最新整理应力集中和腐蚀检测实习说课材料Word格式.docx

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例如，机械法对被检测对象有破坏，只能逐点测量，精度受应变片栅长限制；

多点测量时，需反复安装应变片，多次调整检测电路；

光测法对光学元件及光路调整要求较高，对被测件表面质量要求也很高，并且受检测设备的限制，许多工业结构无法安装光路；

对于内部结构不均匀的构件，制造模型困难，难以应用光测方法分析应力。

因此，目前这些较为成熟的应力定量检测方法都很难适应现代化工业生产的要求，在应用中可将光测法与机械法相结合，可显著提高应力测量精度。

衍射法能对应力进行准确的定量检测，但仪器较大且设备昂贵，不适合现场复杂条件下的应力检测。

超声波法和纳米压痕法因其操作的简便性，而具有广阔的应用前景，但超声波法只能测试一定距离内的平均应力，无法对单点做定量检测，纳米压痕法的理论模型尚不成熟，还有待做进一步的实验研究。

在工业生产检验中，目前应用最广泛的无损检测的方法主要有涡流检测法、液体渗透法、磁粉检测法、射线检测法和超声波检测法,它们被称作为五大常规无损检测方法。

这些传统的检测方法技术成熟,在质量控制、安全保障、事故预防等方面发挥了重要作用,但仍存在以下一些不足之处:

（1）均是寻找已经存在的缺陷,不能发现和预测将要发生缺陷的部位,无法解决设备突发性破坏问题；

（2）需要对被检对象表面进行清理和一些预处理；

（3）一般需要被检测对象停止工作；

（4）检测易受工件形状、结构和检测人员技术水平等因素的制约,检测结果的可靠性受到影响；

（5）检测效率低。

设备的零部件和金属构件发生损坏的主要原因是各种微观和宏观机械应力集中。

在应力集中区域,疲劳、腐蚀和蠕变过程的发展尤为剧烈。

因此,有效地评价应力变形状况,特别是导致损伤的临界应力变形状况便成为评价设备和结构强度与可靠性的一个重要依据。

为了及时准确地找出最大机械应力变形区域,就必须开发新的无损检测方法。

上世纪九十年代后期,以杜波夫为代表的俄罗斯学者率先提出了一种崭新的金属无损诊断方法一一金属磁记忆检测技术。

该方法的原理是基于铁制工件在运行时,

受工作载荷和地球磁场的共同作用,在应力和变形集中区域内会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向和不可逆的重新取向,而且这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后不仅会保留,还与最大作用应力有关系。

金属磁记忆检测技术作为一种新兴的检测手段,与其它传统的检测方法相比,有着其自身所特有的一些优点,弥补了传统无损检测方法的一些不足:

（1）可准确可靠地探测出被检对象上以应力集中区为特征的危险部件和部位,是迄今为止对金属部件进行早期诊断的唯一行之有效的无损检测方法；

（2）不需要专门的磁化设备,而是利用地磁场这一天然磁场源对工件进行磁化,从而能对铁制工件进行可靠的检测；

（3）不需要对被检工件的表面进行清理或其他预处理,对工件表面的检测可在线进行；

（4）检测重复性和可靠性好；

（5）能实现快速检测,提高了检测效率。

金属磁记忆检测技术为无损检测领域提供了一种崭新的无损探伤手段,有着很高的实用价值和广阔的发展前景,在其检测原理和诊断方法方面还有很多工作需要作进一步的探索和完善。

4磁记忆应力集中测试原理与仪器

4.1磁记忆效应

机械零部件和金属构件发生损坏的一个重要原因,是各种微观和宏观机械应力集中,在零部件的应力集中区域,腐蚀、疲劳和蠕变过程的发展最为激烈。

机械应力与铁磁材料的自磁化现象和残磁状况有直接的联系,在地磁作用的条件下,用铁磁材料制成的机械零件的缺陷或应力集中处会产生磁导率减小,工件表面的漏磁场增大的现象,铁磁性材料这一特性称为磁机械效应。

