【摘要】：鋼鐵等鐵磁性金屬材料廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)中,尤其是在石油化工、航天航空、鐵路建筑等領(lǐng)域中。金屬構(gòu)件在長期服役過程中,由于受到疲勞載荷的作用,其金屬材料會經(jīng)歷彈性形變、屈服、塑性形變這一過程,最終導(dǎo)致裂紋缺陷的產(chǎn)生,造成鐵磁性金屬構(gòu)件失效。塑性形變作為裂紋缺陷產(chǎn)生的早期形式,對于構(gòu)件的塑性形變區(qū)進行有效的檢測,可避免大型突發(fā)性事故的發(fā)生。金屬磁記憶檢測技術(shù)作為21世紀(jì)最有應(yīng)用前景的新型無損檢測技術(shù)之一,可對金屬構(gòu)件的應(yīng)力和形變集中區(qū)進行快速、有效的檢測。目前,此技術(shù)已成功應(yīng)用于管道、鍋爐及鐵軌應(yīng)力檢測等領(lǐng)域。但由于磁力學(xué)效應(yīng)影響復(fù)雜,磁記憶信號極易受到金屬構(gòu)件本身的參數(shù)、外界環(huán)境等因素的干擾,因此在應(yīng)力集中達到臨界屈服點前后時的磁記憶信號特征尚不明確,進而無法準(zhǔn)確評估及預(yù)測鐵磁性金屬構(gòu)件的使用壽命。本文從固體能帶理論出發(fā),建立了鐵磁晶體的磁力學(xué)耦合模型,從微觀上研究了鐵磁晶體在應(yīng)力集中達到臨界屈服點前后時的晶體結(jié)構(gòu)與磁記憶信號特征,并系統(tǒng)分析了磁記憶現(xiàn)象機理。采用基于密度泛函理論的第一性原理方法計算了體系的晶格結(jié)構(gòu)、原子磁矩、電子自旋態(tài)密度、差分電荷密度、能帶結(jié)構(gòu)等隨應(yīng)力的變化情況,并計算得到Fe晶體發(fā)生從bcc結(jié)構(gòu)向hcp結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的臨界應(yīng)力值。理論研究結(jié)果表明:晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受內(nèi)部原子間的結(jié)合力影響,當(dāng)應(yīng)力不斷增加時,原子間結(jié)合力減弱,晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變?nèi)?當(dāng)應(yīng)力集中達到一定程度時,Fe晶體將發(fā)生相變,發(fā)生相變的臨界應(yīng)力值約為10.5GPa,晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,體系磁特性將發(fā)生突變。為驗證理論研究結(jié)果,本文設(shè)計了鋼管打壓試驗,利用高精度磁通門傳感器對磁記憶信號進行采集,測量了在不同壓力作用下、強磁磁化前后及不同提離值狀態(tài)下的磁記憶信號的變化情況;并進行了系統(tǒng)的實驗研究,定量分析了構(gòu)件屈服前后的磁記憶信號變化特征。試驗結(jié)果表明:磁記憶信號與應(yīng)力具有一一對應(yīng)關(guān)系;外界強磁場可以覆蓋磁記憶信號,但不會破壞磁記憶信號;提離值在一定范圍內(nèi)不會影響檢測結(jié)果;當(dāng)應(yīng)力集中程度達到材料的屈服強度時,磁記憶信號曲線出現(xiàn)拐點,曲線斜率發(fā)生改變。本文的理論研究結(jié)果與試驗結(jié)果具有很好的一致性。
[Abstract]:Ferromagnetic metal materials such as iron and steel are widely used in various industries, especially in petrochemical, aerospace, railway construction and other fields. During the long service of metal members, due to the effect of fatigue load, the metal materials will undergo the process of elastic deformation, yield and plastic deformation, which will eventually lead to the production of crack defects, resulting in the failure of ferromagnetic metal members. Plastic deformation, as an early form of crack defects, can effectively detect the plastic deformation zone of members and avoid the occurrence of large sudden accidents. As one of the most promising new nondestructive testing techniques in the 21st century, metal magnetic memory testing technology can be used to detect stress and deformation concentration areas of metal components quickly and effectively. At present, this technology has been successfully applied in the fields of pipeline, boiler and rail stress detection. However, because of the complex influence of magnetic force effect, the magnetic memory signal is easily disturbed by the parameters of the metal component itself and the external environment, so the characteristics of the magnetic memory signal before and after the stress concentration reach the critical yield point are not clear. Furthermore, the service life of ferromagnetic metal components can not be accurately evaluated and predicted. Based on the theory of solid energy band, the magnetic coupling model of ferromagnetic crystals is established. The crystal structure and magnetic memory signal characteristics of ferromagnetic crystals before and after the stress concentration reaches the critical yield point are studied microscopically. The mechanism of magnetic memory phenomenon is analyzed systematically. The changes of lattice structure, atomic magnetic moment, electron spin density, differential charge density and energy band structure with stress are calculated by using the first-principle method based on density functional theory. The critical stress values of Fe crystal transition from bcc structure to hcp structure are calculated. The theoretical results show that the stability of crystal structure is affected by the interatomic binding force. When the stress increases, the interatomic adhesion decreases and the stability of crystal structure weakens. When the stress concentration reaches a certain degree, the phase transition will take place in Fe crystal, the critical stress of phase transition is about 10.5 GPA, the crystal structure will change and the magnetic properties of the system will change. In order to verify the results of theoretical research, this paper designs the test of steel tube compression, uses high precision flux gate sensor to collect the magnetic memory signal, and measures the magnetic memory signal under different pressure. The changes of magnetic memory signals before and after magnetization and in different lifting states; A systematic experimental study was carried out to quantitatively analyze the variation characteristics of magnetic memory signals before and after yielding. The experimental results show that the magnetic memory signal has a one-to-one correspondence with the stress, the external strong magnetic field can cover the magnetic memory signal, but it will not destroy the magnetic memory signal, the lifting value will not affect the detection results in a certain range. When the stress concentration reaches the yield strength of the material, the curve of magnetic memory signal appears inflection point and the slope of the curve changes. The theoretical results of this paper are in good agreement with the experimental results.
【學(xué)位授予單位】：沈陽工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O469

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本文編號：2429576