基于热致磁变原理的铁磁性金属材料轴向应力检测方法

技术领域：

本发明涉及铁磁性金属材料无损检测领域，特别涉及基于热致磁变原理的铁磁性金属材料单轴载荷作用下的应力检测方法。

背景技术：

工字梁、矩形管和钢桁架等钢结构被广泛应用于机械工程和大型土木工程领域，其材料一般为铁磁性金属。在服役过程中，钢结构受到轴向拉压应力或者压应力的作用，不可避免地会产生一些损伤，从而严重威胁其的结构完整性以及安全使用。需要对此类铁磁性钢结构的轴向应力进行定期的在役无损检测，以确保结构的正常使用。但是目前常用的金属磁记忆等微磁检测方法检测信号的干扰因素多杂，导致应力检测误差大。

发明内容：

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于热致磁变原理的铁磁性金属材料轴向应力检测方法，适用于铁磁性金属材料轴向应力的测定，所提方法具有操作简单，数据量小，易实现的优点，可广泛应用于工字梁、矩形管和钢桁架等铁磁性钢结构的轴向应力测定领域。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

基于热致磁变原理的铁磁性金属材料轴向应力检测方法，包括以下步骤；

步骤1：搭建铁磁性金属材料拉伸试件磁信号检测实验系统，具体为：磁场探头2的一端与磁信号检测仪1相连，磁场探头2的另一端固定在二维扫描台3的铝制连接杆4上，二维扫描台3通过扫描台控制器5和计算机6相连；

步骤2：铁磁性金属拉伸试件的磁信号检测实验，具体步骤如下：

1)加工制作铁磁性金属拉伸试件7；

2)对步骤1)中加工好的铁磁性金属拉伸试件7，利用电子万能拉伸实验机对其进行拉伸加载，导入轴向应力；

3)根据步骤2)中加载后的拉伸试件，在不同横向位置处选取N条扫描线，每条测量线有M个测点，利用步骤1搭建的热致磁变信号检测系统进行磁场分布的测量，测量时由扫描台控制器5和计算机6控制二维扫描台3带动磁场探头2沿选定的扫描线进行扫描，利用热致磁变信号检测仪1采集和记录测量点扫描过程中的磁场信号，即测得自然磁化下N条扫描线上的磁场分布信号；

4)利用加热装置将拉伸试件加热至100℃，重复步骤3)完成拉伸试件的磁信号检测实验测量，获得加热后各条扫描线上的磁场分布信号；

步骤3：基于热致磁变原理，建立恒定轴向磁场下铁磁性金属拉伸试件轴向应力、温度变化与磁化值之间的理论关系，具体步骤如下：

1)考虑各向同性铁磁性金属拉伸试件在恒定的轴向磁场承受外部载荷作用，在力磁效应平衡状态下，铁磁性金属拉伸试件的理想无磁滞磁化值可以表示为：

其中，M为材料的磁化强度，H

2)根据朗之万理论，获得磁化强度和有效场H

其中，a是单位为A/m的磁化模型参数，当铁磁材料受到外加环境磁场的作用，由于力磁耦合效应，材料的磁化状态将在外加磁场、弹性应力及温度场等的联合作用下发生变化，总的有效场可以表示为：

H

其中，H

外加磁场作用下的有效场可以表示为：

H

(4)

其中，α是表征磁畴间相互作用的材料参数；

磁弹性有效场可以表示为磁弹性能密度函数关于磁化强度的微分；

其中，μ

温度导致热变形也会影响磁化强度，其对应的有效场可以表示为：

其中，β为热膨胀系数，ΔT为温度变化，

3)对于弱磁检测问题，由于没有励磁装置，材料磁化程度较低，当M＜0.2M

利用上述公式求解，可以得到材料磁化值的解析表达式为

其中，

T

步骤4：基于步骤2的步骤3)和步骤4)中热致磁变信号检测实验测量，利用Maxwell方程得到材料的磁化状态，基于步骤3)中建立的铁磁材料磁化和应力之间的相互关系表达式(8)，对铁磁性金属拉伸试件的轴向应力进行评估。

所述步骤1中磁场探头2为霍尔元件。

所述步骤2的步骤3)中N条扫描线中的N为3，所述M个测量点中的M为51，测量间隔为2mm，测量线之间的距离为100mm。

所述的铁磁性金属拉伸试件7的磁化值公式(8)考虑了外加磁场、弹性应力及温度场等的联合作用下的力磁耦合效应。

本发明的有益效果：

1)本发明方法利用磁信号检测实验测量铁磁性金属材料在加热前后的磁场分布信号及差异，基于热致磁变原理定量评估获得待测试件的轴向应力，具有原理简单，操作方便易实现，数据量小等优点，能广泛用于铁磁性金属材料轴向应力的在线测定。

