专利名称：确定由可磁化材料制成的部件的应力的系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于确定由可磁化材料制成的部件(优选为飞行器部件)的应力的系统和方法。
背景技术：
如已知的，飞行器制造业使用氮化或碳化钢部件，其首先被碳化然后喷丸(shotpeened),并且最终被打磨。
喷丸是冷处理部件表面以在部件的最外层中产生各向同性的剩余压缩状态的一个机械过程。打磨通常在诸如剩余应力、微结构以及随之而来的对磨损和疲劳的耐性等方面影响喷丸部件的最终表面状况。特别地，如果不仔细地控制打磨参数，打磨区域中产生的热的形式的能量的局部注入可能造成表面层中的严重的热损坏。如果部件的温度超过回火温度，打磨可以产生冶金等级的微观结构的马氏体变化，导致所谓的过度回火马氏体涉及较软的表面区域和机械性特性通常降低的亚稳相。因此，过度回火的马氏体会加速裂痕的发生；并且打磨还可改变材料的剩余应力型式。在最坏的情形中，材料可能在表面区域中存在剩余的压缩性应力，并且在罪近表面的内部区域中存在剩余的张应力，因此导致材料的应力中的突然变化。应力的最终幅度和均一性可以显著地变化。因此感觉在该行业内存在以下需要，S卩，确定打磨在部件的应力上的效果，以使能够准确地评价部件对疲劳的耐性。已知的化学蚀刻部件检查方法仅对较重的微结构钢有效，并且总是涉及一定量的主观评价。此外，它们也不能确定过度回火在碳化或氮化钢铁部件的剩余应力中造成的改变。确定部件的应力的替换方法利用巴克豪森效应(Barkhausen effect)。根据巴克豪森效应，在暴露于变化的磁场中的可磁化(例如铁磁)材料的部件内部的磁通量不是连续变化的，而是经历离散的改变，这在靠近部件布置的线圈中诱发了电压脉冲，所述电压脉冲可以被放大并且连接到扩音器以产生公知为巴克豪森噪音的声学脉冲。在部件内部的磁通量的离散变化与磁畴边缘的不连续的移动相关。更具体地说，在未磁化部件中，磁畴(magnetic domain)随意地定位，因此本体的平均磁性是零。当暴露于外部磁场时，部件的畴的定位趋向于随之改变，并且经历相邻磁畴的壁的移动，因此由于部件内的磁性的间断性，本体的“宏观”磁化经历离散的改变。已知巴克豪森噪音特征受到部件的张力或压缩应力的影响。
因此感觉到在该行业内需要一种用于利用巴克豪森效应确定由可磁化材料制成的部件的应力的系统和方法，并且所述系统和方法易于实施。还感觉到需要一种用于在不同的部件深度下确定所述应力的直接、容易执行的系统和方法。

发明内容
根据本发明，提供了一种用于确定由可磁化材料制成的部件的应力的系统，该系统包括 -发生台，该发生台用于产生变化的幅度的磁场；以及-拾取台，该拾取台用于随所述磁场的所述幅度中的变化而获取巴克豪森噪音信号;该系统的特征在于包括用于随所述磁场的所述幅度的变化而计算所述信号的最大值的倒数的处理单元；所述处理单元包括存储台，该存储台用于存储所述最大值的所述倒数与显著应力值(significant stress value,有效应力值)之间的线性关系。根据本发明，还提供了一种用于确定由可磁化材料制成的部件的应力的方法，该方法包括以下步骤-产生不同幅度的磁场；以及-随所述磁场的所述幅度中的变化而获取所述部件的巴克豪森噪音信号；该方法的特征在于包括以下步骤-随所述磁场的所述幅度中的变化而计算所述巴克豪森噪音信号的最大值的倒数；以及-通过所述最大值的倒数与显著应力值之间的线性关系计算所述部件的显著应力值。


下面将通过例子，参考附图来描述根据本发明的优选的、非限定性的实施例，在附图中图I示出了根据本发明的用于确定由可磁化材料制成的部件的应力的系统的示意图；图2示出了随图I系统所施加的磁场的强度变化而获得的有效巴克豪森噪音信号值以及用于不同的显著施加应力值的图表；图3示出了随显著施加应力值的变化而获得的图2巴克豪森噪音信号的有效值，以及用于与图2中相同部件的图表；图4示出了随显著施加应力值中的变化而获得并且用于与图2和图3中相同部件的强制点处的非磁滞微分磁化率的理论测试图表；图5示出了随显著施加应力值中的变化而获得并且用于与图2、图3、和图4中的相同部件的非磁滞微分磁化率图表的倒数的理论测试图表；
图6示出了随显著施加应力值中的变化而获得并且用于与图2至图5中的相同部件的最大有效巴克豪森噪音信号值的倒数的理论测试图表；图7和图8出了随图I系统所施加的磁场的强度以及显著剩余应力值中的变化而获得并用于不同材料的相应部件的有效巴克豪森噪音信号值的图表；图9示出了随显著剩余应力值中的变化而获得并且用于与图7和图8中的相同部件的最大有效巴克豪森噪音信号值的倒数的图表。