磁机械效应的存在使铁磁性金属工件的表面磁场增强,同时,这—增强了的磁场“记忆”着部件的缺陷或应力集中的位置,这就是所谓的磁记忆效应

4.2磁记忆检测原理

根据“能量最小原理”，铁磁体在外应力作用下为了保持自身能量体系最低，其内部必然会发生磁致伸缩性质的磁畴转动，从而改变其自发磁化方向，增加磁弹性能来抵消应力能的增加。

但是由于金属内部存在内耗效应（粘弹性，位错内耗等），使得外应力消除后，加载时形成的应力集中区得以保留，且具有很高的应力能，此时磁畴的重新取向会保留下来，在表面形成畸变的漏磁场。

当构件被施加拉应力时，应力集中部位产生的漏磁场可以用带磁偶极子产生的漏磁场等效。

在应力集中部位漏磁场发生畸变，磁记忆信号表现为漏磁场水平分量Hpx具有最大值，法向分量值Hpy改变符号并过零点，其原理如图1所示，因此可以利用应力集中区域磁记忆信号的这一特点诊断构件内部以应力集中为特点的早期损伤。

4.2磁记忆应力集中测试的仪器构造

振动法测量法向磁场梯度。

4.2.1压电双晶片探头

最早的压电材料是压电单晶体，压电陶瓷直到19世纪40年代才发现，但由于性能优良，制作方便，价格便宜等，发展十分迅速。

压电陶瓷的研究和应用以逆压电效应为主（在电介质的极化方向上施加电场，会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失。

这种将电能转化换为机械能的现象，就称为“逆压电效应”）。

压电双晶片的基片上下表面都粘有压电陶瓷片，当在电极施加电压时，利用逆压电效应，两片压电陶瓷片的作用相反，一片伸长时，另一片缩短，使整个结构发生弯曲变形。

压电双晶片采用悬臂梁支撑方式，一端固定，另一端为自由端。

当施加交流电压时，压电双晶片就会发生与驱动电压频率同频率的振动，如图二所示。

给压电双晶片加上高压正弦驱动信号，自由端的位移就随电压的变化而变化。

将霍尔传感器粘贴到自由端并弯曲90°

，使检测时，霍尔传感器的半导体薄片平面与试件表面平行。

当压电双晶片振动时，实现扫描法测量磁场，如图3所示。

4.2.2霍尔传感器

根据本课题的要求，待测磁记忆信号是弱磁信号，并且传感器是要固定在压电双晶片的自由端，所以选用的传感器必须符合体积小、成本低、灵敏度高等条件。

比较三种常见的磁传感器：

线圈、霍尔传感器、巨磁阻传感器。

线圈感知的是磁场变化率，其测量结果与检测速度直接相关；

霍尔传感器与巨磁阻传感器相比，其测量范围较宽，但其频率响应带宽较窄，功耗也较大。

巨磁阻传感器虽然具有较小的测量噪声，但无法测量磁场的方向。

霍尔传感器的原理是霍尔效应。

如图4所示的金属或半导体薄片，若在它的两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场。

那么，在垂直于电流和磁场的方向上（即霍尔输出端之间）将产生电动势Uh（霍尔电势或称霍尔电压），这种现象叫霍尔效应。

基于以上原理，便可以找出具体的应力集中部位，对于所获得的信息进行进一步的处理，就可以定量的分析应力集中部位的具体问题了。

如图5所示为金属磁记忆检测仪的原理框图。

主要包括带屏蔽外壳的振动扫描探头、正弦波参考信号发生电路、压电双晶片驱动电路、电源电路、检测信号预处理电路、正交矢量锁相放大电路、微处理器接口转换电路以及以ARM微处理器为核心的硬件电路等。

信号发生器产生峰峰值为2V的正弦波信号，经过升压驱动电路后产生可以驱动探头振动的信号。

传感器采集到的磁记忆信号首先经过预处理电路，再通过两路相敏检波电路和电平转化电路送入到微处理器接口并可将数据传输到PC机处理。

磁记忆应力集中检测仪的硬件电路如图所示：

5测试方法创新

由于当构件被施加拉应力时，应力集中部位产生的漏磁场可以用带磁偶极子产生的漏磁场等效，所以对于应力集中的问题也就变成了一个检测漏磁场的问题。

5.1磁场线圈方法

如上式可知只要人为控制好线圈匝数，线圈面积，线圈旋转速度便可以通过所产生的电动势的变化探知到漏磁场的变化，但是此方法只能探测到漏磁场水平方向和竖直方向上的磁场变化，需要进一步数理分析才能确定应力集中的位置并可进一步分析出应力集中水平。

