基于巴克豪森效應(yīng)的預(yù)應(yīng)筋應(yīng)力檢測(cè)試驗(yàn)研究

李 匯，王學(xué)國，何國武

中國十五冶金建設(shè)有限公司（435000）

基于巴克豪森效應(yīng)的預(yù)應(yīng)筋應(yīng)力檢測(cè)試驗(yàn)研究

李 匯，王學(xué)國，何國武

中國十五冶金建設(shè)有限公司（435000）

基于巴克豪森噪聲效應(yīng)的應(yīng)力檢測(cè)方法是一種新型的無損檢測(cè)方法，巴克豪森噪聲特征依賴于材料的微觀組織結(jié)構(gòu)與應(yīng)力狀態(tài)。采用與現(xiàn)場(chǎng)材質(zhì)、組織狀態(tài)、晶粒度等相同的預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行張拉試驗(yàn)研究，可獲得巴克豪森噪聲與張拉應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到巴克豪森噪聲與應(yīng)力的標(biāo)定曲線。

巴克豪森噪聲；預(yù)應(yīng)力；應(yīng)力檢測(cè)

預(yù)應(yīng)力筋是預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力構(gòu)件,預(yù)應(yīng)力筋在張拉及服役使用過程中,由于多種因素會(huì)產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失，造成預(yù)應(yīng)力水平的降低和預(yù)應(yīng)力分布的不均勻。預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力分布及其變化會(huì)直接影響結(jié)構(gòu)承載能力,若不能及時(shí)準(zhǔn)確地了解和掌握其應(yīng)力狀態(tài)和變化規(guī)律,就難以正確地評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的整體性能。預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力狀態(tài)監(jiān)測(cè)是大型預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵,也是當(dāng)前監(jiān)測(cè)技術(shù)中的難點(diǎn)和亟待解決的主要問題。

目前國內(nèi)外預(yù)應(yīng)力測(cè)試方法主要有:錨端預(yù)應(yīng)力測(cè)試、混凝土壓應(yīng)變間接測(cè)試、預(yù)應(yīng)力直接測(cè)試、無損超聲測(cè)試。其中無損測(cè)試技術(shù)因不破壞結(jié)構(gòu)并能實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)而被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域?；诎涂撕郎?yīng)的磁測(cè)法是一種新型的無損檢測(cè)方法——利用鐵磁材料的磁化特性檢測(cè)鐵磁材料構(gòu)件表面缺陷、次表面顯微組織及應(yīng)力狀態(tài)變化，近幾年已廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天和冶金機(jī)械設(shè)備等制造業(yè)的在檢測(cè)，其精度、靈敏度和可靠性均比傳統(tǒng)的無損探傷方法優(yōu)越[1]。該方法可對(duì)鐵磁材料的殘余應(yīng)力、服役應(yīng)力及疲勞壽命等進(jìn)行在線、無損、定向檢測(cè)。

1 磁巴克豪森噪聲MBN

鐵磁材料包含著許多小磁疇,每個(gè)磁疇都有一個(gè)特定的自發(fā)磁化方向,各磁疇之間由一個(gè)被稱為疇壁的邊界分開[2]。在無外界因素作用下,每個(gè)磁疇沿其易極化的結(jié)晶方向取向,其總體磁化效果為零；當(dāng)有外加交變磁場(chǎng)或應(yīng)力作用時(shí)，磁疇沿其作用方向發(fā)生反轉(zhuǎn)或沿磁疇壁移動(dòng),磁疇的不可逆運(yùn)動(dòng)和疇壁的不可逆跳躍式位移,使鐵磁材料表面釋放連續(xù)的高頻脈沖電壓信號(hào)，這些信號(hào)由德國物理學(xué)家Barkhausen教授于1919年發(fā)現(xiàn)[3]。利用法拉第電磁感應(yīng)原理，鐵磁材料表面的接收線圈會(huì)接收到磁疇錯(cuò)動(dòng)釋放的抖動(dòng)脈沖電壓和噪音，經(jīng)放大、濾波、抑制及信號(hào)處理，形成特征的磁巴克豪森噪聲（MBN）。

圖1是磁疇未磁化的結(jié)構(gòu)示意圖,箭頭代表每一個(gè)磁疇的磁矩方向，磁疇按疇壁兩側(cè)磁矩方向可分為180°和90°疇壁（2個(gè)相鄰磁疇的方向相反，2疇間的疇壁稱為180°疇壁；2個(gè)相鄰磁疇的磁化方向垂直，稱為180°疇壁）。目前比較公認(rèn)的看法是MBN主要源于180°疇壁的不可逆運(yùn)動(dòng)、90°度疇壁的不可逆運(yùn)動(dòng)和磁疇的不可逆轉(zhuǎn)動(dòng)[4]。

研究表明，材料的MBN 信號(hào)強(qiáng)烈依賴于材料的彈性變形，MBN的特征可以反映材料磁疇結(jié)構(gòu)和磁疇的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。一般認(rèn)為，對(duì)具有正磁致伸縮系數(shù)的材料（如鋼材），磁疇磁矩位于拉應(yīng)力方向時(shí)，磁彈性能最低，因此拉應(yīng)力將使磁疇趨于應(yīng)力的方向排列,這樣應(yīng)力方向上的180°疇壁不可逆位移產(chǎn)生的巴克豪森信號(hào)強(qiáng)。相反，在壓應(yīng)力作用下，為了使磁彈性能降低，與應(yīng)力方向成90°疇壁擴(kuò)大，而180°疇壁減小，從而導(dǎo)致磁化時(shí)巴克豪森信號(hào)減弱[5]。MBN的強(qiáng)度對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)、晶粒度、晶體缺陷及所受應(yīng)力狀態(tài)等因素比較敏感。其中，當(dāng)其他因素相對(duì)固定時(shí)，若試樣上的拉應(yīng)力越大，MBN信號(hào)的強(qiáng)度越高；壓應(yīng)力越大，MBN信號(hào)的強(qiáng)度越低[6]。利用材料的這個(gè)特性，通過測(cè)量MBN信號(hào)的強(qiáng)度，就可以確定試樣中的應(yīng)力大小。

