁氧体磁芯组成u型acfm激励探头，能够有效地减少磁通损失，将感应电磁场完全导入工件表面，在工件表面激励出均匀感应电流，满足acfm检测要求。图3.2激励线圈示意图为了本课题实际需要，采用u形mnzn铁氧体磁芯磁轭如图3.2所示，其中，a=30mm，b=25mm，c=5mm，d=20mm,e=5mm,f=20mm。激励线圈采用直径为0.1的漆包线，缠绕匝数为150匝。3.1.2检测线圈的设计与制作探测磁场的线圈是在一定形状的骨架绕以特定匝数的漆包线而成，其形状和尺寸应根据被测磁场分布和形态来选择。工程上使用的最小探测线圈直径为0.5mm，大型线圈直径可达60mm。探测线圈形状主要有圆柱形、环形、盘形三种。柱形线圈用于测量空间“点”磁场；环形线圈用于测量永磁样品的磁通；盘形线圈用于测量狭缝磁场和电器元件空间漏磁通。根据需要，acfm要求能够测量空间一点的磁场，球形探测线圈是一种最好的线圈，但是绕制线圈相当困难，一般不采用。本课题采用的是一定体积的简单的札形线圈。探测线圈有一定的体积，它测量的是线圈内磁感应的平均值。磁场不可能达到绝对的均匀，因此，测量时会不可避免的引起误差，所以设计尽可能小体积的检测线圈来减小误差。但是不足的是，会降低检测灵敏度。所以因精心设计检测线圈达到实验要求。文献22给出了如图3.3圆柱形点线圈应满足的几何尺寸关系： = =0.67 （3-1）式中，d1为线圈内径，d2为线圈外径，l为线圈长度。9图3.3圆柱形“点”线圈如果线圈的内径非常小，由式（3-1）可得：=0.67 （3-2）如果是比较薄的线圈，即d1d2d0时，式（3-1）可写成：=0.866 （3-3）式中，d0线圈骨架的直径。在设计探测bz方向的信号线圈时，本课题采用了截面形状为正方形的线圈代替圆形线圈，对结果影响不大。线圈截面边长a1=2mm，长l1=2.5mm，以截面对角线长度近似替代式（3-3）中的d0，=0.884，能满足要求。在设计探测bx方向信号的线圈时，考虑到图3.4中矩形线圈由提离产生的感应电动势变化量小于图3.5中正方形线圈引起的。因此，在检测bx磁场强度时，提离干扰对矩形截面线圈影响小于对正方形截面线圈的影响23。 图3.4矩形线圈的提离 图3.5正方形线圈的提离减小提离的影响对acfm是非常重要的，综合考虑空间点磁场的测量要求和减少提离干扰的要求，探测线圈做成了截面形状为矩形的线圈，截面边长a=2.5mm，b=3.5mm，线圈长度l=3.8mm，以截面对角线长度近似替代式（3-3）中的d0，则=0.884，满足要求。实际制作中，为了能同时在一个地方测到bz方向和bx方向的信号，将线圈设计成正交性。单独由线圈所测得感应电动势非常微弱，为了加强感应电势，加入mnzn铁氧体磁芯，截面形状为正方形，用0.1mm的漆包线在其上紧密均匀缠绕，作为探测bz的线圈。外层用0.1mm的漆包线缠绕，作为探测bx的线圈。探测线圈结构示意图如图3.7. 整个探头模型如图3.8所示。 图3.7探测线圈结构示意图 图3.8放置式u 型磁轭磁感应探头而制作探头需要根据实际需要，还要考虑周围的条件。在制作探头是把输出线焊好，因为铜线表面有保护膜，所以在焊接时接头时必须把保护膜除去，然后用万用表测量两接头是否导通 。3.2探头性能测试本次交流电磁探头性能测试主要研究激励频率，电流和线圈匝数对检测结果的影响。由于检测频率高，电流大时，产生的磁场强度大，在金属表面产生的感应电流密度大。随着激励频率的降低，金属表面感应电流渗透深度增加但是表面感应电流密度下降2425。因为探伤深度与表面检测灵敏度相互矛盾，所以对材料探伤时，要选择有较高灵敏度的频率，合适的激励电流。线圈匝数越多，在金属表面产生的感应电流密度越大，从而可以使缺陷显示的电压变化值变大，感应电流信号明显，这样可以更好的检测应力集中。依据选定参数制作了几个交流电磁探头进行性能对比，找出最佳参数。制作的交流电磁探头实物如下图所示。在实验中，主要是利用如下试块对交流电磁探头性能进行研究，实验结果具体如下：11 图3.9自制交流电磁探头实物图 图3.10测试探头性能的铝合金试块 图3.11在铝合金板上对交流电磁探头 图3.12 交流电磁探头在铝进行性能测试 人工裂纹上扫查 图3.13 bz方向电压输出（2mm深） 图3.14 bx方向电压输出（2mm深） 图3.15 bz方向电压输出（1.5mm深） 图3.16 bx方向电压输出（1.5mm深）通过过对交流电磁探头性能测试，由图分析得出结论：在一定的激励电流下，随着激励频率的增加，bx方向和bz方向的输出电压都在增加，说明随着激励频率的增加，金属板产生的感应电流场的密度也变大,有利于提高检测灵敏度。