專利名稱：確定由可磁化材料制成的部件的應力的系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于確定由可磁化材料制成的部件(優(yōu)選為飛行器部件)的應力的系統(tǒng)和方法。
背景技術：
如已知的，飛行器制造業(yè)使用氮化或碳化鋼部件，其首先被碳化然后噴丸(shotpeened),并且最終被打磨。
噴丸是冷處理部件表面以在部件的最外層中產生各向同性的剩余壓縮狀態(tài)的一個機械過程。打磨通常在諸如剩余應力、微結構以及隨之而來的對磨損和疲勞的耐性等方面影響噴丸部件的最終表面狀況。特別地，如果不仔細地控制打磨參數，打磨區(qū)域中產生的熱的形式的能量的局部注入可能造成表面層中的嚴重的熱損壞。如果部件的溫度超過回火溫度，打磨可以產生冶金等級的微觀結構的馬氏體變化，導致所謂的過度回火馬氏體涉及較軟的表面區(qū)域和機械性特性通常降低的亞穩(wěn)相。因此，過度回火的馬氏體會加速裂痕的發(fā)生；并且打磨還可改變材料的剩余應力型式。在最壞的情形中，材料可能在表面區(qū)域中存在剩余的壓縮性應力，并且在罪近表面的內部區(qū)域中存在剩余的張應力，因此導致材料的應力中的突然變化。應力的最終幅度和均一性可以顯著地變化。因此感覺在該行業(yè)內存在以下需要，S卩，確定打磨在部件的應力上的效果，以使能夠準確地評價部件對疲勞的耐性。已知的化學蝕刻部件檢查方法僅對較重的微結構鋼有效，并且總是涉及一定量的主觀評價。此外，它們也不能確定過度回火在碳化或氮化鋼鐵部件的剩余應力中造成的改變。確定部件的應力的替換方法利用巴克豪森效應(Barkhausen effect)。根據巴克豪森效應，在暴露于變化的磁場中的可磁化(例如鐵磁)材料的部件內部的磁通量不是連續(xù)變化的，而是經歷離散的改變，這在靠近部件布置的線圈中誘發(fā)了電壓脈沖，所述電壓脈沖可以被放大并且連接到擴音器以產生公知為巴克豪森噪音的聲學脈沖。在部件內部的磁通量的離散變化與磁疇邊緣的不連續(xù)的移動相關。更具體地說，在未磁化部件中，磁疇(magnetic domain)隨意地定位，因此本體的平均磁性是零。當暴露于外部磁場時，部件的疇的定位趨向于隨之改變，并且經歷相鄰磁疇的壁的移動，因此由于部件內的磁性的間斷性，本體的“宏觀”磁化經歷離散的改變。已知巴克豪森噪音特征受到部件的張力或壓縮應力的影響。
因此感覺到在該行業(yè)內需要一種用于利用巴克豪森效應確定由可磁化材料制成的部件的應力的系統(tǒng)和方法，并且所述系統(tǒng)和方法易于實施。還感覺到需要一種用于在不同的部件深度下確定所述應力的直接、容易執(zhí)行的系統(tǒng)和方法。

發(fā)明內容
根據本發(fā)明，提供了一種用于確定由可磁化材料制成的部件的應力的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括 -發(fā)生臺，該發(fā)生臺用于產生變化的幅度的磁場；以及-拾取臺，該拾取臺用于隨所述磁場的所述幅度中的變化而獲取巴克豪森噪音信號;該系統(tǒng)的特征在于包括用于隨所述磁場的所述幅度的變化而計算所述信號的最大值的倒數的處理單元；所述處理單元包括存儲臺，該存儲臺用于存儲所述最大值的所述倒數與顯著應力值(significant stress value,有效應力值)之間的線性關系。根據本發(fā)明，還提供了一種用于確定由可磁化材料制成的部件的應力的方法，該方法包括以下步驟-產生不同幅度的磁場；以及-隨所述磁場的所述幅度中的變化而獲取所述部件的巴克豪森噪音信號；該方法的特征在于包括以下步驟-隨所述磁場的所述幅度中的變化而計算所述巴克豪森噪音信號的最大值的倒數；以及-通過所述最大值的倒數與顯著應力值之間的線性關系計算所述部件的顯著應力值。


