基于磁特性参数的细观尺度下物理短裂纹扩展表征_邢海燕.pdf

机械工程DOI:10.15961/j.jsuese.202100797基于磁特性参数的细观尺度下物理短裂纹扩展表征邢海燕，徐成，刘超，王松弘泽，弋鸣，杨健平(东北石油大学 机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318)摘要：细观尺度下，物理短裂纹扩展阶段占整个疲劳寿命的比例通常很高，扩展速率相对于长裂纹更快，对材料已经构成潜在危险。传统的无损检测技术不能有效地检测物理短裂纹等早期隐性损伤，因此，引入能够检测早期隐性损伤和应力异常集中的金属磁记忆技术对物理短裂纹扩展进行表征探索。针对细观尺度下物理短裂纹扩展特异性带来的参数表征难题，在细观实验基础上研究基于磁特性参数的物理短裂纹扩展表征规律与表征模型。以Q235钢三点弯曲试件为试验材料，采用TSC5M32金属磁记忆检测仪并配合LWD1000长距离显微镜，原位观测并记录裂纹扩展演化过程及磁特性参数，获得在细观尺度下磁特性参数对物理短裂纹扩展的表征规律。结果表明：当长度为0100 m时，短裂纹相互竞争，其扩展速率不断增加并出现峰值，磁场强度法向分量Hp(y)由26.875 A/m变成7.250 A/m，出现极性跳变；切向分量Hp(x)由17.24 A/m变成68.78 A/m，绝对值大幅增加。当长度为100 m时，短裂纹汇聚形成主裂纹，裂纹扩展速率放缓，Hp(x)和Hp(y)剧烈跳变，合成Hp出现峰值。当长度为1001 000 m时，主裂纹扩展速率再次变大且不断增加，Hp(y)与Hp(x)再次出现极性跳变与绝对值大幅增加，合成Hp呈上升趋势。进一步地，在实验数据基础上，基于磁特性参数分别建立细观尺度下短裂纹扩展速率、剩余寿命的表征模型，验证结果表明，模型中短裂纹扩展速率、剩余寿命的最大相对误差分别为6%、4%，为工程实际中早期隐性损伤的表征与评价提供了思路。关键词：细观尺度；物理短裂纹；磁特性参数；裂纹扩展；表征规律中图分类号：TH131.2；TG441.7文献标志码：A文章编号：2096-3246（2023）02-0307-08Characterization of Physical Short Crack Growth at the Meso-scale Based onMagnetic Property ParametersXING Haiyan，XU Cheng，LIU Chao，WANG Songhongze，YI Ming，YANG Jianping(School of Mechanical Sci.and Eng.,Northeast Petroleum Univ.,Daqing 163318,China)Abstract:In the mesoscale,the proportion of the physical short crack stage in the whole fatigue life is usually high.And the expansion rate of thephysical short crack is faster than that of the long crack.This phenomenon has caused potential damage to the material.The early hidden damagesuch as physical short cracks cannot be effectively detected by traditional nondestructive testing technology.Therefore,metal magnetic memorytechnology,which can detect early hidden damage and abnormal stress concentration,is introduced to explore physical short crack propagation.Aiming at the difficult parameter characterization problem caused by the specificity of physical short crack growth at the mesoscale,the character-ization laws and model of physical short crack growth based on magnetic property parameters(MPPs)were conceived based on micro-experi-ment.The experiment material is Q235 steel.LWD1000 long-distance microscope and TSC5M32 Tester of Stress Concentration were carriedout to observe in-situ the evolution process of crack growth and MPPs,respectively.The characterization laws of MPPs were obtained for physic-al short crack growth at the mesoscale.The experimental results show that when the length is 0100 m,the growth rate increases continuouslyand peaks occur.The normal component Hp(y)changed from 26.875 A/m to 7.25 A/m with a polar jump.The tangential component Hp(x)收稿日期:2021 08 13基金项目:黑龙江省自然科学基金联合引导项目（LH2019A004）；国家自然科学基金项目（11272084）作者简介:邢海燕（1971），女，教授，博士.