專利名稱：一種鐵磁性材料裂紋預警檢測方法及儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于鐵磁性金屬材料的裂紋預警檢測和評估方法，尤其是能夠通 過測量鐵磁性材料的初始磁導率參量，實現(xiàn)材質(zhì)晶粒度和缺陷分布狀態(tài)的掃描檢測，從而 對潛在裂紋進行評估和預警的儀器。
背景技術(shù)：
鐵磁性金屬零部件的裂紋主要源于三個環(huán)節(jié)，即原材料裂紋、加工制造內(nèi)應力形 成的裂紋，使用過程中疲勞和過載形成的裂紋。前兩種情形的裂紋大多能夠通過完備的檢 測手段在加工制造環(huán)節(jié)及早發(fā)現(xiàn)和排除，通常不會對產(chǎn)品使用和設(shè)備運行帶來安全隱患， 第三種類型的裂紋山于其裂紋發(fā)生時間的不確定性和裂紋位置的不可知性通常具有很大 的危害性，需要在產(chǎn)品和設(shè)備使用過程中重點防范。裂紋的存在大大削弱了鐵磁性金屬材料和構(gòu)件的機械強度，并可能隨著外部負荷 的持續(xù)作用繼續(xù)擴張，最終導致零件失效，從而給機械設(shè)備和工程裝備的安全運行帶來隱 患。工業(yè)應用中，通常需要對成品零部件和在役零部件的狀態(tài)進行裂紋檢測以確保設(shè)備和 項目的安全運行。為了有效檢出裂紋缺陷，人們發(fā)明了基于不同原理的鐵磁性材料裂紋檢 測方法，主要包括射線檢測、超聲檢測、渦流檢測、聲發(fā)射檢測、漏磁和滲透檢測等。上述檢 測儀器和方法大多能夠?qū)﹁F磁性材料表面的宏觀裂紋進行有效檢測，并已成為工業(yè)領(lǐng)域的 常規(guī)技術(shù)手段，其共性的不足則在于此類儀器通常只能對已經(jīng)形成的裂紋進行檢測，對沒 有裂紋但有裂紋趨勢的組織缺陷如晶格扭曲、應力集中等材質(zhì)異常一般不能進行有效檢測 并給出預警信息。關(guān)鍵詞“裂紋預警”、“Crack warning instrument”在Google和百度中 的檢索表明，目前該方面的研究較為有限，且尚無有效的檢測儀器。實際應用中，由于外力、振動等外部載荷的作用，鐵磁性金屬零部件內(nèi)部一旦形成 裂紋，即有可能快速擴張，從而迅速降低材料強度，造成重大安全隱患，對于高鐵、飛機、風 電、壓力容器等重大產(chǎn)品、重大裝備和重大工程的在役關(guān)鍵零部件而言，及早發(fā)現(xiàn)和檢出潛 在裂紋意義尤為重大。本發(fā)明所提供的裂紋預警檢測方法和儀器能夠通過鐵磁性材料的初始磁導率與 金相組織之間的參數(shù)相關(guān)性，對鐵磁性金屬材料的晶粒度、晶格扭曲、應力等組織狀態(tài)分布 進行有效監(jiān)測，從而對潛在的裂紋趨勢進行評估和預警。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的針對現(xiàn)有鐵磁性金屬材料裂紋儀器只能對已經(jīng)形成的宏 觀裂紋缺陷進行檢測，不能對潛在的尚未形成裂紋但有裂紋趨勢的組織缺陷進行有效檢測 的難題，提供一種基于初始磁導率法的鐵磁性金屬材料裂紋預警檢測方法和儀器。該檢測 方法能夠通過鐵磁性材料的初始磁導率與金相組織之間的參數(shù)相關(guān)性，對鐵磁性金屬材料 的晶粒度、晶格扭曲、應力等組織狀態(tài)分布進行有效監(jiān)測，從而對潛在裂紋等組織異常進行 評估和預警。
技術(shù)方案本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是1)采用低頻螺線管式電磁檢測傳感器檢測鐵磁性材料的初始磁導率參數(shù)。實驗研 究表明，鐵磁性材料的初始磁導率參數(shù)與材料的成分、金相組織結(jié)構(gòu)、裂紋缺陷等呈直接相 關(guān)特性。初始磁導率是磁場強度趨向為零時的磁導率，是B、H在零點處的曲線斜率。選擇 初始磁導率的意義在于磁感應強度處于基本磁化曲線的線性區(qū)，不會產(chǎn)生剩磁。2)通過運動機構(gòu)驅(qū)動垂直于鐵磁性材料表面的筆式螺線管探頭以一定速度沿鐵 磁性材料表面進行掃描檢測，并記錄掃描檢測得到的數(shù)據(jù)。