鐵磁性材料拉伸損傷過(guò)程的磁學(xué)特性

于鳳云

(黑龍江科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院, 哈爾濱 150027)

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鐵磁性材料拉伸損傷過(guò)程的磁學(xué)特性

于鳳云

(黑龍江科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院, 哈爾濱 150027)

采取分級(jí)加載拉伸斷裂和重復(fù)加載拉伸斷裂兩種加載方式，對(duì)不同初始磁場(chǎng)強(qiáng)度的板狀試樣進(jìn)行了單軸拉伸試驗(yàn)，采用磁學(xué)信號(hào)特征量研究了中碳鋼拉伸損傷過(guò)程。通過(guò)對(duì)試樣變形過(guò)程磁學(xué)信號(hào)特征的分析，確定了中碳鋼不同拉伸損傷階段的磁學(xué)特性：彈性階段的磁場(chǎng)強(qiáng)度和初始磁場(chǎng)分布規(guī)律一致，在材料由彈性損傷到塑性損傷過(guò)渡階段，磁場(chǎng)強(qiáng)度均值及其標(biāo)準(zhǔn)差出現(xiàn)拐點(diǎn)；在頸縮階段，磁場(chǎng)強(qiáng)度及其梯度信號(hào)明顯增大，由此能夠判斷中碳鋼由拉伸彈性損傷狀態(tài)向屈服損傷狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，以及材料斷裂情況的出現(xiàn)，從而對(duì)工程中鐵磁性構(gòu)件的破壞性事故做出預(yù)警。

中碳鋼; 拉伸損傷; 磁學(xué)特性; 鐵磁材料

由鐵磁材料制成的工件和設(shè)備在工作載荷和地磁場(chǎng)作用下,其殘余磁感應(yīng)和殘余磁化強(qiáng)度會(huì)增長(zhǎng),顯現(xiàn)出不同形式的磁致伸縮效應(yīng)。增強(qiáng)后的磁場(chǎng)記憶部件的缺陷或應(yīng)力集中的位置,以Doubov教授為代表的俄羅斯學(xué)者將這種現(xiàn)象形象地稱之為“磁記憶”。國(guó)內(nèi)研究者發(fā)現(xiàn),原先不顯磁性的某些鐵磁性材料工件經(jīng)切削加工后,工件本身和刀具被強(qiáng)烈磁化。同樣,某些本來(lái)并無(wú)磁性的機(jī)器零部件在運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間之后卻顯出了磁性[1]。低碳鋼、鑄鐵在拉伸實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中,都存在著拉伸磁性[2]。鐵磁性構(gòu)件在服役前初始磁場(chǎng)有大有小,有的帶有一定的剩磁,有的經(jīng)過(guò)退磁處理。在工作過(guò)程中鐵磁性構(gòu)件承受不同的載荷作用,對(duì)其進(jìn)行損傷程度的檢測(cè)可以是離線的,也可以在線檢測(cè)。彈性損傷和屈服損傷階段磁信號(hào)有何特征,對(duì)不同鐵磁構(gòu)件損傷程度的表述,用哪種信號(hào)的特征量更為合理,將是筆者此文的研究?jī)?nèi)容。

1　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)材料選取45#鋼,根據(jù)GB 6397—1986《金屬拉伸試樣》,試樣設(shè)計(jì)為板狀,寬度20 mm,厚度5 mm,兩個(gè)夾持端長(zhǎng)度為70 mm,矩形截面拉伸試樣如圖1所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由CSS-44100電子萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)、SG-4L特斯拉計(jì)、探頭移動(dòng)支架等組成。試樣的初始磁場(chǎng)有兩種狀態(tài),即加工剩磁狀態(tài)和退磁狀態(tài)。加載方式為分級(jí)拉伸加載和重復(fù)拉伸加載兩種方式。這里需要強(qiáng)調(diào)的是，SG-4L特斯拉計(jì)的測(cè)量單位是mT，在國(guó)際單位制中T是磁通密度的單位，但也可用作磁場(chǎng)的單位，此時(shí)應(yīng)采用符號(hào)“μ0H”[3]，但為了研究和書寫的方便，文中用符號(hào)“H”來(lái)表示磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位為mT。