研究方向：无损检测及可靠性评价；设备状态监测与故障诊断.E-mail：网络出版时间:2023 03 06 16:48:46 网络出版地址:https:/ http:/http:/ 第 55 卷 第 2 期工 程 科 学 与 技 术Vol.55 No.22023 年 3 月ADVANCED ENGINEERING SCIENCESMar.2023changed from 17.24 A/m to 68.78 A/m with a significant increase in absolute value.When the length is 100 m,the short cracks converge toform the main crack,the crack growth rate slows down,Hp(x)and Hp(y)jump sharply and Hp peak appears.When the length is 1001 000m,the growth rate of the main crack increases again and increases continuously.The polarity of Hp(y)changes,the absolute value of Hp(x)in-creases greatly again,and the Hp shows an increasing trend.Furthermore,based on the MPPs,the characterization models of short crack growthrate and remaining life at the mesoscale were established,respectively.The verification results show that the maximum relative errors in the mod-el are 6%and 4%,respectively,which provides a new idea for the characterization and evaluation of early hidden damage in engineering practice.Key words:meso-scale;physical short crack;magnetic property parameters;crack propagation;characterization laws 细观尺度下，物理短裂纹扩展具有不能被传统连续介质力学理论解释的特异性，且短裂纹阶段占整个疲劳寿命的比例高达80%1。对于物理短裂纹而言，其跨度从100到1 000 m，短裂纹之间互相融合汇聚成主裂纹，其扩展速率相对于长裂纹更快，对材料已构成潜在危险，因此，对短裂纹的检测与评价更具有工程实际意义。但传统的无损检测技术不能有效地检测物理短裂纹等早期隐性损伤，其现有参数不能有效表征物理短裂纹，在工程实际中使用显微镜现场观测又比较困难，因此，有必要研究能够表征和评价物理短裂纹扩展的新方法。20世纪末，Dubov26率先将力磁效应理论应用于无损检测中，提出金属磁记忆检测技术，在铁磁构件早期隐性损伤及异常应力集中诊断方面具有独特的优势。国内外学者在金属磁记忆研究方面展开了大量的工作。Venkatachalapathi等7通过实验验证了金属磁记忆方法检测疲劳损伤的可行性；Zhou等89通过四点弯曲实验研究了磁特性参数与疲劳裂纹深度呈线性关系；Ni等10为监测铁磁材料的裂纹扩展，预测其疲劳寿命，通过三点弯曲实验，分析了疲劳裂纹扩展过程；Xu等1112研究了埋设缺陷在不同加载、不同埋深的磁特性参数特征及不同加载阶段下隐性裂纹的磁场强度梯度变化规律，证明了磁记忆检测方法的有效性；Dubov等13利用磁记忆技术实现对奥氏体马氏体钢叶轮进行应力集中检测，发现了早期损伤；KosoSchab等14将磁记忆检测应用于检查起重机结构和设备的运行过程，减少了停机时间，提高了安全性；Hu等15通过对钻柱表面形貌变化和磁记忆信号的分析，认为磁记忆信号可准确描述钻柱的疲劳损伤过程；任吉林等16采用磁场强度切向分量Hp(x)、法向分量Hp(y)联合检测方法，对铁磁性材料的应力集中区进行无损检测；邸新杰等17通过提取Hp(y)进行分析，判断缺陷存在的位置；Su等18通过测量Hp(y)，研究了焊Q345钢试件在拉伸和弯曲载荷下缺陷和非缺陷的磁化性能；钱正春等19为研究不同类型的疲劳载荷对磁信号的影响，对低碳钢Q345分别进行拉伸和压缩疲劳试验，比较不同循环周次下的Hp(y)曲线；Ren等20以Hp(y)为主要参数，研究了初始磁化状态对磁特性参数的影响；王威等21研究发现钢梁下翼缘表面Hp(y)与拉应变有着一定的关系，与钢梁腹板水平压应力之间呈线性关系；Huang等22采集了裂纹扩展过程不同区域的磁特性参数，指出法向分量峰值Hp(y)和梯度最大值Kmax可以表征疲劳裂纹累积损伤程度；Wang等23在45号碳钢整体拉伸试验过程中，分别研究了外加载荷对弹性变形及塑性变形阶段磁记忆信号的影响。目前，磁记忆技术大多集中于宏观尺度上的缺陷特征提取与表征，很少对细观尺度下物理短裂纹扩展的表征规律进行探索。而从细观尺度出发研究应力异常集中与早期隐性损伤的磁特性规律，才能够真正地发挥磁记忆技术在早期检测上的优势。本文在大量物理短裂纹原位观测与同步磁记忆检测实验基础上，分析物理短裂纹整个演化过程中磁特性参数Hp(x)、Hp(y)的变化规律，建立细观尺度下磁特性参数与短裂纹扩展速率及剩余寿命的相关性模型，为工程实际中物理短裂纹扩展的表征与评