3)將上述初始磁導率參數(shù)相關(guān)的掃描檢測數(shù)據(jù)進行二維或三維可視化處理，得到 鐵磁性材料表面的金相組織狀態(tài)分布圖，通過視覺直觀判斷材質(zhì)初始磁導率參數(shù)明顯偏高 或偏低的位置，并依據(jù)初始磁導率參數(shù)曲線的曲率變化情況提出潛在裂紋預警。4)對掃描檢測得到的數(shù)據(jù)進行處理，按“均值+標準差”、“均值-標準差”確定分 割閾值，對[“均值+標準差”，“均值-標準差”]區(qū)間外的區(qū)域提出材質(zhì)異常預警，以警示 重點監(jiān)測潛在裂紋的可能。5)將掃描檢測得到的數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進行比較，并計算當前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)之 間的相關(guān)系數(shù)。如果某位置區(qū)域的當前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)小于某一特定值 ^ (0 ^ ^ ^ 1)，則表明當前位置處的材料材質(zhì)出現(xiàn)異常，應對該區(qū)域重點監(jiān)測，防范可能 的潛在裂紋。6)根據(jù)實際情況綜合上述3、4、5中2個以上的分析結(jié)果，做出綜合的潛在裂紋預
m 目。有益效果本發(fā)明鐵磁性材料裂紋預警檢測方法和儀器可以很好地克服現(xiàn)有裂紋 監(jiān)測儀器在實際使用中只能檢測宏觀裂紋缺陷，不能對潛在的尚未形成裂紋但有裂紋趨勢 的組織缺陷進行有效檢測的難題，提供一種基于初始磁導率法的鐵磁性金屬材料裂紋預警 檢測方法和儀器。該檢測方法能夠通過鐵磁性材料的初始磁導率與金相組織之間的參數(shù)相 關(guān)性，對鐵磁性金屬材料的晶粒度、晶格扭曲、應力等組織狀態(tài)分布進行有效監(jiān)測，從而對 潛在裂紋等組織異常進行評估和預警。該方法不損傷工件，沒有剩磁，并具有對零部件表面 要求不高的優(yōu)點。本發(fā)明為原創(chuàng)性、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的檢測方法和創(chuàng)新產(chǎn)品，可廣泛應用于金屬 材料加工企業(yè)，特別是高鐵、飛機、重大工程、重大裝備等領(lǐng)域關(guān)鍵零部件的在役檢測與壽 命評估，具有廣闊的市場前景，社會效益和經(jīng)濟效益顯著。


圖1是本發(fā)明裂紋預警檢測儀器的原理框圖。其中，有微處理器1、勵磁模塊2、筆 式探頭3、信號處理4及數(shù)據(jù)采集5。圖2是本發(fā)明裂紋預警檢測儀器的筆式探頭結(jié)構(gòu)圖。其中，有探頭殼體6、鐵磁性 材料7、探頭支架8、滾輪9、探頭引線10、鐵氧體磁芯11、勵磁線圈12、次級線圈13、滾輪支 架14。圖3是本發(fā)明無潛在裂紋趨勢的鐵磁性材料檢測結(jié)果示意圖。圖4是本發(fā)明存在潛在裂紋趨勢的鐵磁性材料檢測結(jié)果示意圖。圖中有均值線 15、“均值-標準差”線16及“均值+標準差”線17。
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圖5是本發(fā)明無材質(zhì)異常的鐵磁性材料平面掃描檢測結(jié)果示意圖。圖6是本發(fā)明存在材質(zhì)異常的鐵磁性材料平面掃描檢測結(jié)果示意圖。圖中有材質(zhì) 異常區(qū)域18。圖7是本發(fā)明存在潛在裂紋的鐵磁性材料平面掃描檢測結(jié)果示意圖。圖中有材質(zhì) 異常區(qū)域19。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進一步說明。圖1是本發(fā)明裂紋預警檢測儀器的原理框圖。其中，有微處理器1、勵磁模塊2、筆 式探頭3、信號處理4及數(shù)據(jù)采集5。