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淬火硬化层残余应力分布磁记忆检测pdf

归档日期:06-27       文本归类:多面体简化      文章编辑:爱尚语录

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  The research results provide a reference of integrity indicator for the rapid detection of gear parts residual stress concentration area and key component surface of aero-engine . Keywords: Metal magnetic memory,Gear,20CrMnTi,Residual stress III 南昌航空大学硕士学位论文 目录 目录 摘 要 I Abstract II 目录 IV 第 1 章 绪论 1 1.1 引言 1 1.2 航空齿轮加工工艺分析及失效分析 1 1.2.1 齿轮加工工艺分析 1 1.2.2 齿轮传动的失效分析 1 1.3 齿轮残余应力的来源及利弊 4 1.4 常用的残余应力检测方法比较 4 1.5 残余应力检测的国内外研究现状 7 1.5.1 金属磁记忆检测残余应力国内外研究现状 7 1.5.2 齿轮残余应力检测国内外研究现状 8 1.6 课题研究内容 9 1.7 本章小结 9 第 2 章 淬火硬化层残余应力磁记忆检测基本原理 10 2.1 磁记忆检测原理 10 2.2 铁磁性材料力-磁效应的磁化模型 12 2.2.1 应力与地磁场同轴的磁化模型 13 2.2.2 应力与地磁场异轴的磁化模型 17 2.2.3 铁磁性材料力-磁效应的微观模型 20 2.3 本章小结 22 第 3 章 磁记忆检测残余应力的硬件设计及实现 24 3.1 硬件设计的要求和指标 24 3.2 硬件设计 24 3.2.1 硬件设计思路 24 3.2.2 磁记忆硬件电路设计 25 3.2.3 硬件电路中的理论分析计算 28 3.2.4 硬件设计关键点分析 28 3.3 磁记忆信号提取 29 3.4 系统标定 30 3.5 本章小结 33 第 4 章 齿轮基体材料残余应力磁记忆检测 34 4.1 材料及试样 34 4.2 试验设备 35 4.3 消除内应力 37 4.4 材料拉伸性能测量 38 4.5 齿轮基体材料中力与磁记忆信号 39 IV 南昌航空大学硕士学位论文 目录 4.5.1 未加载 40 4.5.2 不同载荷下基体材料中力与磁记忆信号关系 41 4.6 有限元仿真不同载荷下齿轮基体材料残余应力 42 4.6.1 20CrMnTi 平板模型有限元仿线 ANSYS 仿线 有限元仿真结果与实际检测结果对比分析 46 4.7 本章小结 56 第 5 章 平板渗碳淬火件拉伸磁场测量 58 5.1 平板渗碳淬火件的制备 58 5.1.1 渗碳工艺 58 5.1.2 淬火工艺 59 5.1.3 变形矫正工艺 59 5.2 渗碳淬火对残余应力造成的影响及消除 60 5.3 平板渗碳淬火件拉伸性能测量 61 5.4 平板渗碳淬火件中力与磁记忆信号 61 5.4.1 未加载 61 5.4.2 不同载荷下平板渗碳淬火材料中力与磁记忆信号关系 62 5.4 断口分析 64 5.5 金相分析 65 5.6 本章小结 66 第 6 章 航空齿轮残余应力磁记忆检测 68 6.1 常规航空齿轮残余应力磁记忆检测 68 6.2 齿面磨损的航空齿轮残余应力磁记忆检测 70 6.3 本章小结 73 第 7 章 结论与展望 74 7.1 结论 74 7.2 展望 75 参考文献 77 发表论文和参加科研情况说明 80 致谢 81 附录A 82 V 南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 第1 章 绪论 1.1 引言 齿轮是航空传动系统中最核心的构件,其疲劳失效是引起航空发动机故障的 [1] 主要因素,尤其是潜伏在表层和亚表层的缺陷是产生疲劳失效最常见的因素 。 