2)本发明考虑力磁耦合效应，理论分析精确获得了铁磁性金属材料在恒定轴向外载和等温环境下的磁化值表达式，并利用实验信号在线评定了材料的轴向应力，适用性广，精度高，同时保证了测量结果的准确性。

附图说明

图1为本发明铁磁性金属材料轴向应力检测流程图。

图2为热致磁变信号检测系统示意图。

图3为制作的铁磁性金属拉伸试件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示为本发明的铁磁性金属材料轴向应力检测流程图，首先制作铁磁性金属材料拉伸试件7，利用自行搭建的热致磁变信号检测系统进行实验测量，获得拉伸试件在测点上的磁场分布，然后将拉伸试件加热至100℃，测量拉伸试件的磁场分布，其次，基于热致磁变原理，推导恒定轴向外载和等温环境下铁磁性金属材料的磁化值表达式，获得温度梯度、磁场信号和轴向应力的关系，最后利用实验测量获得的磁场分布信息定量评估铁磁性拉伸试件的轴向应力分布。

下面将结合图2至图3对本发明方法做进一步的详细描述。

步骤1：自主搭建铁磁性金属材料拉伸试件磁信号检测实验系统，如图2所示，具体为：测量磁场的磁场探头2的一端相接于磁信号检测仪1，磁场探头2的另一端固定在二维扫描台3的铝制连接杆4上，二维扫描台3相接于扫描台控制器5，扫描台控制器5的另一端和计算机6相连，由计算机6二维扫描台3带动磁场探头2进行扫描，利用磁信号检测仪采集和记录测量获得的磁场信号，

步骤2：铁磁性金属拉伸试件的磁信号检测实验，具体步骤如下：

1)加工制作铁磁性金属拉伸试件7，如图3所示，拉伸试件为哑铃状，其中中间平行段的长度为100mm，宽度为30mm，两端夹持段的长度为50mm，宽度为45mm；

2)对步骤1)中加工好的铁磁性金属拉伸试件7，利用电子万能拉伸实验机对其进行拉伸加载试验，并导入轴向应力；

3)根据步骤2)中加载后的拉伸试件，在不同横向位置处选取a、b、c三条扫描线，每条测量线有51个测点，测量间隔为2mm，测量线之间的距离为100mm。利用步骤1搭建的热致磁变信号检测系统进行磁场分布的测量，测量时由二维扫描台3、控制器5和计算机6控制其沿着扫描线进行扫描，扫描步长为2mm，利用磁信号检测仪1采集和记录测量点扫描过程中的磁场信号，即能够测取自然磁化下各条扫描线上的磁场分布；

4)利用加热装置将拉伸试件加热至100℃，重复步骤3)完成加热后拉伸试件的磁信号检测实验测量，获得各条扫描线上的磁场分布信号；

步骤3：基于热致磁变原理，建立恒定轴向磁场下铁磁性金属拉伸试件轴向应力、温度变化与磁化值之间的理论关系，具体步骤如下：

1)考虑各向同性铁磁性金属拉伸试件在恒定的轴向磁场承受外部载荷作用，在力磁效应平衡状态下，铁磁性金属拉伸试件的理想无磁滞磁化值可以表示为：

其中，M为材料的磁化强度，H

2)根据朗之万理论，获得磁化强度和有效场H

其中，a是单位为A/m的磁化模型参数，当铁磁材料受到外加环境磁场的作用，由于力磁耦合效应，材料的磁化状态将在外加磁场、弹性应力及温度场等的联合作用下发生变化，总的有效场可以表示为：

H

其中，H

外加磁场作用下的有效场可以表示为：

H

(4)

其中，α是表征磁畴间相互作用的材料参数；

磁弹性有效场可以表示为磁弹性能密度函数关于磁化强度的微分

其中，μ

温度导致热变形也会影响磁化强度，其对应的有效场可以表示为：

其中，β为热膨胀系数，ΔT为温度变化，

3)对于弱磁检测问题，由于没有励磁装置，材料磁化程度较低，当M＜0.2M

利用上述公式求解，可以得到材料磁化值的解析表达式为

其中，

T

步骤4：基于步骤2的步骤3)和步骤4)中金属磁信号检测实验测量，利用Maxwell方程得到材料的磁化状态，基于步骤3)中建立的铁磁材料磁化和应力之间的相互关系表达式(8)，对铁磁性金属拉伸试件的轴向应力进行评估。

需要说明的是：在实际的过程中可以重复上述步骤2中的步骤3)至4)多次，求出平均值作为磁场分布测量结果，提高轴向应力的检测精度。