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。     

基于LAPW算法磁记忆信号相变特性的研究

当应力达到临界屈服点时,铁磁性金属构件将产生塑性形变,造成重大的安全隐患。金属磁记忆检测技术可以快速、有效地检测出应力集中区域,但是,目前尚无有效的方法对临界屈服点处的磁记忆信号特征进行定量化分析。采用基于密度泛函理论的线性缀加平面波法(LAPW),建立了磁力学耦合模型,分析了临界屈服点的磁记忆信号特征,计算了弹性形变和塑性形变范围内,体系的差分电荷密度、原子磁矩、晶格结构随应力的变化关系。研究结果表明:随着应力的增加,固体中原子之间的结合力逐渐减弱,晶格结构的稳定性变差;当应力达到临界屈服点时,固体发生相变,磁记忆信号产生突变,磁记忆效应减弱。理论计算结果与实验结果具有很好的一致性。     

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.     

激励磁场对力磁耦合作用的强化机制研究

力磁耦合作用是金属磁记忆检测等电磁无损检测技术的基础。为了探明外加激励磁场在不同应力水平下对力磁耦合作用的影响机制,从磁导率与应力及环境磁场变化关系的角度,在理论上计算了外加激励磁场下力磁耦合作用下与力和磁单独作用下的表面磁场强度之差ΔH,并推导出该差值随着拉应力的增大而增大的结论。用预制缺陷的45钢试样进行对照试验,发现激励磁场对力磁耦合作用的影响ΔH是随着应力的增大而呈类似指数形式递增的。经设计的正交试验验证,激励磁场与应力对磁信号的交互耦合作用显著,且在受力过程中激励磁场对信号的作用水平最大,这与理论分析结果吻合。说明外加激励磁场对力磁耦合作用起到了一定的强化作用。     

基于力磁耦合型的管道电磁应力检测解析模型研究

针对管道应力检测和定量化研究,提出一种基于电磁检测原理的管道应力检测方法。本文以J-A模型为基础,采用分子电流理论建立了管道力磁耦合模型,结合非磁滞条件下铁磁材料磁化曲线,利用管道力磁耦合模型解析计算了磁化方向上外磁场和应力对管壁表面磁场的影响规律,并进行了系统性实验研究。研究结果表明,随应力强度的增加,磁化方向上管道电磁应力检测信号呈现先增大后减小的变化趋势(变化方向翻转),翻转点前后均呈线性关系,但磁场信号变化速率改变,磁力学敏感度发生变化;随着外磁场的增加,在磁化曲线处于磁饱和(磁场强度大于20 KA/m)时,应力对铁磁材料磁化强度影响较小,磁场强度约为5 000 A/m时,应力对磁化强度影响较为显著。     

金属管道裂纹的磁记忆检测研究

提出采用裂纹区的应力场和应力-磁场理论来解释磁记忆检测原理,并通过采用磁偶极子模型来实现裂纹长度的定量化研究;对各种不同管道裂纹进行磁记忆检测,再对其磁记忆信号特征进行分析、研究。检测分析结果表明:裂纹尖端处应力集中且磁场出现最大值,磁场强度的法向分量也达最大值;而在裂纹中部附近,磁场强度的切向分量出现最大值,法向分量具有过零点特征。裂纹长度与磁记忆切向分量信号梯度峰值之间的距离和法向分量信号的波峰和波谷之间的距离近似成正比例关系。根据这一现象,给出了一个具有较好计算精度的确定裂纹长度的计算表达式,并用实验结果进行了验证。     

压力对管道缺陷磁记忆信号的影响分析

为了分析利用磁记忆检测技术进行管道在线内检测的可行性,需要分析压力对管道缺陷磁记忆信号的影响。在J-A力磁耦合模型基础上得出相对磁导率与应力的数值关系,在Ansys软件中导入相对磁导率与应力的关系进行力学与静磁学联合仿真。研究结果表明:缺陷磁记忆信号有两个特点——径向磁场产生最小值到最大值的突变,轴向磁场出现最大值。在压力作用下管道内部背景磁场减小,缺陷磁记忆信号随着压力增大先减小后保持不变,可以利用磁记忆检测技术进行管道在线内检测。     

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。     

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。     

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。     

基于双磁场管道复合型缺陷应力信号提取方法研究

缺陷和应力共同存在的复合型缺陷是影响管道安全运行的重要因素之一。双磁场管道内检测法可用于复合型缺陷处应力损伤程度判断,但应力信号提取方法亟待解决。本文将J-A理论中的磁力学关系引入磁荷模型中,解析计算了不同应力、外磁场下复合型缺陷磁信号,建立基于双磁场信号比值的复合型缺陷应力信号提取模型,提出比值因子用于缺陷处应力水平的评估,并进行了系统的实验验证。研究结果表明,强磁信号对缺陷处应力大小不敏感,信号主要包括缺陷尺寸信息;弱磁信号对缺陷处应力大小敏感,信号包括缺陷尺寸信息和缺陷处应力信息。提出的比值因子可反映缺陷处应力情况,弱磁场强度较低时,比值因子随缺陷处应力的平均变化率大于9%,随着弱磁场强度的增加,比值因子随应力变化幅度变小。     

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。     

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。     

高速漏磁检测饱和场建立过程及影响因素研究

在高速漏磁检测过程中,随着检测速度增加,有效磁化时间减少,导致被测构件饱和场无法建立,影响磁化效果。采用方波激励模拟外磁场瞬变情况,建立瞬磁场作用下钢管内部磁场响应模型,对钢管内部饱和场建立过程及影响因素进行研究;分析高速漏磁检测时缺陷漏磁场特征,利用有限元方法计算磁场强度和钢管材质对磁化滞后时间及缺陷检测的影响;设计高速漏磁检测实验平台,对不同运行速度和不同外磁场强度下钢管缺陷进行实验研究。结果表明,外磁场瞬变时,钢管内壁中心磁场明显滞后于外磁场,钢管内部饱和场建立时间与磁场强度和材料电导率有关,提高外磁场强度,可快速建立饱和场,减弱磁化滞后时间和涡流效应影响,提升缺陷检测效果和漏磁检测速度,实验结果和理论分析具有很好的一致性。