表层残余应力是表面质量完整性的重要参数之一,应力集中会造成各种不同用途 的金属承力结构件产生疲劳破损。而齿轮在渗碳、磨削及运行过程中可能会产生 应力,甚至会造成更为严重的损伤,直接威胁到齿轮的使用安全,造成无法估量 的财产损失及安全事故。故本课题尝试利用金属磁记忆检测技术研制一套适合检 测航空齿轮的磁记忆检测装置,通过分析不同载荷下齿轮基体材料中力与磁记忆 信号之间的关系,近而分析不同疲劳失效下的齿轮应力分布规律能有效的对齿轮 寿命进行无损评估,及时检测发现齿轮失效趋势,最大限度的降低事故的发生率, 避免损伤构件进入运行状态造成无法挽回的损失,对航空发动机系统的安全运行 具有十分关键的保障意义。 1.2 航空齿轮加工工艺分析及失效分析 1.2.1 齿轮加工工艺分析 当前国内外航空齿轮制造工艺基本类似,12Cr2Ni4A 材料加工成齿轮的工艺 [2] 0 路线 :锻件-粗车-调制-半精车-粗磨基准-开齿-磨齿-(900-950 C)渗碳 (深度 0 0 0 0.15mm 左右)- (650-670 C )回火-(780-800 C)油淬(淬硬层硬度 HRC≥58 )-(-70 C) 0 冰冻处理-(150-170 C) 回火-精磨基准-磨齿。 1.2.2 齿轮传动的失效分析 齿轮部件产生疲劳失效主要在轮齿部位,齿轮的常见失效形式:齿面塑性变 形、齿面胶合、齿面磨损、轮齿折断、齿轮点蚀。 (1) 轮齿折断 轮齿折断根据断口的性质及断裂的原因有弯曲疲劳折断、过载折断、轮齿剪 1 南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 [3] 断、随机折断和塑变后折断等类型,最容易发生的是过载折断及弯曲疲劳折断 。 轮齿折断一般表现为齿根处萌生裂纹,然后扩展,最后发生断齿。发生轮齿折断 的原因主要有:根部应力集中、突然过载或冲击、根部受交变弯曲应力作用以及 材料较脆。可通过增大齿根圆半径和齿轮模数能有效的增强齿轮抗弯强度。轮齿 折断如图 1-1 所示。 (a) CAD (b) 齿轮折断实物图 图 1-1 轮齿折断 (2) 齿面磨损 根据齿面磨损形成的原因有磨粒磨损、粘着磨损及腐蚀磨损等类型;按齿面 [4] 磨损的程度有过度磨损、中等磨损以及轻微磨损三个等级 。磨料性物质铁屑、非 金属物、砂粒等磨料一旦掉落在齿轮齿面间则会造成磨料磨损。出现齿面磨损现 象后会损伤齿廓形状,产生震动,冲击以及噪声,齿厚的减薄也会造成轮齿断裂。 通常表现为润滑油不干净导致磨料磨损,然后齿形破坏,长此以往形成齿根减薄, 尤其是分布最为严重,最终导致断齿。可通过提高齿面硬度及光洁度、更换润滑 油、采用闭式齿轮传动可有效缓减齿面的磨损。齿面磨损如图 1-2 所示。 (a) CAD (b) 齿面磨损实物图 图 1-2 齿面磨损 (3) 齿面点蚀 齿面由于载荷的作用引起齿面疲劳点蚀,轻度点蚀逐步发展为破坏性点蚀, [5] 接着将造成起齿面的剥落,最终可能使得齿轮断裂 。当齿面受到交变接触应力作 用,存在润滑油的闭式传动齿面以及齿轮材料较软,硬度低于 350BHS 都会造成 2 南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 齿面点蚀。一般表现为润滑油在齿面裂纹处挤压导致齿面金属剥落,最后导致齿 面在靠近节线处萌生麻点状凹坑。可通过改善齿面硬度、加大齿轮的直径和中心 距、使用合适的齿轮润滑剂来预防齿面点蚀的发生。齿面点蚀如图 1-3 所示。 (a) CAD 模型 (b) 齿面点蚀实物图 图 1-3 齿面点蚀 (4) 齿面胶合 齿轮在快速传动时,若齿轮上载荷过大,会使得传动轮与从动轮间相互作用 力增大,齿轮间相对滑动的速度大,啮合部位由于摩擦发热迅速升温,使得油膜 损伤,引起齿轮表层金属相接触点粘着,近而又顺着齿面的相对运动使粘接物剥 [6] 落,致使齿面产生长条形沟痕,最终发生齿面胶合 。通常表现为齿轮齿面上随着 相对滑动方向产生缺陷。通过改善齿面硬度、降低齿高、减少模数、选用抗胶合 能力强的润滑油来缓减齿面胶合,齿面胶合如图 1-4 所示。 (a) CAD 模型 (b) 齿面胶合实物图 图 1-4 齿面胶合 (5) 齿面塑性变形 齿面塑性变形极易出现于齿轮低速重载启动、传动、以及频繁过载等传动情 [7] 况下 。