2 預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力檢測(cè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)備:張拉臺(tái)座、錨具、千斤頂、Rollscan250磁彈儀、20 MHz示波器。

張拉材料:預(yù)應(yīng)力鋼筋采用12根鋼絲捻制而成的15.2 mm的高強(qiáng)低松弛預(yù)應(yīng)力鋼鉸線（化學(xué)成分如表1）,強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fptk=1 860MPa，張拉控制應(yīng)力 σcom=0.75fptk，彈性模量 E=1.95×105MPa。

試驗(yàn)在室溫環(huán)境下進(jìn)行，采用先張法施加預(yù)應(yīng)力，測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。測(cè)試系統(tǒng)對(duì)鋼鉸線進(jìn)行分級(jí)加載，直至張拉控制應(yīng)力。Rollscan250磁彈儀采用電壓脈沖時(shí)域范圍內(nèi)的均方根來描述巴克豪森信號(hào)強(qiáng)弱變化，并以MP值表示噪聲強(qiáng)度大小。測(cè)量時(shí)，將磁彈儀的探頭固定于鋼絞線表面，測(cè)量方向與加載方向相同，調(diào)節(jié)儀器的磁化參數(shù)，使其輸出量MP的分辨率為最大。記錄張拉過程中巴克豪森噪聲輸出信號(hào)強(qiáng)度隨張拉力的變化,從而標(biāo)定出巴克豪森噪聲信號(hào)與應(yīng)力大小之間的關(guān)系曲線。

表1 鋼絞線化學(xué)成分

3 試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果分析

巴克豪森效應(yīng)在測(cè)試系統(tǒng)傳感探頭產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為微伏量級(jí),可通過調(diào)節(jié)磁彈儀可調(diào)節(jié)參數(shù)使有用信號(hào)得以放大，干擾信號(hào)得到抑制。本試驗(yàn)取磁化參數(shù)為45，信號(hào)檢測(cè)頻率70～150 kHz（試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)力變化較敏感的MBN頻帶在50～150 kHz之間[7]），測(cè)量深度為0.07 mm，用數(shù)字存儲(chǔ)示波器記錄巴克豪森噪聲的波形，采樣時(shí)間為。測(cè)量時(shí)，將示波器的探頭接到儀器的信號(hào)輸出端和地線,調(diào)節(jié)示波器的時(shí)間、電壓調(diào)節(jié)旋鈕，觀測(cè)巴克豪森噪聲輸出信號(hào)。巴克豪森噪訊經(jīng)檢波后輸出給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),然后進(jìn)行信號(hào)分析處理,測(cè)試顯示結(jié)果為幾個(gè)磁循環(huán)的巴克豪森信號(hào)的均方根值，即MP值。表2為試驗(yàn)測(cè)試所獲得的巴克豪森噪聲強(qiáng)度MP值。

表2 巴克豪森噪聲強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)

對(duì)表2所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,根據(jù)離散點(diǎn)分布特征，選擇三次多項(xiàng)式作為回歸分析模型，因此實(shí)測(cè)鐵磁材料磁巴克豪噪聲強(qiáng)度MP值與張拉應(yīng)力的關(guān)系式為:

式中:Y—巴克豪森噪聲強(qiáng)度MP值；

X—預(yù)應(yīng)力筋張拉應(yīng)力；

a，b，c，d—由測(cè)試數(shù)據(jù)確定的回歸系數(shù)值。

圖3即為磁巴克豪森噪聲強(qiáng)度MP值隨預(yù)應(yīng)力筋張拉應(yīng)力變化曲線。由圖可知巴克豪森噪聲與應(yīng)力呈非線性關(guān)系，巴克豪森噪聲強(qiáng)度隨著張拉應(yīng)力的增大而增強(qiáng)。

4 結(jié)語

巴克豪森噪聲的強(qiáng)度不僅與構(gòu)件所受的應(yīng)力有關(guān)，而且與材料的組織狀態(tài)、硬度、晶粒尺寸及表面狀況有關(guān)[8]，采用磁彈性法測(cè)量鐵磁構(gòu)件中的應(yīng)力，必須進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。標(biāo)定試樣的材質(zhì)、組織狀態(tài)、晶粒度、表面硬度及表面狀態(tài)必須與將進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的鐵磁材料相同。本試驗(yàn)中采用與現(xiàn)場(chǎng)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中預(yù)應(yīng)力筋材質(zhì)一致的預(yù)應(yīng)力筋試樣，通過試驗(yàn)研究確定巴克豪森噪聲與張拉應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到同種顯微組織下巴克豪森噪聲強(qiáng)度與張拉應(yīng)力的標(biāo)定曲線。將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)預(yù)應(yīng)力筋中的巴克豪森噪聲強(qiáng)度值與標(biāo)定曲線進(jìn)行對(duì)比,就可以實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力大小及分布的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。

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