圖1　矩形截面試樣Fig. 1　Rectangular cross section specimen

試樣1布置了兩個(gè)檢測(cè)通道,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),對(duì)于平板試樣來(lái)說(shuō),兩個(gè)通道的磁場(chǎng)分布情況一致,因此,在后面的實(shí)驗(yàn)中,采取單通道檢測(cè)。探頭提離值3.5 mm,選定加載速率1 mm/min,對(duì)試樣進(jìn)行單軸拉伸加載,在試樣標(biāo)距100 mm范圍內(nèi),沿試樣長(zhǎng)度方向檢測(cè),向右為檢測(cè)正方向。根據(jù)Doubov對(duì)磁記憶現(xiàn)象的理論闡述及缺陷處漏磁場(chǎng)分布特征,實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的是垂直于檢測(cè)面的磁場(chǎng)強(qiáng)度,即法向磁場(chǎng)強(qiáng)度Hy。在每次拉伸加載結(jié)束后,檢測(cè)退磁試樣和有加工剩磁試樣在不同拉伸損傷階段的法向磁場(chǎng)強(qiáng)度。

2　中碳鋼拉伸損傷實(shí)驗(yàn)

2.1拉伸損傷評(píng)價(jià)參數(shù)的確定

(1)

式中:Hyi、Hyi-1——位于第i個(gè)檢測(cè)點(diǎn)和第i-1個(gè)檢測(cè)點(diǎn)處的磁場(chǎng)強(qiáng)度,mT;

Lk——檢測(cè)步長(zhǎng),mm,其方向與檢測(cè)方向一致;

m——通道數(shù);

n——每個(gè)通道的采樣點(diǎn)數(shù)。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1反復(fù)拉伸損傷過(guò)程的磁學(xué)特性

(1)無(wú)退磁試樣

有一定初始磁場(chǎng)無(wú)退磁、反復(fù)拉伸試樣(以下稱試樣1)的磁場(chǎng)強(qiáng)度及梯度如圖2所示。由圖2可見(jiàn),彈性階段的磁場(chǎng)強(qiáng)度和初始磁場(chǎng)分布規(guī)律一致。隨著拉伸位移s的增加,分級(jí)拉伸時(shí)試樣表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減小,并且卸載瞬間和穩(wěn)定后的磁場(chǎng)強(qiáng)度也是減小的。拉伸位移增加幅度越大,磁場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)減小量也越大。在整個(gè)彈性階段,從卸載開始到殘余磁場(chǎng)基本穩(wěn)定,無(wú)論哪個(gè)拉伸位移情況下所經(jīng)過(guò)的時(shí)間大約都是2 min。磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度隨著拉伸位移的增加越來(lái)越小,說(shuō)明試樣表面各點(diǎn)的殘余磁場(chǎng)分布變得更加均勻。試樣1塑性階段的拉伸位移與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系較彈性階段復(fù)雜。隨著拉伸位移的增加,保載時(shí)測(cè)點(diǎn)1的磁場(chǎng)強(qiáng)度呈下降趨勢(shì),而卸載瞬間的磁場(chǎng)強(qiáng)度先增大后減小;穩(wěn)定后的磁場(chǎng)強(qiáng)度也是先增大,而后基本不變。即當(dāng)拉伸位移較大時(shí),各個(gè)測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度及其梯度隨拉伸位移的增加變化微小,并且每個(gè)加載階段由結(jié)束到磁場(chǎng)穩(wěn)定的時(shí)間也比彈性階段長(zhǎng)很多,甚至不得不松開實(shí)驗(yàn)機(jī)的夾頭使彈性變形盡快消除掉,減小不必要的輔助實(shí)驗(yàn)時(shí)間,然后再重新夾緊試件。比如,在拉伸位移為6.4 mm時(shí),15 min時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度還在波動(dòng)。