宏观表现为齿面失去正常齿形。当齿轮载荷过重、齿面较软、齿面将形成 凸棱、凹沟、主动轮上的摩擦力容易朝向齿根及齿顶产生凹沟,而从动轮上的摩 擦力由齿根和齿顶朝齿面中间形成凸棱。即塑性变形是因为轮齿材料处于屈服状 态下而齿面应力作用过大所引起的齿面形变。通过改善齿面硬度或采用粘度高的 3 南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 润滑油来预防齿面塑性变形。如图 1-5 所示。 (a) CAD 模型 (b) 齿面塑性变形 图 1-5 齿面塑性变形 1.3 齿轮残余应力的来源及利弊 表面残余应力分为残余压应力和残余拉应力,表面残余拉应力对齿轮性能往 往是有害的,而表面残余压应力却对增加齿轮抗疲劳寿命有益。残余压应力能较 大程度阻碍齿轮表面疲劳裂纹的生成和延展,有效的改善齿轮抗疲劳强度。齿轮 表层残余应力主要来源于制造过程中渗碳淬火热处理以及运转期间的载荷作用, [8] 特别是磨削加工对表层残余应力造成较大影响 。渗碳淬火热处理对齿轮的应用是 必不可少的一道工艺,但产生的应力也是不可避免的,为此通过研究不同热处理 状态下齿轮残余应力分布规律,针对齿轮在特定环境下最优的渗碳淬火工艺尽量 使得应力分布均匀,尽可能多的产生残余压应力,消除残余拉应力,能使得其有 害程度降为最低,力争将有害变成有利一面。 1.4 常用的残余应力检测方法比较 国内外学者从 20 世纪 30 年代开始对工件残余应力检测技术领域展开了一系 列的研究,并且获得了相当可观的成就。当前在检测构件残余应力领域主要有无 损检测及机械释放测量法两种。机械释放测量法中最为典型就是钻孔法,而无损 检测主要运用 X 射线衍射法、超声法以及磁性法。 1929 年,俄国学者 Akcehob 基于 X 射线晶体学和弹性力学理论提出用 X 射线 衍射法分析残余应力,该方法主要适用于计量具有较大应力的构件。没有应力作 用下的多晶体在理论上,其方位各异的同族晶面距离相同,如果材料内存在残余  应力 会使得不同晶粒的同族晶面距离随着晶面方位和应力大小产生有规律的变 化,造成 X 射线衍射谱线的位偏移,通过位偏移的大小可按照理论公式推算出残 余应力 (如图 1-6 所示)。该技术可靠,精度高,能在原点重复测试。尤其是残余应 4 南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 力在小的局部范围内迅速变化时最有效,但该技术只能检测表面应力,且 X 射线 衍射仪价格匪浅,会对操作员的身体造成一定程度的辐射伤害。 表面法线 (入射线) φ N (晶面法线) 广衍射晶面 φθ η η 表面 φ N θ 2 图 1-6 X 射线衍射原理图 X 射线衍射测残余应力的理论计算公式: E  2    cot   0 2(1  v) 180 sin   v 式中: 为弹性模量; 为表面残余应力; 为泊松比; 是选取晶面在没有 E  0 应力下的衍射角;2 是工件表面法线和衍射晶面法线为 时衍射角。   1934 年 J Mather 最先提出钻孔法来检测残余应力,Soetefa 在其基础上深入研 究而形成了完整理论。先在有残余应力的构件表层打一小孔,造成孔的相邻区域 会因为部分残余应力的释放而引起相应的位移及应变,再对引起的位移及应变用 黏贴应变片进行测量,最终可按理论公式推算出钻孔处深度方向上的平均残余应 力。该方法能定量检测且精度高及设备廉价等优点,缺点是对构件造成了破坏。 二十世纪五十年代未,Raelson V J 和 Berson R W 等学者研究了存在应力材料 [9] 中的超声波双折射现象 。Crecraft D I 于 1967 年发表文章提出用超声波检测构件 应力及残余应力[10] ,阐述了超声波双折射现象和光弹应变分析中的光双折射现象 相似。尤为在各向同性介质中检测残余应力时效果显著。而材料内晶粒的取向以 及微结构的差异导致材料为各向异性,而声弹效应产生的波速变化比各向异性产 生剪切波波速的变化要小,使得检测结果可靠性不强,且该技术测得数据为工件 厚度方向上的平均应力,当厚度方向的应力梯度较大时不易反映出来。