具体实施例方式在图I中附图标记I指示作为整体的用于确定由可磁化(优选为铁磁的)材料制成的部件2的应力的系统。部件2优选地是飞行器部件。 部件2优选地通过热处理、喷丸和打磨已被固化。部件2还优选地由碳化或氮化钢制成，并且已经在回火温度以上被打磨。系统I大致地包括-磁化元件3，该磁化元件用于在部件2上产生具有不同频率值fl，f2，...，fi, . . . fn以及不同幅度值H的交替磁场；-探测器4，该探测器用于确定来源于部件2中磁场的作用的巴克豪森噪音的幅度的有效值MBN ；以及-处理单元5，该处理单元用于处理由探测器4获得的巴克豪森噪音，并且发出部件2中的应力的显著值σ。更具体地，元件3优选地是安装有连接至交流发电机6的绕组21的铁芯。元件3是U形的，并且包括两个平行臂7，该平行臂的相应端部接触并且垂直于部件2的自由表面8 ；以及横梁件9，该横梁件在臂7之间延伸并且平行于表面8且距所述表面8给定的距离。由元件3产生的磁场在部件2中诱发了离散变化的磁通量。探测器4包括绕组10，在其中获得两个相对臂7之间的磁通量的垂直分量。相同的磁通量存在于部件2中，并且在有效值MBN的电压中产生离散跳跃。对于每个频率fl, f2, . . . , fi, . . . fn来说,处理单元5随元件3所施加的磁场的幅度H中的变化而计算有效值MBN的最大值MBNmax。系统I还包括-放大器12，该放大器用于放大探测器4所获取的有效值MBN；以及-带通过滤器11，该带通过滤器用于过滤有效值MBN。·更具体地说，过滤器11设计为使得有效值MBN的处于这样的值(所述值为，-与表面8与部件2的检验区域之间的相应距离dl，d2，. . .，di，. . . dn相关的频率fl，f2，...，fi,... fn ;以及与距表面8的距离无关的阈值频率fo)之间的频率分量穿过。更具体地说，频率f i等于⑴这里μ=μομΓ是磁导率，σ e是电导率，并且di是距部件2的表面8的距离，显著应力值在其处被确定。因此每个频率fl, f2，. . .，fi，. . .，fn都对应于磁场向垂直于表面8从表面8测得的不同距离dl，d2，. . .，di，. . .，dn的给定渗透。更具体地说，频率fl, f2, . . . , fi, . . . , fn 减小越多,距离 dl, d2, . . . , di, . . . , dn
增加越多。处理单元5有利地构造为，针对与相应距离dl，d2，. . .，di，. . .，dn相对应的每个频率f 1，f2，. . .，fi，. . .，fn,随磁场的幅度H中的变化而计算有效值MBN的最大值MBNmax的倒数1/MBNmax，并且处理单元5包括存储台15，针对每个频率fl，f2，. . .，fi，. . .，fn，所述存储台15存储有效值MBN的最大值MBNmax的倒数(1/MBNmax)与显著应力值σ之间的线性关系(图6和图9)。在单轴应力的情形中，显著值σ等于张力或压缩应力，或者在多轴应力的情形中等于等效应力。因此每个线性关系都示出了在距表面8不同距离di处，最大值MBNmax的倒数(I/MBNmax)与显著应力值之间的关系。系统I还包括分析台20，以便从距离di处获取的有效值MBN中减去在小于距离di的距离dl，d2，· · ·，di-Ι处获取的有效值MBN的显著值。所述显著值优选地等于在距离di-Ι处获得的有效值MBN。系统I由此将由表面8与部件2的区域之间的距离di (在其中测得显著应力值)导致的有效值MBN的衰 减计算在内。优选地，针对相应频率f 1，f2，. . .，fi，. . .，fn，存储台15存储倒数Ι/MBNmax与用于显著施加的应力值σ之间的多个第一线性关系(在图5中示出了一个)。针对相应频率f 1，f2，. . .，fi，. . .，fn，存储台15还存储倒数Ι/MBNmax与显著剩余应力值σ之间的多个第二线性关系(在图9中示出了两个)。对于相同的频率值fl, f2, . . . , fi, . . . , fn来说所述关系的角系数优选地相等。当对系统I进行校准时获得存储在存储台15中的每个线性关系的图表。在校准台处，用于给定材料的显著值以及给定距离di通过X-射线衍射测量而确定，并且为每个显著应力值σ确定倒数1/MBNmax。放大器12、数据获取卡13、以及用于元件13的功率放大器14被安装在系统I的中心单元30中。发电机6、过滤器I、存储台15、分析台20和用于显示显著值σ的显示台35，安装在系统I的个人电脑中。在处理单元5上装载并且执行的软件利用一种算法，该算法产生倒数Ι/MBNmax的值和用于每个频率fi的相应显著值。在实际使用中，元件3产生具有给定频率fl，f2, , fi, , fn的可变化磁场。并且在保持频率fl，f2，. . .，fi，. . .，fn恒定时，磁场的幅度H是变化的。在撞击部件2的情况下，磁场使得部件2的磁畴对直，由此在探测器4的绕组10中产生有效值MBN的离散电压脉冲。