圖2　磁場(chǎng)強(qiáng)度及其梯度Fig. 2　Magnetic intensities and gradients

按照金屬學(xué)理論,在試樣拉伸位移不大時(shí),晶粒以單系滑移為主,變形阻力相對(duì)較小,位錯(cuò)首先在變形晶粒的晶界附近堆積,運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)較少,所以這時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度不大。當(dāng)拉伸位移較大時(shí),運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)與各種位錯(cuò)之間,以及各種運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)與運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)之間,產(chǎn)生了一系列復(fù)雜的交互作用。由于位錯(cuò)與位錯(cuò)的相遇,大量的位錯(cuò)在位錯(cuò)壁和位錯(cuò)網(wǎng)旁邊形成堆積,隨著變形的繼續(xù)增大,便會(huì)使各晶粒破碎為細(xì)碎的亞晶粒,位錯(cuò)密度就會(huì)顯著增大。因此,隨著變形量的增大,由于晶粒破碎和位錯(cuò)密度的增加,材料內(nèi)的晶粒破碎并被拉長(zhǎng),同時(shí),各晶粒間的晶格位向也會(huì)沿著拉伸位移的方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)拉伸位移達(dá)到16.7 mm左右時(shí),由于金屬材料組織的“擇尤取向”,金屬性能就具有了明顯的方向性。這時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度也基本不變。此后,載荷開始下降,表明內(nèi)部有材質(zhì)損傷。這正是材料的頸縮階段。

由式(1)計(jì)算得到的不同拉伸位移下試樣1的磁場(chǎng)強(qiáng)度均值及標(biāo)準(zhǔn)差,如圖3所示。當(dāng)拉伸位移較小時(shí),隨拉伸位移的增加磁場(chǎng)強(qiáng)度均值及標(biāo)準(zhǔn)差均減小;當(dāng)拉伸位移較大時(shí),磁場(chǎng)強(qiáng)度均值和磁場(chǎng)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差隨著拉伸位移的增加幾乎不再變化。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度均值為-0.151 3 mT,其標(biāo)準(zhǔn)差為0.045 9 mT時(shí),磁場(chǎng)強(qiáng)度均值及其標(biāo)準(zhǔn)差曲線均出現(xiàn)拐點(diǎn)。該拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的拉伸位移為0.87 mm,拉伸載荷為40.8 kN。這一數(shù)值與材料的屈服強(qiáng)度一致,表明此時(shí)拉伸已由彈性損傷過(guò)渡到了塑性損傷。

(2)退磁試樣

上述實(shí)驗(yàn)是在試樣具有一定剩磁條件下進(jìn)行的。在工業(yè)生產(chǎn)中,如果工件上的殘留磁場(chǎng)過(guò)大,在后續(xù)加工過(guò)程中會(huì)加劇工具的磨損,可能干擾下道工序以及影響儀表或精密儀器的使用等。采用反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)退磁法對(duì)試樣進(jìn)行了退磁處理,然后對(duì)其進(jìn)行反復(fù)拉伸,檢測(cè)表面法向磁場(chǎng)強(qiáng)度,對(duì)退磁后的試樣進(jìn)行反復(fù)拉伸損傷研究。