二十世纪 六十年代初,Rivlin Rs 与 Hayes M 等学者推导出在形变均匀的弹性体材料中超声 表面波沿着主应力方向传播的理论,之后 Iwash inizu Y 和 Kobori O 对该理论进行 了概括;Gerhart GR 研究了主应力方向和超声波在材料中传播方向不同的现象, Hirao M 研究了初始应力同深度变化的现象,同济大学王寅观教授基于Ray leig 表 面波推算了热套圆盘的平面残余应力,然而该方法局限于评估构件表层及亚表层 的材料特性。 Finnie 和 Vaidyanathan 于 1971 年利用弹性涂层法计量深度方向上各位置处应 力强度因子做了残余应力的理论计算,首次提出裂纹柔度法(CCM);二十世纪八十 5 南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 年代中期,Finnie 和 Cheng 运用应变片测量了应变及位移,使得实验及运算过程比 光弹性测试更为简单。国外学者 Prime 于 2002 年最先运用 CCM 技术用于检测厚 板铝合金中的残余应力,2003 年和 2004 年期间,王秋成与张旦闻等学者检测了 7075 铝合金板中的残余应力;到此还无人对柔度函数的演算过程以及插值函数阶 数的选取开始研究,使得检测结果误差偏大;2007 年,唐志涛研究员利用有限元 方法推导出了裂纹柔度函数,考虑到应力来源的不确定性优化了插值函数阶数, 经推算得出厚度为 45mm 的铝合金预拉伸板7050-T7451 材料中残余应力的分布规 律。对于裂纹柔度法的可靠性,误差分析以及插值多项式的选择方面,国内外学 者涉及较少。直到 2009 年,孙娟等学者推导出误差传递方程,讨论了误差传递规 律及影响范围,使裂纹柔度法特别适合测量板类构件内部残余应力,但该技术适 用范围的局限性和测量准确性等方面还有待于继续深入研究。 1999年德国Tönshoff Hans Kurt 等人建立了微磁检测系统并综合了涡流检测模 块对残余应力进行检测[11] 。2002 年美国 JENTEK 传感器公司的 Zilberstein Vladimir 等人采用 WMW 传感器测量磁导率进而对残余应力和外加载荷应力进行检测[12] 。 而我国在基于电磁检测原理对渗碳质量及残余应力进行检测方面则相对落后。近 年来,德国、波兰等国先后推出了具有检测渗碳层深度、硬度、残余应力功能的 微磁测量仪,其原理综合了涡流检测和巴克豪森噪声法 (磁弹法),但在具体工程 应用时需要使用者根据产品质量自行加工标准件进行参数标定后才能对零部件进 行检测。美国应力技术有限公司(American Stress Technologies ,Inc)Tiitto K 、Fix R M 等人研究了运用巴克豪森噪声技术对表面镀铬构件的磨削烧伤、残余应力、热处 理缺陷进行检测的可行性评估[13] 。 金属磁记忆检测(metal magnetic memory,MMM)为一门全新的无损检测技术, 于上世纪九十年代末由俄罗斯引入中国。经过十多年的研究在俄罗斯已得到比较 成熟的发展[11] 。当前几种常规无损检测技术只能检测具有一定尺寸的损伤,无法 检测应力集中这类缺陷。金属磁记忆检测技术的优势在于不仅能发现缺陷还能检 测出这些损伤即将出现前的高危险区域。当铁磁性材料置于地磁场下,外应力作 用时,其内部会发生具有磁致伸缩效应,引起内部晶粒旋转,致使磁畴组织发生 定向及不可逆的重新取向,造成材料中磁特性的不连续,应力集中处法向分量跟 水平分量的磁特性发生转变。 金属磁记忆检测技术作为无损检测领域的新技术,能准确的对铁磁性工件的 疲劳失效进行无损评估[14] 。对比于其它无损检测技,磁记忆检测技术具有不可替 代的优势: (1) 基于铁磁材料在地磁场中的自磁化现象,无需专用的磁化装置; (2) 检测齿轮残余应力时无需对齿轮表面实施预清理; 6 南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 (3) 能准确快速的确定应力集中区域,检测效率高; (4) 检测应力集中区域灵敏度高于其他磁性方法; (5) 仪器轻巧,使用便捷,可重复性检测,检测时采用非接触方式,尤为适用于 现场检测。 