基于NCPP平面波算法磁记忆信号特征研究

磁记忆检测技术能够对铁磁性金属构件的应力集中区和微观裂纹进行有效的检测。但是,由于缺乏科学的理论解释和系统的实验研究,磁记忆信号特征和磁力学定量变化关系至今没有定论,严重影响了该项技术的发展。本文利用固体电子理论,采用模守恒赝势(NCPP)算法建立了全电子势磁力学模型,计算了固体屈服时,原子磁矩、晶格结构及磁记忆信号的变化特征。计算结果表明:固体的原子磁矩、晶格常数和漏磁信号强度与应力成线性变化趋势,当应力集中程度达到固体的屈服强度时,晶格结构发生畸变,磁记忆信号会产生突变。本文的实验结果与理论计算结果具有很好的一致性。     

基于OLCAO算法金属塑性变形磁记忆信号特征研究

塑性变形是金属材料在应力作用下产生损伤的早期阶段,对其的有效检测可预判危害的发生,实现设备破坏前的预警。针对金属磁记忆检测技术,利用量子力学密度泛函理论建立铁磁材料力磁耦合计算模型,采用原子轨道正交化线性组合法（Orthogonalized linear combination atomic orbitals,OLCAO）计算铁磁晶体在应力作用下的磁特性变化及磁记忆信号特征。结果表明：应力作用引起晶体内部电子运动状态及其分布特征改变,导致体系能带结构和电子态密度分布发生变化,材料的磁特性发生改变,定量表现为原子磁矩随应力的增加而变化。拉应力导致原子磁矩线性减小,压应力导致原子磁矩线性增大。当金属发生塑性变形时,体系的磁矩均发生突变,应力磁矩关系曲线出现拐点,变化速度变慢,表现为磁记忆信号的特殊变化特征。通过铁磁材料的拉伸及压缩试验,验证了理论计算结果的正确性。     

磁记忆信号定量分析的电子交换模型及性能

磁记忆法可以有效地判断铁磁性金属构件的应力损伤区域。但是,磁记忆自发漏磁信号形成机理和影响因素复杂,不同应力集中程度的磁记忆信号特征很难得到定量化分析,严重影响了该项技术的实际应用。根据电子自旋理论,建立了s-d轨道电子交换模型,计算了晶体屈服前后电子自旋态密度、原子磁矩、晶格尺寸的变化规律,进而定量分析磁记忆信号与应力集中程度的对应关系。研究结果表明,磁记忆信号与应力成一一对应的线性变化关系。晶体在屈服前,磁记忆效应主要由d轨道电子自旋作用决定,磁记忆信号与应力的对应关系具有很好的可重复性;晶体发生屈服后,电子自旋交换作用增强,d轨道电子自旋作用减弱,s轨道电子自旋作用增强,磁记忆信号变化幅度减小,磁记忆效应整体减弱。     

基于密度泛函理论的磁记忆信号产生机理研究

与传统的无损检测技术相比,金属磁记忆方法对铁磁材料早期损伤的诊断更为有效.为了研究磁记忆自发漏磁信号的产生机理,采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势算法建立了磁力学模型,在此基础上,通过计算晶格结构、原子磁矩、系统能量与力的定量变化关系来研究力对材料磁性能的影响,进而分析力与磁记忆自发漏磁信号的关系.研究结果表明:外部载荷作用导致晶格畸变是磁记忆信号产生的根本原因,并且流水静压力导致的晶格畸变比正压力导致的晶格畸变对自发漏磁信号的影响要大;常温下理论计算得到的磁记忆信号随压力增加而线性变化的规律与实验结果具有很好的一致性.     

基于GGA算法磁记忆检测模型的研究

磁记忆法可以对铁磁性材料应力集中区域进行有效的检测,但是,磁记忆现象产生的物理本质尚没有定论,无法实现定量化测量.为了研究磁记忆信号的定量变化规律,利用固体能带理论,建立了磁记忆检测模型,采用广义梯度(GGA)算法计算电子自旋条件下,外力场作用和掺杂作用对材料磁记忆特性的影响.研究结果表明:外力作用下,电子自旋态密度分布和晶体能带结构发生变化是磁记忆现象产生的基础.压应力增加,磁记忆信号线性增大;拉应力增加,磁记忆信号线性减小.此外,掺杂作用会影响材料的磁特性,但不会影响磁记忆信号的变化规律.     