退磁、反復(fù)拉伸試樣(以下稱試樣2)的磁場(chǎng)強(qiáng)度及其梯度與拉伸位移的關(guān)系如圖2。從試樣2拉伸過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化情況可以看出,經(jīng)過(guò)退磁后試樣的磁場(chǎng)強(qiáng)度與拉伸位移曲線之間沒(méi)有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這一點(diǎn)與試樣1的拉伸磁特性完全不同。未加載前退磁試樣內(nèi)部的磁疇分布是雜亂無(wú)章的,各處的磁場(chǎng)強(qiáng)度幾乎相等,梯度接近零值。試樣2磁場(chǎng)強(qiáng)度均值及標(biāo)準(zhǔn)差與拉伸位移的關(guān)系曲線如圖3。在彈性階段,隨著拉伸位移的增加,磁場(chǎng)強(qiáng)度均值和磁場(chǎng)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差均沒(méi)有明確的變化規(guī)律。當(dāng)拉伸進(jìn)入屈服階段時(shí),標(biāo)準(zhǔn)差急劇增加而后減小,在強(qiáng)化階段呈增加的趨勢(shì)。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度均值為-0.112 6 mT時(shí),其標(biāo)準(zhǔn)差為0.010 76 mT,此時(shí),兩曲線出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。這與試樣1轉(zhuǎn)折點(diǎn)的出現(xiàn)位置是一致的,此時(shí)的拉伸載荷為35 kN。塑性階段磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化規(guī)律同彈性階段基本相似,在相同的拉伸條件下,不同測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度有的增大,有的減小,因此,其均值仍然沒(méi)有明確的變化規(guī)律。在強(qiáng)化階段,試樣的變形越大,磁場(chǎng)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差也越大。

圖3　磁場(chǎng)強(qiáng)度均值及其標(biāo)準(zhǔn)差Fig. 3　Average values and standard deviations of magnetic intensity

通過(guò)對(duì)試樣2拉伸過(guò)程中磁場(chǎng)強(qiáng)度的檢測(cè)與分析得出,試樣2在拉伸過(guò)程中的磁記憶特性與試樣1的差別較大。彈性階段,磁場(chǎng)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差與拉伸位移之間沒(méi)有明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系,材料屈服后,標(biāo)準(zhǔn)差隨拉伸位移的增加而增加。一個(gè)有意義的現(xiàn)象是:試樣1和試樣2有一個(gè)共同的拉伸磁記憶特性,即在材料進(jìn)入屈服點(diǎn)時(shí),磁場(chǎng)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差曲線出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

2.2.2分級(jí)拉伸損傷過(guò)程的磁學(xué)特性

(1)退磁試樣

退磁、分級(jí)拉伸試樣(以下稱試樣3)磁場(chǎng)強(qiáng)度及其梯度與拉伸位移的關(guān)系如圖2。隨著拉伸位移的增加,各個(gè)測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化情況區(qū)別較大。彈性階段和屈服階段,斷口左側(cè)測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度總體呈增大趨勢(shì),斷口處測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度先減小后增大。這一點(diǎn)與試樣1和試樣2的拉伸磁記憶特性一樣。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度均值為-0.141 mT,標(biāo)準(zhǔn)差為0.016 56 mT時(shí),磁場(chǎng)強(qiáng)度均值與標(biāo)準(zhǔn)差曲線出現(xiàn)拐點(diǎn),對(duì)應(yīng)的拉伸載荷為35 kN;強(qiáng)化階段,斷口左側(cè)的測(cè)點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度隨拉伸位移的增加而減小,斷口處測(cè)點(diǎn)的值是先減小后又增大的。在強(qiáng)化的最后階段,斷口左側(cè)測(cè)點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度減小緩慢,而此時(shí)斷口附近和右側(cè)測(cè)點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度卻是增加的;發(fā)生頸縮時(shí),斷口左側(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度隨拉伸位移的增加而減小,且越靠近最后斷裂部位,磁場(chǎng)強(qiáng)度變化越劇烈,而斷口右側(cè)測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨拉伸位移的增加而增加。當(dāng)拉伸載荷為試樣拉伸斷裂后證實(shí),在頸縮階段磁化出兩極的部位對(duì)應(yīng)的正好是試樣的斷口位置。斷裂時(shí),斷口左側(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.957 mT,右側(cè)為-0.158 mT,梯度為0.115 mT/mm,表明斷口部位磁場(chǎng)強(qiáng)度其梯度明顯增大。此時(shí),磁場(chǎng)強(qiáng)度均值為0.309 8 mT,標(biāo)準(zhǔn)差為0.166 9 mT,其兩側(cè)磁化出兩個(gè)磁極。