5.2磁场传感器方法

Hall效应磁场传感器

此方式与第四节所用的霍尔元器件非常相似，也都是检测霍尔元器件产生的电压，区别只是在霍尔元器件另两侧施加电场。

如今，以此种方式制造的集中应力检测器已经实现了商品化。

除此之外，还有多种元器件可以感知漏磁场的变化，探测数据经过处理，只要能分析出磁场方向的改变，都可以分析出集中应力情况。

6测试结果分析

图9：

应力集中测试试样：

剪刀

图10：

应力集中测试试样与测试结果

如图所示，我使用软件用的是2通道，0.4的采样频率，曲线图，采集路径是从左到右，可以看到，刚开始时应力集中很平稳，值较小，这是因为这一段金属是一段无曲折的钢板。

随后有一段应力变化跟波动都非常大的地方，是因为剪刀的两个剪片重合了，其后，由于刀锋开刃，应力集中更加明显。

7应力集中测试探头设计

腐蚀检测

1腐蚀的概念

金属在腐蚀过程中所发生的化学变化，从根本上来说就是金属单质被氧化形成化

合物。

这种腐蚀过程一般通过两种途径进行：

化学腐蚀和电化学腐蚀。

化学腐蚀：

金属表面与周围介质直接发生化学反应而引起的腐蚀。

电化学腐蚀：

金属材料（合金或不纯的金属）与电解质溶液接触,通过电极反应产生的腐蚀。

金属材料腐蚀的情况多种多样，常分为以下几类：

（1）点蚀，点蚀又称坑蚀和小孔腐蚀。

点蚀有大有小，一般情况下，点蚀的深度要比其直径大的多。

点蚀经常发生在表面有钝化膜或保护膜的金属上。

由于金属材料中存在缺陷、杂质和溶质等的不均一性，当介质中含有某些活性阴离子（如Cl－）时，这些活性阴离子首先被吸附在金属表面某些点上，从而使金属表面钝化膜发生破坏。

一旦这层钝化膜被破坏又缺乏自钝化能力时，金属表面就发生腐蚀。

（2）缝隙腐蚀，在电解液中，金属与金属或金属与非金属表面之间构成狭窄的

缝隙，缝隙内有关物质的移动受到了阻滞，形成浓差电池，从而产生局部腐蚀，这种腐蚀被称为缝隙腐蚀。

（3）腐蚀开裂，应力腐蚀材料在特定的腐蚀介质中和在静拉伸应力（包括外加载荷、热应力、冷加工、热加工、焊接等所引起的残余应力，以及裂缝锈蚀产物的楔入应力等）下，所出现的低于强度极限的脆性开裂现象，称为应力腐蚀开裂。

（4）腐蚀疲劳，腐蚀疲劳是在腐蚀介质与循环应力的联合作用下产生的。

这种由于腐蚀介质而引起的抗腐蚀疲劳性能的降低，称为腐蚀疲劳。

（5）晶间腐蚀，晶间腐蚀是金属材料在特定的腐蚀介质中，沿着材料的晶粒间界受到腐蚀，使晶粒之间丧失结合力的一种局部腐蚀破坏现象。

（6）均匀腐蚀，均匀腐蚀是指在与环境接触的整个金属表面上几乎以相同速度进行的腐蚀。

在应用耐蚀材料时，应以抗均匀腐蚀作为主要的耐蚀性能依据，在特殊情况下才考虑某些抗局部腐蚀的性能。

（7）磨损腐蚀（冲蚀），由磨损和腐蚀联合作用而产生的材料破坏过程叫磨损腐蚀。

磨损腐蚀可发生在高速流动的流体管道及载有悬浮摩擦颗粒流体的泵、管道等处。

有的过流部件，如高压减压阀中的阀瓣（头）和阀座、离心泵的叶轮、风机中的叶片等，在这些部位腐蚀介质的相对流动速度很高，使钝化型耐蚀金属材料表面的钝化膜，因受到过分的机械冲刷作用而不易恢复，腐蚀率会明显加剧，如果腐蚀介质中存在着固相颗粒，会大大加剧磨损腐蚀。