微處理器1與勵磁模塊2相連，勵磁模塊2與筆式探 頭3相連、筆式探頭3與信號處理4相連，信號處理4與數(shù)據(jù)采集5相連，數(shù)據(jù)采集5與微 處理器1相連。圖中，微處理器1是儀器的控制中心和數(shù)據(jù)處理中心，微處理器1通過勵磁 模塊2產(chǎn)生驅(qū)動筆式探頭3中勵磁線圈工作的勵磁電流，當筆式探頭置于鐵磁性材料表面 時，筆式探頭3中的次級線圈通過電磁耦合產(chǎn)生與鐵磁性材料初始磁導率相關(guān)的感生電動 勢，感生電動勢經(jīng)信號處理4調(diào)理后，送至數(shù)據(jù)采集5，最后被微處理器1讀取。操控筆式探 頭沿鐵磁性材料表面以一定速度勻速移動，微處理器1將能夠采集到一系列連續(xù)的隨位置 而變化的與鐵磁性材料初始磁導率參數(shù)直接相關(guān)的數(shù)據(jù)。圖2是本發(fā)明裂紋預警檢測儀器的筆式探頭結(jié)構(gòu)圖。其中，有探頭殼體6、鐵磁性 材料7、探頭支架8、滾輪9、探頭引線10、鐵氧體磁芯11、勵磁線圈12、次級線圈13、滾輪支 架14。圖中，探頭殼體6內(nèi)有探頭引線10、鐵氧體磁芯11、勵磁線圈12和次級線圈13，探 頭殼體6通過剛性連接固定在探頭支架8的中心，探頭支架8通過兩側(cè)的滾輪支架14與滾 輪9連接成整體，在滾輪支架14和滾輪9的支撐下，探頭殼體6與下方的鐵磁性材料7之 間保持0. 5mm左右的恒定間隙。圖3是本發(fā)明無潛在裂紋趨勢的鐵磁性材料檢測結(jié)果示意圖。如果鐵磁性材料7 中無裂紋且無潛在裂紋趨勢，當筆式探頭從該表面執(zhí)行單次單向掃描檢測時，所得到的初 始磁導率參數(shù)相關(guān)的檢測數(shù)據(jù)大小相對穩(wěn)定，數(shù)據(jù)波動呈隨機分布，無明顯的突然增大或 減小。圖4是本發(fā)明存在潛在裂紋趨勢的鐵磁性材料檢測結(jié)果示意圖。圖中有均值線 15、“均值-標準差”線16及“均值+標準差”線17。如果鐵磁性材料7中存在裂紋或存在 潛在裂紋趨勢，當筆式探頭從該表面執(zhí)行單次單向掃描檢測時，所得到的初始磁導率參數(shù) 相關(guān)的檢測數(shù)據(jù)將出現(xiàn)較大波動，反應在初始磁導率參數(shù)曲線上數(shù)據(jù)的明顯增大或減小。 為有效發(fā)現(xiàn)該材質(zhì)異常，分別計算檢測數(shù)據(jù)的均值和標準差，并設(shè)立“均值_標準差”線16 和“均值+標準差”線17兩條控制線，當散落于[“均值_標準差”，“均值+標準差”]區(qū)間 外的數(shù)據(jù)在某位置處成片大量出現(xiàn)時，則認為該位置所在區(qū)域存在材質(zhì)異常，并懷疑裂紋 或存在潛在裂紋趨勢。也可以將圖4掃描檢測得到的數(shù)據(jù)和圖3的歷史數(shù)據(jù)進行比較，計算當前數(shù)據(jù)和 歷史數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)，并將其與特征值0 (0 ≤ β ≤1)進行比較，0為實驗得到的經(jīng) 驗值，隨鐵磁性材料的材質(zhì)和形狀的不同而有所差異。如果某位置區(qū)域的當前數(shù)據(jù)和歷史 數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)小于0，則表明當前位置處的材料材質(zhì)出現(xiàn)異常，并懷疑裂紋或存在潛在裂紋趨勢，應對該區(qū)域重點監(jiān)測。圖5是本發(fā)明無材質(zhì)異常的鐵磁性材料平面掃描檢測結(jié)果示意圖。如果鐵磁性材 料7中無裂紋且無潛在裂紋趨勢，當筆式探頭從該表面執(zhí)行多次單向平面掃描檢測時，所 得到的初始磁導率參數(shù)相關(guān)的檢測數(shù)據(jù)大小相對穩(wěn)定，數(shù)據(jù)波動呈隨機分布，無明顯的突 然增大或減小。圖6是本發(fā)明存在材質(zhì)異常的鐵磁性材料平面掃描檢測結(jié)果示意圖。圖中有材質(zhì) 異常區(qū)域18。