(2)無(wú)退磁試樣

無(wú)退磁但初始磁場(chǎng)極小、分級(jí)拉伸試樣(以下稱試樣4)磁場(chǎng)強(qiáng)度及其梯度與拉伸位移的關(guān)系如圖2,磁場(chǎng)強(qiáng)度均值及標(biāo)準(zhǔn)差與拉伸位移的關(guān)系如圖3所示。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度均值為-0.086 91 mT,標(biāo)準(zhǔn)差為0.012 12 mT時(shí),兩曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn),此時(shí)的拉伸載荷為42 kN。在分級(jí)拉伸加載狀態(tài)下,試樣4彈性損傷階段的拉伸磁特性和試樣3的基本相同,與試樣1差別較大。試樣4和試樣3磁場(chǎng)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差與拉伸位移的變化規(guī)律,與重復(fù)拉伸加載的試樣2是一致的。

3　結(jié)　論

在地磁場(chǎng)作用下,對(duì)不同初始磁場(chǎng)強(qiáng)度的普通板狀試樣進(jìn)行了分級(jí)加載和重復(fù)加載拉伸試驗(yàn),研究了在保載和卸載狀態(tài)下應(yīng)力引起的拉伸損傷磁學(xué)特性。無(wú)明顯剩磁試樣和退磁試樣在分級(jí)拉伸狀態(tài)下的磁學(xué)特性、退磁試樣在反復(fù)拉伸狀態(tài)下的磁學(xué)特性基本相同,但三者的拉伸磁學(xué)特性與有一定剩磁試樣在反復(fù)拉伸狀態(tài)下的差別較大;在不同初始磁場(chǎng)條件下所有試樣材料進(jìn)入屈服點(diǎn)時(shí),磁場(chǎng)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差曲線均出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn),在實(shí)驗(yàn)條件下,該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的拉伸載荷在35～42 kN,與被拉伸材料的屈服強(qiáng)度一致。

磁場(chǎng)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差是對(duì)總體分散程度的評(píng)價(jià),筆者認(rèn)為此參數(shù)比梯度更為全面和科學(xué)。在此基礎(chǔ)上,可以建立磁場(chǎng)強(qiáng)度均值及其標(biāo)準(zhǔn)差與拉伸位移的函數(shù)關(guān)系,應(yīng)用磁場(chǎng)強(qiáng)度均值及其標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)評(píng)估結(jié)構(gòu)材料的變形情況。有一定剩磁的試樣磁場(chǎng)強(qiáng)度均值隨著拉伸損傷程度的增加而減小,退磁或無(wú)明顯剩磁試樣與之相反;多點(diǎn)檢測(cè)時(shí),在材料的頸縮及斷裂階段,隨拉伸位移的增加,試樣斷裂位置兩側(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度向相反方向變化,梯度也明顯增大。

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(編輯晁曉筠)

Magnetic properties in tensile damage process of ferromagnetic materials

YUFengyun

(College of Mechanical Engineering, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150027, China)

This paper is devote to uniaxial tensile tests of plate samples with different initial magnetic field strength using graded loading and repeated loading and study on the tensile damage process of medium carbon steel using the characteristic value of magnetic signal. The analysis of the magnetic signal characteristics of the deformation process leads to the determination of the magnetic properties of medium carbon steel at different tensile damage stages. Among the magnetic properties are the consistency between the distribution rule of magnetic field strength and the initial magnetic field strength at the elastic stage, the occurrence of inflection points on the mean and standard deviation curves of magnetic field strength during the transition from elastic damage to the plastic, and an obvious increase in magnetic field strength and its gradient signal at the necking stage, from which arises the transition from stretching elastic damage to yield damage and the occurrence of material fracture, thus giving a warning on the destructive accidents of ferromagnetic components in engineering.

medium carbon steel; tensile damage; magnetic properties; ferromagnetic materials

1671-0118(2012)03-0293-04

2012-05-03

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(11551433，1152G033)

于鳳云(1968-)，女，黑龍江省慶安人，教授，博士，研究方向：機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷，E-mail:yufengyun179@sohu.com。

TG115.28

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