1.5 残余应力检测的国内外研究现状 1.5.1 金属磁记忆检测残余应力国内外研究现状 金属磁记忆(metal magnetic memory,MMM)检测技术在二十世纪 90 年代由俄 罗斯学者杜波夫提出的一种全新的无损检测技术[15] ,该项技术在国外得到很好的 发展和应用。俄罗斯动力诊断公司在磁记忆检测残余应力领域做了大量工作,且 研发了多款经典的磁记忆设备及软件,主流设备有 TSCM.2FP 和装有微处理记录 功能的 TSC.IM4 应力集中磁检测仪,以及在 Windows 或 DOS 环境下的磁记忆信 号分析软件[16] 。1994 年,D.L.Atherton 和 J.M.Makar 通过残余应力对 2%管道钢的 磁致伸缩系数的影响研究,发现了应力造成饱和磁致伸缩曲线] 。J.A.Szpuna 和 D.L.Atherton 探讨了残余应力对管道钢磁化强度及磁致伸缩效应,观察到高场强 环境下拉应力使场强减弱,在低场强环境下拉应力使磁化增强,而压应力则刚好 相反,材料磁致伸缩系数对残余拉应力十分敏感,压应力对其无影响[18] 。1996 年, D.C.Jiles 和 M.K.Devine 研究材料的组成成份、磁致伸缩效应和磁机械效应时观察 到残余压应力与残余拉应力共同作用下磁化强度的变化是负值[19] 。1997 年 Tetsuya Saito 和 Ichizo Uetake 阐明了漏磁场信号与铁磁试件表面缺陷间的宽度与深度间的 相互关系[20] ,同年 Yamamoto 研究了在弱磁场环境中外加载荷作用下铁磁材料的 磁畴变化规律[21] 。2000 年,Voltaira 研究了应力对铁磁薄膜的逆磁化过程造成的影 响,侧重研究了应力-磁阻、应力-矫顽力间的相互关系,并与实验值做了比较[22] 。 2003 年,国外学者 Li 通过对外加载荷下材料磁化强度的研究,基于 Rayleigh 法 则推导了适用于弱磁场环境下的磁机械模型[23] 。2006 年 Ai-Kah Soh 和 Ruilong Hu 采用微磁学探讨了应力对动态磁滞及逆磁化的影响,表明应力改变易磁化轴的分 布,使得铁磁材料的磁化特性发生变化[24] 。2007 年 B. Kaviraj 和 S. K. Ghatak 在这 一模型的基础上研究了磁致伸缩薄膜中的应力阻抗效应[25] 。同年,Wilson 采用磁 场测量法测量了不同状态下应力的分布[26] 。 金属磁记忆检测技术于二十世纪未引入中国,历经 15 年的努力取得了较大的 发展。在磁记忆检测应力理论研究方面,任吉林教授带领的科研团队研究了应力 与磁畴组织之间的联系[27] 。提出磁畴组织在应力作用下会产生变化,体现为大量 7 南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 迷宫畴替代原有的片状畴,迷宫畴为主的磁畴重点分布在应力集中程度较大地方。 清华大学谢大吉教授推导出磁探头输出信号跟垂直于探头检测方向的横向应变和 平行于探头检测方向的纵向应变之间呈线性关系,通过计算得出了数学模型[28,29] 。 王振山科研团队研究了两通道磁传感器的输出信号和检测角度以及主应力间的关 系,提出若主应力都是拉伸应力时主应力之和与沿着两主应力方向检测的磁信号 输出之和间的结论[30,31] 。仲维畅学者以环境磁场中材料为研究对象,推导了其应 力作用的磁化理论[32] 。雷银 ,周俊华等学者研究了正磁致伸缩材料的磁记忆现象, 推导出其有效磁场方程,阐明了在应力区出现磁记忆法向分量过零点,水平分量 出现最大值现象[33] 。任尚坤科研团队探讨了铁磁性试样的应力磁化和磁信号反转 效应[34] 。邸新杰 ,李午申等学者运用磁记忆测量方法对焊接件裂纹缺陷进行了定 量评估研究[35] 。国内在金属磁记忆测量残余应力仪器研制方面,林俊明带领的科 研团代在二十一世纪初期研发了智能型磁记忆信号测量仪 EMS-2000 和数据处理 软件 M3DPS,之后该团队针又对 EMS-2000 仪器优化改进,研发了 EMS-2003 磁记 忆检测仪器。高玄怡带领的科研团队研发了采用嵌入式结构的便携式磁记忆信号 测量仪[36] 。林俊明团队研发了运用 USB 接口的多通道磁记忆信号分析系统[37] 。 