基于LMTO算法磁记忆屈服信号的定量化分析

磁记忆法对铁磁性金属构件的应力集中区域具有很好检测效果。但是,目前构件在弹性阶段和塑性阶段的磁记忆信号特征很难被区分,从而无法对构件的应力集中程度和使用寿命进行有效评估。基于固体电子理论建立了磁记忆效应的边界滑移模型,利用线性化M-T轨道算法(LMTO)计算了固体在弹性、塑性阶段,系统的能量变化、不同轨道电子的自旋态密度的变化情况,进而定量分析了构件发生屈服后的磁记忆信号变化规律。研究结果表明,应力集中程度与系统边界滑移能量呈线性正比例关系,与电子自旋态密度峰峰值、磁记忆信号呈线性反比例关系;构件发生塑性形变后,体系能量和电子自旋发生不可逆的变化,磁记忆信号曲线出现转折点;构件每发生一次塑性变形,磁记忆信号初始值都会变小,曲线斜率变小。     

基于Kp微扰算法的磁场中MMM信号特征的研究

金属磁记忆(MMM)法可以对铁磁性金属构件微观损伤区域进行早期预判和评估,但是磁记忆信号很容易受到外界强磁场的干扰,给检测结果带来偏差。为研究磁场强度对磁记忆信号的影响规律,采用Kp微扰算法,在K空间,通过有效玻尔磁子数p建立多元超原胞磁力学模型,计算在外界磁场作用下,磁力学定量变化关系。研究结果表明,在外界磁场作用下,电子轨道运动增强,晶格结构发生畸变,原子磁矩增大。当磁场较小时,磁记忆信号随外界磁场强度增大而线性增大;当磁场强度达到临界值时,原子磁矩近似等于独立原子的磁矩,磁记忆信号趋于定值;当磁场强度大于临界值以后,应力集中区的磁记忆信号将被磁场覆盖。磁记忆检测实验结果与理论分析结果具有很好的一致性。     

基于OPWP算法力磁耦合磁记忆信号特征研究

铁磁材料的塑性变形是严重影响其使用安全的隐患,对其有效检测可以预防破坏事故的发生。磁记忆检测技术可以实现对应力集中引起的材料塑性变形的检测。本文基于密度泛函理论建立铁磁晶体磁记忆检测模型,采用正交化平面波赝势法(OPWP)计算了体心立方晶体结构的铁在塑性变形后力磁耦合磁记忆检测信号的变化特征。结果表明:铁磁材料在塑性变形后晶格结构及能带分布发生改变,仍表现一定的铁磁性但磁性减弱。在受力过程中,晶体内部电子间交换关联作用过程改变,进而导致晶体能带向低能带底移动,轨道电子分布局域性增强,力磁耦合程度减弱。自旋向上和自旋向下的电子态密度分布改变,原子磁矩减小。宏观表现为:磁记忆信号强度下降,磁场变化率与未塑性变形铁相比减小,实验曲线斜率降低,材料整体磁特性减弱。     

裂纹失稳扩展临界状态的磁记忆特征研究

针对实际工程中裂纹失稳扩展临界特征提取的难题,从一个新的角度引入金属磁记忆技术,通过Q345钢标准三点弯曲试验,获取裂纹稳态扩展到失稳扩展整个演化过程的磁记忆信号变化规律,提取裂纹临界失稳扩展时的磁记忆特征。结果表明,当裂纹处于失稳扩展的临界状态时,磁记忆信号梯度值发生显著跳跃上扬,最大值是稳态扩展的2倍以上,失稳特征显著,磁记忆正交矢量合成梯度G_(vs)的临界特征,真实反映了裂纹临界失稳扩展时应力强度因子K的临界特征。首次建立了磁记忆特征参数G_(vs)与裂纹尖端应力强度因子K之间的数学模型,验证试验结果表明误差为7.9%,为实际工程中利用磁记忆参数特征判定裂纹失稳扩展临界状态提供一种新的思路。     