（8）氢脆，金属材料特别是钛材一旦吸氢，就会析出脆性氢化物，使机械强度劣化。

在腐蚀介质中，金属因腐蚀反应析出的氢以及制造过程中吸收的氢，是金属中氢的主要来源。

金属的表面状态对吸氢有明显的影响，研究表明，钛材的研磨表面吸氢量最多，其次为原始表面，而真空退火和酸洗表面最难吸氢。

钛材在大气中氧化处理能有效防止吸氢。

2何种结构容易产生腐蚀

（1）金属材料中存在缺陷、杂质和溶质等的不均一性，当介质中含有某些活性阴离子时，这些活性阴离子首先被吸附在金属表面某些点上，从而使金属表面钝化膜发生破坏。

（2）金属与金属或金属与非金属表面之存在狭窄的缝隙，如法兰的连接处，垫圈、衬板、缠绕与金属重叠处缝隙内，有关物质的移动受到了阻滞，形成浓差电池，从而产生局部腐蚀。

（3）应力腐蚀材料在特定的腐蚀介质中和在静拉伸应力（包括外加载荷、热应力、冷加工、热加工、焊接等所引起的残余应力，以及裂缝锈蚀产物的楔入应力等）下，出现的低于强度极限的脆性开裂现象。

（4）腐蚀介质与循环应力的同时存在。

（5）晶间腐蚀是金属材料在特定的腐蚀介质中，沿着材料的晶粒间界受到腐蚀，使晶粒之间丧失结合力的一种局部腐蚀破坏。

（6）有磨损和腐蚀联合作用。

3腐蚀的检测方法

发生腐蚀后,通常表现为金属表面变薄,出现局部的凹坑和麻点。

腐蚀检测技术主要是针对金属表面变化来进行测量和分析的。

在不能影响金属整体结构的前提下进行腐蚀检测,一般采用漏磁通法、超声波法、涡流检测法、激光检测法和电视测量法等。

其中,激光检测法和电视测量法需和其它方法配合,才能得出有效准确的腐蚀数据。

而涡流检测法虽然可适用于多种黑色金属和有色金属,。

例如探测浊孔、裂纹、全面腐蚀和局部腐蚀,但涡流对于铁磁材料的穿透力很弱,只能用来检查表面腐蚀。

而且如果在金属表面的腐蚀产物中有磁性垢层或存在磁性氧化物。

就可能给测量结果带来难以避免的误差。

另外,由于涡流法的检测结果与被测金属的电导率有密切关系。

为了提高测量精度,还要求被测体系最好保持恒温。

所以,现在国内外使用较为广泛的金属腐蚀检测方法是漏磁通法和超声波检测法。

3.1漏磁通法

漏磁通法检测的基本原理是建立在铁磁材料的高磁导率这一特性之上,金属腐蚀缺陷处的磁导率远小于钢管的磁导率,金属在外加磁场作用下被磁化,当钢管中无缺陷时,磁力线绝大部分通过钢管。

此时磁力线均匀分布；

当金属内部有缺陷时,磁力线发生弯曲,并且有一部分磁力线泄漏出钢管表面。

检测被磁化钢管表面逸出的漏磁通,就可判断缺陷是否存在。

漏磁通法适用于检测中小型管道,可以对各种管壁缺陷进行检验,检测时无需耦合剂,也不会发生漏检。

但漏磁通法只限于材料表面和近表面的检测,被测的金属不能太厚,抗干扰能力差,空间分辨力低。

另外,小而深的管壁缺陷处的漏磁信号要比形状平滑但很严重的缺陷处的信号大得多,所以漏磁检测数据往往需要经过校验才能使用。

检测过程中当金属材料材料混有杂质时,还会出现虚假数据。

3.2超声波法

超声波检测法主要是利用超声波的脉冲反射原理来测量金属腐蚀后的厚度。

检测时将探头垂直向管道内壁发射超声脉冲,探头首先接收到由管壁内表面的反射脉冲,然后超声探头又会接收到来自管壁外表面的反射脉冲,这个脉冲与内表面反射脉冲之间的间距反映了管壁的厚度。