过滤器11过滤有效值MBN的电压信号。对于每个频率值fl，f2，. . .，fi，. . .，fn，处理单元5随磁场的幅度H中的变化而计算有效值MBN的最大值MBNmax，并且根据存储台15中的线性关系(图5和图9)，产生部件2在与频率fl，f2，. . .，fi，. . .，fn相关的距离di处的显著应力值σ。频率Π，f2，. . .，fi，. . .，fn然后改变，并且重复如上所述测量，以利用存储在存储台15中的不同线性关系，获得部件2的不同的距离dl，d2，. . .，di，. . .，dn处的显著应力值σ。对于每个距离di来说，分析台20从在距离di处获得的有效值MBN中减去在距离dl，d2，. . . ,di-Ι处获取的有效值MBN的显著值，以将小于距表面8的距离di处的距离dl，d2, . . . , di-Ι的部件2的材料引起的巴克豪森噪音衰减计算在内。显著值优选地等于在距离di-Ι处获得的有效值MBN。在测量显著值σ之前，系统I通过将线性关系存储在存储台15中而被校准。更具体地说，由与部件2相同的材料制成的测试件受到应力，并且对于距表面8的每个距离di -显著应力值σ通过X-光线衍射测量而测得；以及-最大值MBNmax通过探测器4而测得。图5和图9中示出了线性关系并且其是本申请人研究的结果，如下面描述的。非常简要地，申请人已观察到-对于给定的材料来说，给定频率fi下的有效值MBN的最大值MBNmax取决于最大微分磁化率X’ _ ；-对于大多数材料来说，非磁滞微分磁化率X’an等于最大微分磁化率X’ _ ;以及非磁滞微分磁化率X’ an的倒数是材料的显著应力值的线性函数。更具体地说，最大非磁滞微分磁化率X’吣通常在强制点处达到，即，当所施加的磁场的幅度H是零并且部件2包含由部件2的材料的磁滞循环导致的剩余磁化时达到。申请人:因此推断出，并且通过测试确认，最大值MBNmax的倒数Ι/MBNmax与显著值σ之间存在线性关系。更具体地说，申请人将SAE9310和SAE32⑶V13钢铁的圆柱形测试件与SAE9310钢铁的圆形狗骨状张力测试件一起打磨，以获取工作表面上的不同条件。表I中示出了它们的化学组成。
权利要求
1.一种用于确定由可磁化材料制成的部件(2)的显著应力值(O )的系统(1)，所述系统包括 -发生台(3)，所述发生台用于产生不同幅度(H)的磁场；以及 -拾取台(4)，所述拾取台用于随所述磁场的所述幅度(H)中的变化而获取巴克豪森噪音信号(MBN)； 所述系统的特征在于包括处理单元(5)，所述处理单元用于随所述磁场的所述幅度(H)中的变化而计算所述信号(MBN)的最大值(MBNmax)的倒数(1/MBNmax)； 所述处理单元(5)包括存储台(15)，所述存储台用于存储所述最大值的所述倒数(I/MBNmax)与所述显著应力值(σ )之间的线性关系。
2.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，包括带通过滤器(11)，所述带通过滤器用于过滤来自所述拾取台(4)下游和所述存储台(15)上游的所述信号(ΜΒΝ)。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述发生台(3)以与距所述部件(2)的自由表面(8)的第一距离(dl，d2)相关的至少第一频率(fl，f2)产生所述磁场； 所述带通过滤器(11)允许所述信号(MBN)的频率在所述第一频率(Π，f2 )与跟所述距离(dl，d2 )无关的阈值频率(fO )之间的分量通过。
4.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于，所述发生台(3)还至少以第二频率(f2, fI)产生所述磁场； 所述存储台(15)存储分别与所述第一和第二频率(Π，f2)相关并且与分别距所述部件(2)的表面的第一和第二距离(dl，d2)处的所述显著应力值(σ )相关的第一和第二所述线性关系。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述发生台(3)产生与距所述表面(8)的增加距离(dl, d2, d3, di, . . . , dn)相关的频率(fl, f2, f3, fi, . . . , fn)范围内的所述磁场； 所述处理单元(5)包括分析台(20)，所述分析台从在给定距离(di)处拾取的所述信号(MBN)中减去表示在小于所述给定距离(di )的距离(dl，d2，, di-1)处拾取的信号(MBN)的数值。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述分析台(20)从在所述给定距离(di)处拾取的所述信号(MBN)中减去在所述给定距离(di)之前的距离(di-Ι)处拾取的信号(MBN)。