下面將通過例子，參考附圖來描述根據本發(fā)明的優(yōu)選的、非限定性的實施例，在附圖中圖I示出了根據本發(fā)明的用于確定由可磁化材料制成的部件的應力的系統(tǒng)的示意圖；圖2示出了隨圖I系統(tǒng)所施加的磁場的強度變化而獲得的有效巴克豪森噪音信號值以及用于不同的顯著施加應力值的圖表；圖3示出了隨顯著施加應力值的變化而獲得的圖2巴克豪森噪音信號的有效值，以及用于與圖2中相同部件的圖表；圖4示出了隨顯著施加應力值中的變化而獲得并且用于與圖2和圖3中相同部件的強制點處的非磁滯微分磁化率的理論測試圖表；圖5示出了隨顯著施加應力值中的變化而獲得并且用于與圖2、圖3、和圖4中的相同部件的非磁滯微分磁化率圖表的倒數的理論測試圖表；
圖6示出了隨顯著施加應力值中的變化而獲得并且用于與圖2至圖5中的相同部件的最大有效巴克豪森噪音信號值的倒數的理論測試圖表；圖7和圖8出了隨圖I系統(tǒng)所施加的磁場的強度以及顯著剩余應力值中的變化而獲得并用于不同材料的相應部件的有效巴克豪森噪音信號值的圖表；圖9示出了隨顯著剩余應力值中的變化而獲得并且用于與圖7和圖8中的相同部件的最大有效巴克豪森噪音信號值的倒數的圖表。
具體實施例方式在圖I中附圖標記I指示作為整體的用于確定由可磁化(優(yōu)選為鐵磁的)材料制成的部件2的應力的系統(tǒng)。部件2優(yōu)選地是飛行器部件。 部件2優(yōu)選地通過熱處理、噴丸和打磨已被固化。部件2還優(yōu)選地由碳化或氮化鋼制成，并且已經在回火溫度以上被打磨。系統(tǒng)I大致地包括-磁化元件3，該磁化元件用于在部件2上產生具有不同頻率值fl，f2，...，fi, . . . fn以及不同幅度值H的交替磁場；-探測器4，該探測器用于確定來源于部件2中磁場的作用的巴克豪森噪音的幅度的有效值MBN ；以及-處理單元5，該處理單元用于處理由探測器4獲得的巴克豪森噪音，并且發(fā)出部件2中的應力的顯著值σ。更具體地，元件3優(yōu)選地是安裝有連接至交流發(fā)電機6的繞組21的鐵芯。元件3是U形的，并且包括兩個平行臂7，該平行臂的相應端部接觸并且垂直于部件2的自由表面8 ；以及橫梁件9，該橫梁件在臂7之間延伸并且平行于表面8且距所述表面8給定的距離。由元件3產生的磁場在部件2中誘發(fā)了離散變化的磁通量。探測器4包括繞組10，在其中獲得兩個相對臂7之間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的電壓中產生離散跳躍。對于每個頻率fl, f2, . . . , fi, . . . fn來說,處理單元5隨元件3所施加的磁場的幅度H中的變化而計算有效值MBN的最大值MBNmax。系統(tǒng)I還包括-放大器12，該放大器用于放大探測器4所獲取的有效值MBN；以及-帶通過濾器11，該帶通過濾器用于過濾有效值MBN?！じ唧w地說，過濾器11設計為使得有效值MBN的處于這樣的值(所述值為，-與表面8與部件2的檢驗區(qū)域之間的相應距離dl，d2，. . .，di，. . . dn相關的頻率fl，f2，...，fi,... fn ;以及與距表面8的距離無關的閾值頻率fo)之間的頻率分量穿過。更具體地說，頻率f i等于⑴這里μ=μομΓ是磁導率，σ e是電導率，并且di是距部件2的表面8的距離，顯著應力值在其處被確定。因此每個頻率fl, f2，. . .，fi，. . .，fn都對應于磁場向垂直于表面8從表面8測得的不同距離dl，d2，. . .，di，. . .，dn的給定滲透。更具體地說，頻率fl, f2, . . . , fi, . . . , fn 減小越多,距離 dl, d2, . . . , di, . . . , dn