如果鐵磁性材料7中存在材質(zhì)異常，當筆式探頭從該表面執(zhí)行多次單向平面 掃描檢測時，所得到的初始磁導率參數(shù)相關(guān)的檢測數(shù)據(jù)將出現(xiàn)較大波動，反應在初始磁導 率參數(shù)明顯的漸變增大或漸變減小，以及初始磁導率參數(shù)曲面上的點狀凸起。圖7是本發(fā)明存在潛在裂紋的鐵磁性材料平面掃描檢測結(jié)果示意圖。圖中有材質(zhì) 異常區(qū)域19。如果鐵磁性材料7中存在裂紋或潛在裂紋趨勢，當筆式探頭從該表面執(zhí)行多 次單向平面掃描檢測時，所得到的初始磁導率參數(shù)相關(guān)的檢測數(shù)據(jù)將出現(xiàn)較大波動，反應 在初始磁導率參數(shù)明顯的漸變增大或漸變減小，以及初始磁導率參數(shù)曲面上的條狀凸起。分別計算平面掃描檢測得到的二維數(shù)據(jù)的均值和標準差，并設(shè)立“均值_標準差” 線和“均值+標準差”線控制線，當散落于[“均值-標準差”，“均值+標準差”]區(qū)間外的 數(shù)據(jù)在某位置處成片大量出現(xiàn)時，則認為該位置所在區(qū)域存在材質(zhì)異常，并懷疑裂紋或存 在潛在裂紋趨勢。也可以將圖6、圖7平面掃描檢測得到的二維數(shù)據(jù)和圖5的歷史數(shù)據(jù)進行比較，計 算當前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)，并將其與特征值0 (0 < 0 < 1)進行比較，如果 某位置區(qū)域的當前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)小于0，則表明當前位置區(qū)域的材料材 質(zhì)出現(xiàn)異常，并懷疑裂紋或存在潛在裂紋趨勢。實際應用中，可將檢測結(jié)果的一維或二維數(shù)據(jù)形態(tài)、均值_標準差檢測及相關(guān)檢 測結(jié)果綜合在一起進行裂紋預警檢測判斷，以減少誤判。本發(fā)明為原創(chuàng)性、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新產(chǎn)品。本發(fā)明所提供的裂紋預警檢測 方法和儀器能夠較好應用于鐵磁性材料存在裂紋及潛在裂紋趨勢時的裂紋檢測和裂紋預 警?？蓮V泛應用于金屬材料加工企業(yè)，特別是高鐵、飛機、重大工程、重大裝備等領(lǐng)域關(guān)鍵零 部件的在役檢測與壽命評估，具有廣闊的市場前景，社會效益和經(jīng)濟效益顯著。
權(quán)利要求
一種鐵磁性材料裂紋預警檢測方法及儀器，其特征在于該儀器包括微處理器1、勵磁模塊2、筆式探頭3、信號處理4及數(shù)據(jù)采集5。其中，微處理器1與勵磁模塊2相連，勵磁模塊2與筆式探頭3相連、筆式探頭3與信號處理4相連，信號處理4與數(shù)據(jù)采集5相連，數(shù)據(jù)采集5與微處理器1相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鐵磁性材料裂紋預警檢測方法及儀器，其特征在于筆式 探頭3由探頭殼體6、鐵磁性材料7、探頭支架8、滾輪9、探頭引線10、鐵氧體磁芯11、勵磁線 圈12、次級線圈13、滾輪支架14構(gòu)成。其中，探頭殼體6內(nèi)有探頭引線10、鐵氧體磁芯11、 勵磁線圈12和次級線圈13，探頭殼體6通過剛性連接固定在探頭支架8的中心，探頭支架 8通過兩側(cè)的滾輪支架14與滾輪9連接成整體，在滾輪支架14和滾輪9的支撐下，探頭殼 體6與下方的鐵磁性材料7之間保持0. 5mm左右的恒定間隙。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鐵磁性材料裂紋預警檢測方法及儀器，其特征在于通過 檢測初始磁導率參數(shù)的波動監(jiān)測鐵磁性材料的材質(zhì)異常，并據(jù)此判斷鐵磁性材料中是否存 在裂紋或潛在裂紋趨勢。