1.5.2 齿轮残余应力检测国内外研究现状 国内外研究学者针对航空齿轮残余应力磁记忆检测方法领域研究甚少,主要 因为目前主流的磁记忆仪器探头不适合检测齿轮工件,且大多数航空齿轮不仅尺 寸偏小,而且形貌复杂。 经过数十年技术的发展,航空齿轮残余应力的检测由破坏性的钻孔法发展到 无损检测方法。针对齿轮残余应力的检测领域在国外发展较快,主要采用 X 射线 衍射法及中子衍射应力分析技术检测[38,39] ,设备较为完善,且已有国内外标准保 障检测精度。Giovanni 探讨了运用中子衍射法检测齿轮基体与钼涂层间的残余应 力[40] 。Albertini 基于中子衍射法研究了在热载荷环境下冠状齿轮残余压应力及其 分布规律[41] 。20 世纪 70 年代,Charber 通过建立数学模型,探究了若干组齿轮根 部圆角半径及模齿数的残余应力及形变[42] 。 国内学者针对齿轮残余应力的检测领域研究甚少,多半止步于齿轮热处理工 艺及理论研究,姜秉元等学者为研究材料中因塑性变形而对齿轮接触应力造成的 影响,利用实际检测得到的齿轮残余应力数据结合因外力造成的弹性接触应力并 列分析,阐述了部分残余压应力能增强齿轮的抗疲劳性能[43] 。21 世纪初,孙月海 基于齿轮运行时啮合力相对移动速度对齿轮形变造成的影响,尝试用变动的外力 仿真齿轮接触载荷,运用多维动态有限元仿真探讨了齿根处应力与齿轮形变之间 的关系[44] 。 8 南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 1.6 课题研究内容 基于铁磁性材料磁特性和力-磁效应模型,采用金属磁记忆检测技术,研究齿 轮表层电磁特性的影响因素,电磁特性信号提取和齿轮基体材料中力与磁记忆信 号的关系,检测齿轮表层残余应力及其应力分布规律; (1) 研制一套适合检测航空齿轮残余应力的磁记忆检测装置,能够准确检测齿 轮应力集中区域; (2) 表层残余应力与磁记忆信号之间力-磁效应的表征方法研究; (3) 表征残余应力大小的磁记忆信号特征值的提取; (4) 利用有限元仿真结合实际检测数据分析不同载荷下齿轮基体材料中应力 与磁记忆信号之间的关系; (5) 分析不同状态下齿轮淬火硬化层残余应力集中分布规律。 1.7 本章小结 本章首先介绍了本课题研究背景及意义,以齿轮为研究对象,介绍了齿轮的 加工工艺及常见的失效方式,分析了齿轮中残余应力的主要来源以及残余应力对 齿轮性能造成的影响,比较了目前检测残余应力的常用方法,提出用金属磁记忆 检测齿轮残余应力,分析了金属磁记忆技术检测残余应力的国内外研究现状及针 对齿轮构件的残余应力检测的概况,最后提出了本论文的研究内容。 9 南昌航空大学硕士学位论文 第 2 章 磁淬火硬化层残余应力磁记忆检测基本原理 第2 章 淬火硬化层残余应力磁记忆检测基本原理 2.1 磁记忆检测原理 当载荷作用下的铁磁性构件在地磁场干扰下,其内部组织产生具有磁致伸缩 效应,导致材料内部晶粒转动,致使磁畴组织产生定向及不可逆的重新取向,造 成材料中磁特性间断,应力集中处法向分量以及水平分量的磁信号发生改变。能 量最小原理理解为,当应力作用时,材料内 自由能增加,唯有磁弹性能的改变能 减缓内部应力能重新达到平衡。当载荷小于屈服强度时,材料内因弹性应变的产 生最终导致磁致伸缩反应。因此,当材料受到外载荷作用时,因应力产生的变形 会致使磁弹性能改变和磁畴 自动往易磁化方向旋转,材料内磁弹性能增加抑制应 力能增大趋势[45] 。 尤为重要的是,构件受外部载荷作用时,如果因夹杂,空隙等缺陷而造成材料 的不连续会使得应力不均匀的分布,生成应力集中区域。与此同时,因为铁磁性 材料内部存在多种内耗效应,将导致载荷撤销后其作用时所生产的应力集中区不 会消失,且有一定的能量。应力集中处的磁畴组织发生变化导致构件表层产生磁 极,且在构件表层生产漏磁场。外载荷作用下的构件,应力集中位置的磁场强度 实际上可以等效为磁偶极子所产生的磁场强度[45] 。 图2-1 带磁偶极子模型 根据电磁场理论,设定应力集中区域为一个矩形槽,其两面分布着磁偶极子, 如图 2-1 所示,ms 为面密度,且为常数。