增加越多。處理單元5有利地構造為，針對與相應距離dl，d2，. . .，di，. . .，dn相對應的每個頻率f 1，f2，. . .，fi，. . .，fn,隨磁場的幅度H中的變化而計算有效值MBN的最大值MBNmax的倒數1/MBNmax，并且處理單元5包括存儲臺15，針對每個頻率fl，f2，. . .，fi，. . .，fn，所述存儲臺15存儲有效值MBN的最大值MBNmax的倒數(1/MBNmax)與顯著應力值σ之間的線性關系(圖6和圖9)。在單軸應力的情形中，顯著值σ等于張力或壓縮應力，或者在多軸應力的情形中等于等效應力。因此每個線性關系都示出了在距表面8不同距離di處，最大值MBNmax的倒數(I/MBNmax)與顯著應力值之間的關系。系統(tǒng)I還包括分析臺20，以便從距離di處獲取的有效值MBN中減去在小于距離di的距離dl，d2，· · ·，di-Ι處獲取的有效值MBN的顯著值。所述顯著值優(yōu)選地等于在距離di-Ι處獲得的有效值MBN。系統(tǒng)I由此將由表面8與部件2的區(qū)域之間的距離di (在其中測得顯著應力值)導致的有效值MBN的衰 減計算在內。優(yōu)選地，針對相應頻率f 1，f2，. . .，fi，. . .，fn，存儲臺15存儲倒數Ι/MBNmax與用于顯著施加的應力值σ之間的多個第一線性關系(在圖5中示出了一個)。針對相應頻率f 1，f2，. . .，fi，. . .，fn，存儲臺15還存儲倒數Ι/MBNmax與顯著剩余應力值σ之間的多個第二線性關系(在圖9中示出了兩個)。對于相同的頻率值fl, f2, . . . , fi, . . . , fn來說所述關系的角系數優(yōu)選地相等。當對系統(tǒng)I進行校準時獲得存儲在存儲臺15中的每個線性關系的圖表。在校準臺處，用于給定材料的顯著值以及給定距離di通過X-射線衍射測量而確定，并且為每個顯著應力值σ確定倒數1/MBNmax。放大器12、數據獲取卡13、以及用于元件13的功率放大器14被安裝在系統(tǒng)I的中心單元30中。發(fā)電機6、過濾器I、存儲臺15、分析臺20和用于顯示顯著值σ的顯示臺35，安裝在系統(tǒng)I的個人電腦中。在處理單元5上裝載并且執(zhí)行的軟件利用一種算法，該算法產生倒數Ι/MBNmax的值和用于每個頻率fi的相應顯著值。在實際使用中，元件3產生具有給定頻率fl，f2, , fi, , fn的可變化磁場。并且在保持頻率fl，f2，. . .，fi，. . .，fn恒定時，磁場的幅度H是變化的。在撞擊部件2的情況下，磁場使得部件2的磁疇對直，由此在探測器4的繞組10中產生有效值MBN的離散電壓脈沖。過濾器11過濾有效值MBN的電壓信號。對于每個頻率值fl，f2，. . .，fi，. . .，fn，處理單元5隨磁場的幅度H中的變化而計算有效值MBN的最大值MBNmax，并且根據存儲臺15中的線性關系(圖5和圖9)，產生部件2在與頻率fl，f2，. . .，fi，. . .，fn相關的距離di處的顯著應力值σ。頻率Π，f2，. . .，fi，. . .，fn然后改變，并且重復如上所述測量，以利用存儲在存儲臺15中的不同線性關系，獲得部件2的不同的距離dl，d2，. . .，di，. . .，dn處的顯著應力值σ。對于每個距離di來說，分析臺20從在距離di處獲得的有效值MBN中減去在距離dl，d2，. . . ,di-Ι處獲取的有效值MBN的顯著值，以將小于距表面8的距離di處的距離dl，d2, . . . , di-Ι的部件2的材料引起的巴克豪森噪音衰減計算在內。顯著值優(yōu)選地等于在距離di-Ι處獲得的有效值MBN。在測量顯著值σ之前，系統(tǒng)I通過將線性關系存儲在存儲臺15中而被校準。更具體地說，由與部件2相同的材料制成的測試件受到應力，并且對于距表面8的每個距離di -顯著應力值σ通過X-光線衍射測量而測得；以及-最大值MBNmax通過探測器4而測得。圖5和圖9中示出了線性關系并且其是本申請人研究的結果，如下面描述的。非常簡要地，申請人已觀察到-對于給定的材料來說，給定頻率fi下的有效值MBN的最大值MBNmax取決于最大微分磁化率X’ _ ；-對于大多數材料來說，非磁滯微分磁化率X’an等于最大微分磁化率X’ _ ;以及非磁滯微分磁化率X’ an的倒數是材料的顯著應力值的線性函數。更具體地說，最大非磁滯微分磁化率X’吣通常在強制點處達到，即，當所施加的磁場的幅度H是零并且部件2包含由部件2的材料的磁滯循環(huán)導致的剩余磁化時達到。申請人:因此推斷出，并且通過測試確認，最大值MBNmax的倒數Ι/MBNmax與顯著值σ之間存在線性關系。更具體地說，申請人將SAE9310和SAE32⑶V13鋼鐵的圓柱形測試件與SAE9310鋼鐵的圓形狗骨狀張力測試件一起打磨，以獲取工作表面上的不同條件。表I中示出了它們的化學組成。