为了得到较高的灵敏度，本课题采用了放置式u型磁轭交流电磁探头，激励线圈匝数为150匝，线圈直径为0.1mm，检测线圈匝数为100匝，线圈直径0.1mm。激励频率范围1khz3khz，激励电流范围1a2a。本次实验所需的高灵敏度交流电磁探头性能测试由于器材等各方面限制，检测效果难于达到理论值，由上图可看出，得到的输出信号比较好，最终确定它能达到本论题中实验所需的交流电磁探头的高灵敏度。134基于acfm法的钢板应力集中评价4.1整体实验方案设计基于acfm法的钢板应力集中实验，关键在于设计出较高灵敏度的交流电磁探头，在拉伸试验和弯曲试验过程中，进行交流电磁检测，实验流程如下图4.1：性能测试探头制作试样型号试样尺寸探头设计试样选材拉伸实验以及弯曲试验交流电磁检测测图形、曲线处理信号、数据分析实验结果研究探寻研究结果 图4.1 实验流程实验具体过程1、试样选材及加工：选择拉伸性能好、易购买、实惠的q235中低碳钢作为钢板材质，将其加工成无任何加工缺陷试样，尺寸规格为长度200mm、宽度35mm、深度2mm,如图4.2。 图4.2试样规格2、设计和搭接一个x方向和z方向的检波电路，利用示波器反复调试，尽可能达到最佳检波效果。3、探头设计：为了检测钢板表面，选择u型磁轭放置式检测线圈，正确设计满足实验的的激励线圈，优化设计能检测bx方向和bz方向的信号的检测线圈，制作线圈匝数不等，丝径0.1mm的交流电磁探头，用加工了人工裂纹的铝试块进行性能测试。4、拉伸试验：将加工好的钢板试样q235安装到拉伸机上进行应力加载，同时，将交流电磁检测探头贴在加载钢板试样的一面，研究加载试样应力集中分布情况，加载直到式样拉断为止，激励频率f为1khz，2khz，3khz，激励电流i为1a,2a，分别观察和记录f与i组合下的bx方向和bz方向输出结果。5、弯曲试验：将加工好的钢板试样q235安装在弯曲试验机上进行应力加载，同时，将交流电磁检测探头贴在加载钢板试样的一面中心部位，研究加载试样应力集中分布情况与交流电磁场的关系，激励频率f为1khz，1.5khz，2khz，激励电流i为1a,2a，分别观察和记录f与i组合下的bx方向和bz方向输出结果，同时，观察及记录卸载的输出结果。6、应力集中评价：对记录的数据以及试验中得到的实验图，进行数据处理以及图像分析，找出加载应力与交流电磁场之间的关系，做出材料的可靠性评价。4.2实验仪器选择本次开展acfm法检测应力集中实验中，需要进行拉伸实验，弯曲实验和交流电磁检测，因而就需要一定的实验设备：高速双极性电源bp4610，具体有wdw-e100d微机控制电子式万能试验机和三点弯曲试验平台，yjz8/16型智能数字应变仪数字示波器，数字万用表，下面将分别介绍仪器的使用。（1）本课题选用高速双极性电源bp4610，它可以实现高电压、大电流、恒定电流，可以满足各种要求的技术规格。最大输出电压可以达到60v，最大电流为10a,电压电流四象限输出。可选择恒定电压(cv)和恒定电流(cc)运行，具有响应校正功能和电压、电流限幅器、测量显示功能。在试验过程中，双极性电源bp4610可产生频率和幅值均可调节的交流信号。仪器如图4.3所示。图4.3 bp4610外形（2）wdw系列微机控制电子式万能试验机主要用于金属材料的拉伸、压缩试验，是科研单位、大专院校的必备设备。最大加载力为100吨，可以满足本次15实验要求， 它的外形图4.4如下：图 4.4 wdw-e100d万能试验机（3）yjz-8/16型智能数字应变仪，是采用目前最先进的微处理器芯片和flash存贮器的技术先进、方便实用的智能数字应变仪。主要特点是：a、简明快捷的人机对话窗口，利用主机或pc双向设置控制；b、先进的电子开关技术彻底解决了机械触点诸多弊病；c、灵活多样的设置控制使得每个通道的三种桥型和五种量纲（应变、应力、重力、位移、温度）变换变得任意自由；d、具有自动、手动两种采集和平衡方式；e、 1秒-12小时采集控制时间间隔；f、理想实用的pc处理软件-多点曲线实时显示同时生成数据文件，曲线自动生成；外形图4.5如下：图4.5 yjz-8/16外形4.3拉伸试验4.3.1试验过程（1）设定拉伸试验参数，如下图4.6。（a）创建实验方案界面 （b）试样参数设置界面（c）坐标方式选择界面 （d）引伸计参数设置界面 （e）程控编辑设置界面 （f）拉伸实验检测界面（g）实验结果分析界面图 4.6 拉伸试验参数设定界面图（2）安装试样前，首先将显示窗口的试验力清零。