7.根据上述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述存储台(15)用于 -随所述幅度(H)中的变化并且针对给定频率(f I，f2)存储所述最大值的所述倒数(I/MBNmax)与显著施加应力值(σ )之间的第一线性关系；以及 -随所述幅度(H)中的变化并且针对给定频率(f I，f2)存储所述最大值的所述倒数(I/MBNmax)与显著剩余应力值(σ )之间的第二线性关系。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一与第二线性关系的角系数对于由相同材料制成的部件(2)来说是相等的。
9.一种确定由可磁化材料制成的部件(2)的应力的方法，该方法包括以下步骤 -产生变化的幅度(H)的磁场；以及 -随所述磁场的所述幅度(H)中的变化而获取所述部件(2)的巴克豪森噪音信号(MBN)； 该方法的特征在于包括以下步骤 -随所述磁场中的所述幅度(H)中的变化而计算所述巴克豪森噪音信号的最大值(MBNmax)的倒数(1/MBNmax);以及 通过所述最大值(MBNmax)的所述倒数(1/MBNmax)与显著应力值(σ )之间的线性关系而计算所述部件(2)的显著应力值(σ )。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，包括位于所述计算步骤之前且位于所述获取步骤之后的过滤所述信号(MBN)的步骤。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述产生步骤包括以下步骤以与距所述部件(2)的自由表面(8)的第一距离(dl，d2，···，dn)相关的第一频率(fl，f2，···，fn)产生所述磁场； 所述过滤步骤包括以下步骤过滤所述信号(MBN)的处于所述第一频率(fl，f2,fn)与跟所述第一距离(dl，d2，…，dn)无关的阈值频率(f0)之间的频率的带。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述产生步骤包括还以第二频率(f2)产生所述磁场的步骤； 其特征在于包括以下步骤存储分别与所述第一和第二频率(Π，f2，. . . , fn ；f2)相关并且与分别距所述部件(2)的所述表面(8)的第一和第二距离(dl，d2，. . . ,dn ；d2)处的所述显著应力值(σ )相关的第一与第二所述线性关系。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于， 所述产生步骤包括以下步骤产生与距所述表面(8)的增加距离(dl，d2，d3，...，di, . . . , dn)相关的频率(fI, f2, f3, . . . , fi, . . . , fn)的范围内的所述磁场； 所述计算步骤包括以下步骤从在给定距离(di)处拾取的中所述信号(MBN)中减去在小于所述给定距离(di)的距离(di-Ι)处拾取的信号(ΜΒΝ)。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，其特征在于，包括校准步骤，在所述校准步骤中计算所述线性关系； 所述校准步骤还包括以下步骤 -将载荷施加到所述部件(2)以在所述部件(2)中产生应力； -通过X-光线衍射测量来测量所述显著应力值(σ );以及 -确定每个所述显著应力值(σ )处的所述巴克豪森噪音信号的最大值(MBNmax)的所述倒数(I /MBNmax )。
15.一种可加载到处理单元(5)上的软件产品，并且其中当运行时，执行如权利要求9至14中任一项中所述的方法的步骤。
全文摘要
一种用于确定由可磁化材料制成的部件(2)的显著应力值(σ)的系统(1)，该系统包括发生台(3)，该发生台用于产生变化的幅度(H)的磁场；以及拾取台(4)，该拾取台用于随所述磁场的所述幅度(H)中的变化而获取巴克豪森噪音信号(MBN)；该系统的特征在于具有处理单元(5)，所述处理单元用于随磁场的所述幅度(H)的变化而计算信号(MBN)的最大值(MBNmax)的倒数(1/MBNmax)；处理单元(5)具有存储台(15)，所述存储台用于存储所述最大值的所述倒数(1/MBNmax)与显著应力值(σ)之间的线性关系。
文档编号G01L1/12GK102971612SQ201180025337
公开日2013年3月13日 申请日期2011年5月23日 优先权日2010年5月21日
发明者路易吉·梅莱蒂, 加布里埃莱·凡托尼, 卢卡什·米尔克扎克, 大卫·C·希莱斯 申请人:奥格斯塔韦斯兰股份公司