因此,槽壁上宽为d 的面元在P 点形成 的磁场强度为[46] :  d dH1 ms  r1 2 (2-1) 2 r2 0 10 南昌航空大学硕士学位论文 第 2 章 磁淬火硬化层残余应力磁记忆检测基本原理  d dH2  ms  r2 2 (2-2) 2 r2 0 2 , 2 式中: r (xb) (yy ) 1 2 , 2 r (xb) (yy ) 2 则磁场的水平分量和法向分量为:  (bx)d dH ms  1x 2 2 (2-3) 2 [(xb) (y) ] 0  (xb)d dH  ms  2x 2 2 (2-4) 2 [(xb) (y) ] 0  (y)d dH ms  1y 2 2 (2-5) 2 [(xb) (y) ] 0  (y)d dH  ms  2y 2 2 (2-6) 2 [(xb) (y) ] 0 对公式 2-3,2-4,2-5,2-6 进行叠加积分得到总磁场 Hx , Hy 为: 0 0 H dH  dH X  1x  2x (2-7) h h 0 0 sm (xb)dy, sm (xb)dy,   2 , 2  2 , 2 20 h (xb) (yy ) 20 h (xb) (yy ) 0 0   ,    ,  sm 1 y (xb) sm 1 y (xb) tg 2 ,   tg 2 ,  20  (xb) y(yy )h 20  (xb) y(yy )h sm 1 h(xb) sm 1 h(xb) tg 2  tg 2 20 (xb) y(yh) 20 (xb) y(yh) 0 0 H dH  dH y  1y  2y (2-8) h h 0 0  , ,  , , sm (yy )dy sm (yy )dy   2 , 2  2 , 2 20 h (xb) (yy ) 20 h (xb) (yy ) 11 南昌航空大学硕士学位论文 第 2 章 磁淬火硬化层残余应力磁记忆检测基本原理 sm   2 , 0 sm   2 , 2 0 ln(xb) (yy )h  ln(xb) (yy ) h 20 20 2 2 2 2 sm (xb) (yh) sm (xb) (yh) ln  ln 20 (xb)2 y2 20 (xb)2 y2 2 2 2 2 sm [(xb) (yh) ][(xb) y ] ln 2 2 2 2 20 [(xb) y ][(xb) (yh) ] 所以有: sm  1 h(xb) 1 h(xb)  HX 20 tg (xb)2 y(yh) tg (xb)2 y(yh) (2-9)    (xb)2 (yh)2 (xb)2 y2  sm    H ln y 2 2 2 2 (2-10) 20 (xb)  y (xb) (yh)     利用公式 2-9,2-10 可得到应力集中区域表层漏磁场的法向分量及水平分量的 分布曲线 应力集中区域表面漏磁场法向分量和水平分量分布曲线 可知,在应力集中区域磁记忆信号发生明显变化,体现为法向分量值 Hy 符号改变且过零点,水平分量 Hx 出现最大值。因此,利用应力集中区域磁记忆 信号这一磁特性可精准诊断构件表层残余应力集中区域。 2.2 铁磁性材料力-磁效应的磁化模型 应力与磁的关系可表现为铁磁性工件在服役时因受到载荷及力磁耦合作用导 致材料内应力和磁特性变化,即应力及工件形变处表层磁场产生变化,出现漏磁 场现象。为研究力-磁效应,以铁磁性平板构件拉伸试验为对象,分别建立应力与 12 南昌航空大学硕士学位论文 第 2 章 磁淬火硬化层残余应力磁记忆检测基本原理 地磁场同轴和异轴两种模型,分别如下[47] 。 2.2.1 应力与地磁场同轴的磁化模型 以铁磁性材料平板拉伸试样为研究对象,假设力的方向与地磁场方向相同, 建立模型,如图 2-3 所示[47] 。 图2-3 铁磁构件应力与地磁场同轴拉伸模型 受外部载荷作用下的铁磁元件置于地磁场时,其内部总能量包括磁应力能、 磁弹性能、弹性应变能、磁内能和磁晶各向异性能即: E E E E E E     (2-11) K el M  ms 式中: EK 0 1 2 2 2 Eel c11 (exx eyy ezz )c12 (exx eyy eyy ezz ezz exx ) 2 zkq20151222 1 2 E E E a M  f (M,H) M mag hys 0 2 E  e  zz zz  1 2  E B  (e e ) e ms 1  3 