權利要求
1.一種用于確定由可磁化材料制成的部件(2)的顯著應力值(O )的系統(tǒng)(1)，所述系統(tǒng)包括 -發(fā)生臺(3)，所述發(fā)生臺用于產生不同幅度(H)的磁場；以及 -拾取臺(4)，所述拾取臺用于隨所述磁場的所述幅度(H)中的變化而獲取巴克豪森噪音信號(MBN)； 所述系統(tǒng)的特征在于包括處理單元(5)，所述處理單元用于隨所述磁場的所述幅度(H)中的變化而計算所述信號(MBN)的最大值(MBNmax)的倒數(1/MBNmax)； 所述處理單元(5)包括存儲臺(15)，所述存儲臺用于存儲所述最大值的所述倒數(I/MBNmax)與所述顯著應力值(σ )之間的線性關系。
2.根據權利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，包括帶通過濾器(11)，所述帶通過濾器用于過濾來自所述拾取臺(4)下游和所述存儲臺(15)上游的所述信號(ΜΒΝ)。
3.根據權利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)生臺(3)以與距所述部件(2)的自由表面(8)的第一距離(dl，d2)相關的至少第一頻率(fl，f2)產生所述磁場； 所述帶通過濾器(11)允許所述信號(MBN)的頻率在所述第一頻率(Π，f2 )與跟所述距離(dl，d2 )無關的閾值頻率(fO )之間的分量通過。
4.根據權利要求2或3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)生臺(3)還至少以第二頻率(f2, fI)產生所述磁場； 所述存儲臺(15)存儲分別與所述第一和第二頻率(Π，f2)相關并且與分別距所述部件(2)的表面的第一和第二距離(dl，d2)處的所述顯著應力值(σ )相關的第一和第二所述線性關系。
5.根據權利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)生臺(3)產生與距所述表面(8)的增加距離(dl, d2, d3, di, . . . , dn)相關的頻率(fl, f2, f3, fi, . . . , fn)范圍內的所述磁場； 所述處理單元(5)包括分析臺(20)，所述分析臺從在給定距離(di)處拾取的所述信號(MBN)中減去表示在小于所述給定距離(di )的距離(dl，d2，, di-1)處拾取的信號(MBN)的數值。
6.根據權利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述分析臺(20)從在所述給定距離(di)處拾取的所述信號(MBN)中減去在所述給定距離(di)之前的距離(di-Ι)處拾取的信號(MBN)。
7.根據上述權利要求中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述存儲臺(15)用于 -隨所述幅度(H)中的變化并且針對給定頻率(f I，f2)存儲所述最大值的所述倒數(I/MBNmax)與顯著施加應力值(σ )之間的第一線性關系；以及 -隨所述幅度(H)中的變化并且針對給定頻率(f I，f2)存儲所述最大值的所述倒數(I/MBNmax)與顯著剩余應力值(σ )之間的第二線性關系。
8.根據權利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一與第二線性關系的角系數對于由相同材料制成的部件(2)來說是相等的。