基于FLAPW算法屈服极限磁记忆信号特征的研究

磁记忆法可以有效判断铁磁性金属构件的应力集中区域。但是,目前铁磁性构件屈服极限处的磁记忆信号特征尚不明确,因此难以根据磁记忆信号对构件的使用寿命进行有效评估。根据电子自旋理论和洪德法则,建立了磁力学模型,分析了材料电子壳层的电荷密度、原子磁矩与磁记忆信号的关系,基于全势线性缀加平面波法(FLAPW),计算了铁磁性金属构件屈服极限前后系统能量、原子磁矩、电子自旋分布以及电荷密度的变化规律,分析了屈服极限前后的磁记忆信号特征。研究结果表明:铁磁性构件在屈服极限前,随着应力增加,电荷密度和原子磁矩减小,磁记忆信号与应力呈线性变化关系,具有很好的重复性;在屈服极限后,由于铁磁性金属构件的加工硬化能力减小,随着应力继续增加,电荷密度与原子磁矩增加,磁记忆信号出现反转特性。     

基于磁记忆的油气管道应力损伤检测方法研究

应力集中是油气管道损坏的关键因素,对管道安全构成重大威胁。对其进行有效检测,既可发现由应力集中引起的机械损伤亦可实现对管道早期损伤的预判。磁记忆检测技术作为一种应力检测方法得到了业界认可。从能量平衡角度出发,分别从宏观和微观的角度对应力作用下的铁磁体磁记忆信号特征进行分析,建立应力与材料磁化率及原子磁矩之间的理论关系模型。采用基于第一性原理的CASTEP软件对铁碳金属体系的磁记忆力磁耦合过程进行仿真。结果表明,铁磁体在外力作用下,体系能量将重新平衡并达到稳定状态,电子能带及态密度分布特征发生改变,导致材料磁性下降,原子磁矩及材料磁化率随应力增大呈线性减小的变化趋势。通过对含裂纹管道的磁记忆检测,验证了应力损伤磁记忆检测方法的理论分析正确性及工程应用有效性。     

拉伸变形过程中磁记忆效应及微观表征的试验研究

针对金属磁记忆技术在工程应用中磁信号的定量问题,从微观视角探索了宏观磁记忆信号与金相组织的关系。在Q235材料静载拉伸过程中不同变形阶段磁记忆信号特征分析的基础上,通过制备标准拉伸试样进行拉伸过程中磁记忆信号与微观金相组织的同期观测,研究了宏观上磁记忆信号特征和微观、细观层面上的金相表征之间的对应关系。结果表明：金属材料内部的磁场分布变化与应变变化有关,金属材料内部磁场信号随着变形不均匀而产生磁场分布不均匀的变化。     

Characteristics of metal magnetic memory signals of different steels under static tension

To study the characteristics of metal magnetic memory (MMM) signals of different steels during tensile test, static tension tests were applied to 30 pieces of Q235 and 16MnR base metal and welded specimens. During the various deformation periods, MMM signals are tested, and micrometallographic is observed. Furthermore, the derivative of magnetic intensity (dH_p/dx) is analyzed by mathematical and statistical methods to study the macro and micro corresponding relationships and difference among magnetic signals. Results show that despite the different magnetic intensity (H_p) curves of different materials, their dH_p/dx patterns in the yielding and necking stages are the same; welded specimens have the similar magnetic signal curves with their base metal, and the welded structure does not interfere with its H_p distribution; different materials have their unique zero point (H_p＝0) before being fractured, which is independent of the fracture location; there is a direct relationship between the intragranular slip and the changes of magnetic signals, which indicates the uneven plastic deformation.     

拉伸及疲劳载荷对低碳钢磁记忆信号的影响

为探索金属磁记忆现象的物理本质,深入研究载荷对磁记忆检测信号的影响,在MTS810型液压伺服试验机上对低碳钢板状试件分别施加静载拉伸载荷及拉-拉疲劳载荷,采用EMS-2003型金属磁记忆与涡流诊断仪检测加载过程中磁记忆信号的变化。结果表明:施加载荷前试件表面的初始磁状态不同;加载过程中两种加载方式均使磁记忆信号曲线由初始的随机分布转变为较有规律分布,静载拉伸试件弹性变形阶段与塑性变形阶段的磁信号曲线具有明显差异,疲劳试验不同循环周次下磁信号曲线相似;断裂瞬间断口处磁信号激变,两端极性相反;疲劳加载过程中过零点由初始磁状态的随机位置逐渐漂移集中在断口处。