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鐵磁性材料裂紋預警檢測方法及儀器，其特征在于分別 計算檢測數(shù)據(jù)的均值和標準差，并設(shè)立“均值_標準差”線16和“均值+標準差”線17兩 條控制線，當散落于[“均值-標準差”，“均值+標準差”]區(qū)間外的數(shù)據(jù)在某位置處成片大 量出現(xiàn)時，則認為該位置所在區(qū)域存在材質(zhì)異常，并據(jù)此懷疑裂紋或存在潛在裂紋趨勢。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鐵磁性材料裂紋預警檢測方法及儀器，其特征在 于將掃描檢測得到的當前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進行比較，并計算當前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)之間 的相關(guān)系數(shù)，如果某位置區(qū)域的當前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)小于某一特征值 3 (0^ 0 <1)，則據(jù)此認為當前位置處的材料材質(zhì)出現(xiàn)異常，并懷疑裂紋或存在潛在裂紋 趨勢。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鐵磁性材料裂紋預警檢測方法及儀器，其特征在于當筆 式探頭在鐵磁性材料表面執(zhí)行多次單向平面掃描檢測，所得到的初始磁導率參數(shù)出現(xiàn)較大 波動，反應在初始磁導率參數(shù)明顯的漸變增大或漸變減小，以及初始磁導率參數(shù)曲面上的 點狀凸起時，則認為鐵磁性材料中存在材質(zhì)異常。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鐵磁性材料裂紋預警檢測方法及儀器，其特征在于當筆 式探頭在鐵磁性材料表面執(zhí)行多次單向平面掃描檢測，所得到的初始磁導率參數(shù)相關(guān)的檢 測數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大波動，反應在初始磁導率參數(shù)明顯的漸變增大或漸變減小，以及初始磁導 率參數(shù)曲面上的條狀凸起時，則認為鐵磁性材料中存在裂紋或潛在裂紋趨勢等材質(zhì)異常。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鐵磁性材料裂紋預警檢測方法及儀器，其特征在于將檢 測結(jié)果的一維或二維數(shù)據(jù)形態(tài)、均值_標準差檢測及相關(guān)檢測結(jié)果綜合在一起進行裂紋預 警檢測判斷，以減少誤判。
全文摘要
本發(fā)明為一種用于鐵磁性材料質(zhì)量監(jiān)測的裂紋檢測預警方法及儀器。該儀器包括微處理器1、勵磁模塊2、筆式探頭3、信號處理4及數(shù)據(jù)采集5。其中，筆式探頭包括探頭殼體6、鐵磁性材料7、探頭支架8、滾輪9、探頭引線10、鐵氧體磁芯11、勵磁線圈12、次級線圈13、滾輪支架14。其特征在于通過檢測初始磁導率參數(shù)的波動監(jiān)測鐵磁性材料的材質(zhì)異常，并據(jù)此判斷裂紋或潛在裂紋趨勢的可能性，當檢測結(jié)果的一維或二維數(shù)據(jù)形態(tài)出現(xiàn)凸起、散落于[“均值-標準差”，“均值+標準差”]區(qū)間外的數(shù)據(jù)在某位置處成片大量出現(xiàn)，以及某位置區(qū)域的當前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)小于某一特征值β(0≤β≤1)時，則認為該位置所在區(qū)域存在材質(zhì)異常，并據(jù)此懷疑裂紋或存在潛在裂紋趨勢。
文檔編號G01N27/82GK101858887SQ20101017231
公開日2010年10月13日 申請日期2010年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月14日
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