打开试验机的上下夹具，先将试样的一端安装在试验机的上夹具内，再开动试验机使中横梁上的下夹具移动到适当位置，并把试样下端安装在下夹具内。试样安装图4.7如下：图4.7试样安装图17（3）在无加载应力下， 激励源的激励频率和激励电流组合如表4-1，测出初始值:用数字万用表分别测检波电路x方向和z方向输出电压。（4）在加载应力为62mpa，124mpa，262mpa（屈服点），312mpa，350mpa（抗拉强度）下（直到试样被拉断为止），激励源的激励频率和激励电流组合如表4-1和4-2，用数字万用表分别测出x方向和z方向的电压。（5）利用origin lab软件对表4-1中数据进行绘图。 图4.8 拉伸试样的应力应变曲线（抗拉强度为350mpa）4.3.2实验数据处理及分析在深入理解acfm法的检测原理以及查阅了有关材料应力集中相关文献，通过做拉伸试验，进行了钢板应力集中检测得出了如下结果：表4-1实验数据材料电流（a）加载（mpa） 频率（hz）10001500 输出（mv） 输出（mv）x方向z方向x方向z方向q23510254410 41164362252410 409642124254409 41364020025341041264226225640941764131226040942264135026640443163420498844821132262501842827131712450283983113112005088398421310262511837847130831251783785213073505318278721292表4-2 实验数据材料电流（a）加载（mpa）频率200025003000 输出（mv） 输出（mv） 输出（mv）x方向z方向x方向z方向x方向z方向q23510598905825120410991563625969038231201109915571246028998301194111015462006029018321197111315482626019018421196112515463126159018471197112915473506238898581179114015212012151860170024732302320062122318501710245923083178124123018391721244223303152200124718381742243823493144262125618341756243323733135312126018341757243223673134350128218111779240223823097为了得到感应磁场与应力的关系，利用origin lab软件对表4-1和4-2中数据进行绘图，处理结果如下图4.9所示。 （1）应力-bx电压曲线（激励电流1a） （2）应力-bz方向电压曲线（激励电流1a） （3）应力-bx方向电压曲线（激励电流2a） （4）应力-bz方向电压曲线（激励电流2a）19（5）应力-bx电压变化量（激励电流1a） （6）应力-bz电压变化量（激励电流1a）（7）应力-bx电压变化量（激励电流2a） （8）应力-bz电压变化量（激励电流2a）图4.9拉伸试验数据处理由表4-1所得数据，以及上图4.9分析可知：由图（1）和（3）可知，bx电压随着应力增加，有缓慢增加的趋势，而由图（2）和（4）可知，bz电压随着应力增加，基本保持不变。而且，由以上各图可看出，激励电流越大，激励频率越大，bx和bz方向的输出电压也大。由图（5）和（7）可知，随着应力增大，bx电压变化量在逐渐增大，而且由图还可以看出bx电压变化分三个阶段：在弹性范围内，bx电压变化量随着加载应力的增加，缓慢增大;在屈服阶段（屈服点260mpa左右），bx电压变化量随着加载应力增大，增大趋势很明显；在加强区时（试样拉断临界点350mpa）bx电压变化量随着加载应力的继续增大，增大趋势显著增强。可是，由图（6）和（8）可看出，随着加载应力增大，bz电压变化量增大也分三个阶段：在弹性范围（100mpa以下），bz电压变化量随着加载应力增大，增大趋势很明显；在100mpa300mpa左右，bz电压变化量随着应力变大，变化趋势不明显；在300mpa350mpa（拉断临界点），bz电压变化量随着应力增大，迅速增大。由图（5）和（6）进行比较，我们发现加载应力对bx输出电压影响较大，在试样断裂临界处，加载应力对bx和bz变化量的影