xx yy 3 zz    基于能量最小原理[48] ,将能量关于各应变分量求偏导并设为零,得如下方程: E E 1 M c e e (e e )   B 0 e 11 xx 12 yy zz e 3 1 (2-12) xx xx E E 1 C e c (e e ) M  B 0 e 11 yy 12 zz xx e 3 1 (2-13) yy yy E E 2 C11ezz c12 (exx eyy ) M   B1 0 (2-14) e e 3 zz zz 对于各向同性弹性介质之间: 13 南昌航空大学硕士学位论文 第 2 章 磁淬火硬化层残余应力磁记忆检测基本原理 e e  e x x y y z z (2-15) (c11 c12 )(c11 2c12 ) E c 2c  11 12 c c 11 12 式中: 是泊松比,E 为弹性模量,将(2-12),(2-13),(2-14)简化得:  E 1 M B e 3 1 (2-16) xx E 1 M B e 3 1 (2-17) yy E 2 M Ye   B e zz 3 1 (2-18) zz 分别将(2-16),(2-17),(2-18)对 exx ,eyy ,ezz 进行积分,同时EM 为 ezz 的函数, 则有: 1  1  E B (e e ) f(e ) E   B (e e )  f (e ) 0 M 3 1 xx yy zz M  3 1 xx yy   zz  (2-19)   zkq20151222 1 2 Ye2 B E f C zz ( 1 )ezz  M  (ezz ,eyy ) 0 (2-20) 2 3 1 与式(2-19)对照,当f (ezz ,eyy )  B (ezz eyy ) ,得: 1 3 1 2 2  Ye  B (1) e E C 0 2 zz 3 1  zz M (2-21)   2    b b 4ac e zz 2a 1 2 2 (2-22)  2B (1 ) 1  2  1       B1 (1) 2Y (EM C) Y 3Y Y 3       式子(2-22)是铁磁性试样在 Z 轴上的应变,因为工件是受到磁场及外应力共同 作用,即总应变是两种载荷导致的应变: e e e zz ms me 式中:ems 为应力引起的机械应变;eme 为磁场引起的磁致应变。 14 南昌航空大学硕士学位论文 第 2 章 磁淬火硬化层残余应力磁记忆检测基本原理  然而 ems 正好为 ezz 的第一项,其它项为磁致应变,得: Y 1 2 2 2B (1 ) 1  2  1    e    B (1) 2Y(E  C) me 3Y Y 3 1  M (2-23)      B 0, 0,Y 0 e 假设 1    , 即第一项为负,然而 me 可能为零,为了达到此项要 求,第二项必须为正。若不考虑磁滞回线 EM Emag a0 M (2-24) 2 方程(2-24)能看出 EM 随 M 的增加而增大,再用方程(2-23)对 EM 求导得: 1 2 2 e  2  me     B (1 )  2Y (E C)  0 (2-25) E 3 1  M M      (2-25)表明 eme 随着 EM 的变大而减小,即当 M 到达饱和值时( M M ), eme S zkq20151222 有最小值, eme =0 ,代入(2-23)得: 1 2 2 2B (1 ) 1  2  1    0    B (1) 2Y (E C) (2-26) 3Y Y 3 1  M      1  2 2 4    2 2  C  B (1)  B (1) E (m ) 2Y 3 1  9 1 M s      将公式(2-26)代入(2-23)可得: 1 2B (1 ) 1 4 2 1  2 2  e    B (1) 2Y E (M )E (M) me 3Y Y 9 1 M s M  (2-27) 依据铁磁学理论,磁致应变和磁致伸缩系数存在下列关系: 3  eme (M)eme (0) (2-28) 2 15 南昌航空大学硕士学位论文 第 2 章 磁淬火硬化

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