这种检测方法是管道腐蚀缺陷深度和位置的直接检测方法,检测原理简单,对管道材料的敏感性小,检测时不受金属材料杂质的影响,能够实现对进行精确检测,不受厚度限制,还能分辨管道的内外壁腐蚀、管道的变形、应力腐蚀破裂和管壁内的缺陷,如夹渣等。

此外,超声波法的检测数据简单准确,无需校验检测数据非常适合作为管道最大允许输送压力的计算,为检测后确定金属的使用期限和维修方案提供了极大的方便。

这种方法的不足之处是超声波在空气中衰减很快。

检测时一般要有声波的传播介质,如油或水等。

3.3金属腐机械井径法

在输油管道的腐蚀检测额中还有机械井径法测量法是接触式测量，通过测量臂与套管内壁接触，将套管内径变化转为测量臂径向位移，再通过测量臂的内部机械转换结构，将得到的径向位移转变为推杆的垂直位移。

套管内径的变化将引起连杆滑键在可变电阻上的移动，这就将套管内径变化转换成电位信号，通过放大由地面仪器记录转化成相应的井径值和曲线，利用多条曲线形态确定套管的腐蚀及其类型。

机械井径仪测量精度很高，可以测量垂直管道的内壁腐蚀，测井数据可以三维成像，缺点是由于井径仪器的测量壁过多而出现刮砂遇卡现象，尤其是在套管变形部位，仪器容易遇卡遇阻，如果测量臂过少则容易出现漏测现象，而且这种方法不能识别外壁腐蚀，对于异常情况不明显的井或者对套损情况深入分析时，需要结合其它测井方法来来综合判断。

3.4电磁法

作为一种重要的无损检测方法，电磁法广泛应用于航空航天、核工业以及石油等领域。

在套管腐蚀检测方面，电磁法属于非接触式测量，不受套管内介质、套管结垢、管壁附着物的影响，不但能发现套管的各种异常，而且能测量剩余壁厚。

电磁探伤方法可分为漏磁检测法、常规涡流检测法和远场涡流检测。

漏磁检测法是利用强磁场将管道磁化，管壁存在缺陷将改变管道中的磁通分布，导致内部磁力线逸出被检对象形成漏磁场，再利用霍尔效应测量管壁的磁通密度大小及变化来检测管道的腐蚀和缺陷。

常规涡流法依据电磁感应原理，利用发射线圈产生交变的电磁场，在套管壁上产生环状涡流，当套管存在腐蚀缺陷时，因为受缺陷的阻隔，感生电流流经途径发生变化，线圈的等效阻抗也随之变化，测出载流线圈阻抗变化即可得知管道缺陷情况。

该方法可以检测大规模腐蚀、垂直裂缝、孔和多层管道，但是受趋肤效应的影响，常规涡流检测技术难以检测出管道外表面的缺陷。

漏磁检测法对与磁通矢量无正交的缺陷不敏感，而涡流法对与涡流矢量无正交的缺陷不敏感。

两种检测方法的不敏感区域相互正交，联合使用可保证检测没有盲区。

远场涡流检测法与常规涡流法不同，远场涡流法的检测线圈不是紧靠着激励线圈，而是在距离激励线圈2倍管内径以外的远场区。

在此远场区中，随着两线圈间距的增大，场强衰减速度变缓，出现第二种能量传递方式。

在远场能量传递路径上的内外缺陷都能在检测线圈中引起信号幅值和相位的变化，通过测量远场检测线圈中的二次感应电动势的大小及相移来检测管道的腐蚀和缺陷。

4.金属腐蚀测试原理与仪器

传统的无损检测技术方法包括超声检测、射线检测、磁粉检测、祸流检测和渗透检测等。

超声检测是广泛用于材料无损检测的常用方法，研究表明，超声检测技术对于裂纹等面积型缺陷的检出率远高于射线检测从超声波被用来检测固体金属的内部缺陷起，超声无损检测技术己经成为一种历史悠久的材料检测手段，并普遍应用于工程实践中。

