应力集中和腐蚀检测实习.docx

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应力集中和腐蚀检测实习

创新实习报告

题目名称应力集中检测与腐蚀检测实习

学院（系）机械工程学院

专业班级材料成型及控制工程班

学生姓名

指导教师

日期2017年1月2号至2017年1月19号

应力集中实习

腐蚀检测实习

应力集中

1应力集中的概念

弹性力学中的一类问题，指物体中应力局部增高的现象，一般出现在物体形状急剧变化的地方，如缺口、孔洞、沟槽以及有刚性约束处。

应力集中能使物体产生疲劳裂纹，也能使脆性材料制成的零件发生静载断裂。

在应力集中处，应力的最大值（峰值应力）与物体的几何形状和加载方式等因素有关。

局部增高的应力随与峰值应力点的间距的增加而迅速衰减。

由于峰值应力往往超过屈服极限（见材料的力学性能）而造成应力的重新分配，所以，实际的峰值应力常低于按弹性力学计算得到的理论峰值应力。

2何种结构容易产生应力集中

1.截面急剧变化的位置，如构件中的油孔，键槽，缺口，台阶等。

2.集中力作用的位置，如齿轮轮齿间的接触点，火车车轮与钢轨的接触点。

3.材料本身不连续的位置，如材料中的夹渣，气孔。

4.构件由于装配，焊接，冷加工，磨削而产生的裂纹。

5.构件在制造或装配过程中，由于强拉伸，冷加工，热处理，焊接等而形成的残余应力，这些残余应力叠加上工作应力后，有可能出现较大的应力集中。

6.构件在加工或运输过程中的意外撞伤和刮痕。

3应力集中的测试方法

传统的应力测量方法，如机械法、光测法、衍射法等，其优势在于理论体系完备，检测方法成熟，可以精确测量构件表面的主应力大小与方向，给出应力分布图，但检测周期长，对构件表面光洁程度要求高，大多采用接触式测量方法，操作过程复杂。

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）