9.一種確定由可磁化材料制成的部件(2)的應力的方法，該方法包括以下步驟 -產生變化的幅度(H)的磁場；以及 -隨所述磁場的所述幅度(H)中的變化而獲取所述部件(2)的巴克豪森噪音信號(MBN)； 該方法的特征在于包括以下步驟 -隨所述磁場中的所述幅度(H)中的變化而計算所述巴克豪森噪音信號的最大值(MBNmax)的倒數(1/MBNmax);以及 通過所述最大值(MBNmax)的所述倒數(1/MBNmax)與顯著應力值(σ )之間的線性關系而計算所述部件(2)的顯著應力值(σ )。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，包括位于所述計算步驟之前且位于所述獲取步驟之后的過濾所述信號(MBN)的步驟。
11.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，所述產生步驟包括以下步驟以與距所述部件(2)的自由表面(8)的第一距離(dl，d2，···，dn)相關的第一頻率(fl，f2，···，fn)產生所述磁場； 所述過濾步驟包括以下步驟過濾所述信號(MBN)的處于所述第一頻率(fl，f2,fn)與跟所述第一距離(dl，d2，…，dn)無關的閾值頻率(f0)之間的頻率的帶。
12.根據權利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述產生步驟包括還以第二頻率(f2)產生所述磁場的步驟； 其特征在于包括以下步驟存儲分別與所述第一和第二頻率(Π，f2，. . . , fn ；f2)相關并且與分別距所述部件(2)的所述表面(8)的第一和第二距離(dl，d2，. . . ,dn ；d2)處的所述顯著應力值(σ )相關的第一與第二所述線性關系。
13.根據權利要求12所述的方法，其特征在于， 所述產生步驟包括以下步驟產生與距所述表面(8)的增加距離(dl，d2，d3，...，di, . . . , dn)相關的頻率(fI, f2, f3, . . . , fi, . . . , fn)的范圍內的所述磁場； 所述計算步驟包括以下步驟從在給定距離(di)處拾取的中所述信號(MBN)中減去在小于所述給定距離(di)的距離(di-Ι)處拾取的信號(ΜΒΝ)。
14.根據權利要求9至13中任一項所述的方法，其特征在于，包括校準步驟，在所述校準步驟中計算所述線性關系； 所述校準步驟還包括以下步驟 -將載荷施加到所述部件(2)以在所述部件(2)中產生應力； -通過X-光線衍射測量來測量所述顯著應力值(σ );以及 -確定每個所述顯著應力值(σ )處的所述巴克豪森噪音信號的最大值(MBNmax)的所述倒數(I /MBNmax )。
15.一種可加載到處理單元(5)上的軟件產品，并且其中當運行時，執(zhí)行如權利要求9至14中任一項中所述的方法的步驟。
全文摘要
一種用于確定由可磁化材料制成的部件(2)的顯著應力值(σ)的系統(tǒng)(1)，該系統(tǒng)包括發(fā)生臺(3)，該發(fā)生臺用于產生變化的幅度(H)的磁場；以及拾取臺(4)，該拾取臺用于隨所述磁場的所述幅度(H)中的變化而獲取巴克豪森噪音信號(MBN)；該系統(tǒng)的特征在于具有處理單元(5)，所述處理單元用于隨磁場的所述幅度(H)的變化而計算信號(MBN)的最大值(MBNmax)的倒數(1/MBNmax)；處理單元(5)具有存儲臺(15)，所述存儲臺用于存儲所述最大值的所述倒數(1/MBNmax)與顯著應力值(σ)之間的線性關系。
文檔編號G01L1/12GK102971612SQ201180025337
公開日2013年3月13日 申請日期2011年5月23日 優(yōu)先權日2010年5月21日
發(fā)明者路易吉·梅萊蒂, 加布里埃萊·凡托尼, 盧卡什·米爾克扎克, 大衛(wèi)·C·希萊斯 申請人:奧格斯塔韋斯蘭股份公司