常规超声检测利用的是声波传播过程中遇到缺陷时波的反射、散射和对超声能量吸收等线性特征进行缺陷检测和评价，对与被检测介质具有明显的声阻抗差别的、大的（与波长相比）体积型缺陷和具有幵放式裂纹的缺陷敏感，能够解决常规问题。

4.1超声检测的原理

超声波探伤是利用材料及其缺陷的声学性能差异对超声波传播波形反射情况和穿透时间的能量变化来检验材料内部缺陷的无损检测方法。

脉冲反射法在垂直探伤时用纵波，在斜射探伤时用横波。

脉冲反射法有纵波探伤和横波探伤。

在超声波仪器示波屏上，以横坐标代表声波的传播时间，以纵坐标表示回波信号幅度。

对于同一均匀介质，脉冲波的传播时间与声程成正比。

因此可由缺陷回波信号的出现判断缺陷的存在；

又可由回波信号出现的位置来确定缺陷距探测面的距离，实现缺陷定位；

通过回波幅度来判断缺陷的当量大小。

按声波类型区分，超声检测可以分为连续波法和脉冲波法，连续波法中又分为透射法和谐振法；

在脉冲波法中可以分为脉冲反射法和脉冲透射法两种。

下面简单介绍两种较常用的检测方法。

1）脉冲反射法

工作原理：

脉冲反射法是利用超声脉冲波入射到两种不同介质交界面上发生反射的原理进行检测。

采用同一换能器兼作发射和接收，接收信号显示在荧光屏上。

基本原理和波形如图2所示。

当工件中无缺陷时，接收波形如图1a所示，荧光屏上只有始波T和底波B；

当有小于声束截面的缺陷时，有缺陷波F出现，F波在时基轴上的位置取决于缺陷声程Lf，可由此确定缺陷在试件中的位置。

缺陷回波的高度，取决于缺陷的反射面积和方向角的大小，借此可评价缺陷的当量大小。

由于缺陷使部分声能反射，从而使底波高度下降，如图1b所示；

当有大于声束截面的大缺陷时，全部声能将被缺陷反射，届时将仅有始波和大的缺陷波出现在荧光屏上。

完美试样缺陷试样

（2）脉冲透射法

脉冲透射法是将发射、接收探头分别置于被检试件的两侧，并使两个探头的声轴处在同一条直线上，同时保证探头与试件之间有良好的声耦合，这样就可以根据超声波穿透试件后的能量变化情况来判断试件内部质量。

当试件中无缺陷时，荧光屏上显示始波T和具有一定幅度的回波脉冲B；

当有小缺陷时，声波被缺陷遮挡，接收到的回波信号幅度减小；

而当试件中缺陷面积造成的声影大于声束截面时，荧光屏上只显示起始脉冲T，无回波信号，如图2所示。

4.2超声探伤仪器

图3：

压电元件：

产生和接受超声波壳体：

安装以上原件

图4直探头式换能器结构示意图

吸收块：

吸收杂波

保护膜：

保护原件不收损伤

5.测试结果分析

这次试验的仪器用的是型号为TT1OO的超声波测厚仪。

这款测厚仪使用前先在网上查阅使用说明书。

按照说明书一步一步的操作：

先将测厚仪的声速调至5900m/s，这是铁板的测量声速。

耦合剂选用了自来水。

校准后即可测量铁板的厚度。

铁板如下图：

此铁板上有四个小凹孔，从左至右依次标记为1,2,3,4号孔。

测量的结果如下表所示:

孔编号

1

2

3

4

孔测得厚度（mm）

3.7

3.8

3.6

非孔处测得平均厚度（mm）

4.1

实习结论

通过这个腐蚀检测实习，我查阅了腐蚀的基本概念，了解到了测量腐蚀的几种常用方法。

吴老师给我们的超声波测厚仪是运用超声波测厚原理的仪器，在得到试验结果后，我们知道超声波测厚仪必须用水等耦合剂来基准，比较麻烦，而且有可能会破坏被测量的试件，或留下不易清除的痕迹。

这点可以改进。

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