34CrMo4鋼拉伸過(guò)程中磁記憶信號(hào)分析

趙海江，關(guān)衛(wèi)和，郭鵬舉

（1.浙江工業(yè)大學(xué) 化工機(jī)械設(shè)計(jì)研究所，杭州 310014；2.國(guó)家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心，合肥 230031）

34CrMo4鋼廣泛應(yīng)用于高壓無(wú)縫氣瓶和其它承壓設(shè)備元件的制造中。承壓設(shè)備元件在內(nèi)壓、循環(huán)載荷、內(nèi)部介質(zhì)等因素的共同作用下易產(chǎn)生應(yīng)力集中。在應(yīng)力集中區(qū)域，局部所承受的應(yīng)力遠(yuǎn)大于名義應(yīng)力值［1］，應(yīng)力集中的存在加速了疲勞、腐蝕的發(fā)展，甚至將發(fā)展成宏觀裂紋。因此，及時(shí)準(zhǔn)確地探測(cè)到承壓設(shè)備元件的應(yīng)力集中區(qū)域以及應(yīng)力集中程度具有重要意義［2］。

金屬磁記憶檢測(cè)的原理是利用鐵磁構(gòu)件運(yùn)行時(shí)，在應(yīng)力和變形集中區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)生的磁記憶效應(yīng)，通過(guò)對(duì)構(gòu)件表面法向磁場(chǎng)強(qiáng)度Hp（y）的檢測(cè)，準(zhǔn)確探測(cè)以應(yīng)力集中為特征的危險(xiǎn)部位［3］。在實(shí)際應(yīng)用中，磁記憶技術(shù)可以檢測(cè)到應(yīng)力集中部位，但很難對(duì)應(yīng)力集中程度進(jìn)行準(zhǔn)確的定量分析。

為了對(duì)設(shè)備元件應(yīng)力集中程度進(jìn)行準(zhǔn)確的定量分析，作者通過(guò)對(duì)34CrMo4鋼板狀試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，研究表面法向磁場(chǎng)強(qiáng)度Hp（y）隨拉應(yīng)力σ的變化規(guī)律，結(jié)合磁場(chǎng)梯度的絕對(duì)值｜k｜分析了塑性變形對(duì)表面磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件

試件材料選用高壓氣瓶用鋼材料34CrMo4，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，其主要力學(xué)性能為：屈服強(qiáng)度950 MPa，抗拉強(qiáng)度1 057 MPa。

從新制備的34CrMo4鋼氣瓶上沿軸向切取試件，按照GB／T 228－2010《金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)加工成光滑弧狀試件。圖1為試件具體加工尺寸，其厚度約為8.5mm。

圖1 試件幾何尺寸及檢測(cè)路徑

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

靜態(tài)拉伸試驗(yàn)在SHT4505型拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)過(guò)程中，以10 MPa·s－1的加載速度加載至預(yù)定載荷（每次載荷增加150 MPa）后，卸載并將試件取下。采集磁信號(hào)后，再次加載至更大預(yù)定載荷并測(cè)量。檢測(cè)前未對(duì)試件進(jìn)行退磁處理。試驗(yàn)過(guò)程中，環(huán)境磁場(chǎng)為相對(duì)恒定的大地磁場(chǎng)。

信號(hào)采集采用俄羅斯產(chǎn)TSC－1M－4型磁記憶檢測(cè)儀，將試件按南北方向放置，2 型探頭從A 到B的方向進(jìn)行測(cè)量，如圖1所示。圖1中1，2為兩條檢測(cè)路徑，檢測(cè)長(zhǎng)度為70mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 斷裂前的磁信號(hào)特征

在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，兩條檢測(cè)路徑所測(cè)得的磁信號(hào)測(cè)量結(jié)果有相同的特點(diǎn)，因此以第1條路徑的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。

圖2是34CrMo4鋼拉伸過(guò)程中彈性階段的不同位置處Hp（y）隨拉應(yīng)力的變化曲線。在未加載時(shí)，初始磁場(chǎng)強(qiáng)度在＋192～－135A·m－1之間，表明試件加工后存在一定的初始磁信號(hào)。筆者經(jīng)過(guò)多組試驗(yàn)測(cè)定，認(rèn)為圖2中初始磁信號(hào)較弱，并對(duì)后續(xù)拉伸過(guò)程中的磁信號(hào)分布影響較小，可以不予考慮。在彈性拉伸階段，試件表面磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著拉應(yīng)力的增加而逐漸增大。初次施加載荷至150 MPa時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度在＋157～－316A·m－1之間分布。當(dāng)加載至900MPa時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到＋300～－387A·m－1。

圖2 彈性階段不同位置Hp（y）隨σ的變化規(guī)律

圖3 是34CrMo4 鋼拉伸過(guò)程中塑性階段的Hp（y）曲線隨拉應(yīng)力的變化曲線。當(dāng)σ＝950 MPa時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度降低為＋176～－334A·m－1。與圖2相比，在試件進(jìn)入塑性階段后，其表面磁場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)下降趨勢(shì)。當(dāng)拉應(yīng)力σ大于1 000 MPa時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度已趨于穩(wěn)定。

圖3 塑性階段不同位置的Hp（y）隨σ的變化規(guī)律

鐵磁物質(zhì)具有磁疇結(jié)構(gòu)以及自發(fā)磁化的特性［5］。當(dāng)對(duì)鐵磁體施加應(yīng)力產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，其內(nèi)部磁疇排列、自發(fā)磁化的方向?qū)l(fā)生變化［5］。圖4所示為試件受到拉應(yīng)力σ與地磁場(chǎng)共同作用下會(huì)產(chǎn)生磁疇的重新取向。當(dāng)試件受到拉伸載荷作用時(shí)，內(nèi)部的磁疇的磁矩發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，并且伴隨著磁疇壁的位移，使得內(nèi)部磁場(chǎng)在拉應(yīng)力軸線方向上得到增強(qiáng)［6］。因此，在彈性階段內(nèi)，隨著拉伸載荷的不斷增大，磁疇的有序化程度增大，宏觀上試件表面的磁場(chǎng)越來(lái)越強(qiáng)。

圖4 拉應(yīng)力作用下磁疇的重新取向

進(jìn)入屈服階段時(shí)，試件內(nèi)部的位錯(cuò)成為阻礙磁疇壁位移及磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)的主要作用［7］。位錯(cuò)密度的增大會(huì)對(duì)磁疇結(jié)構(gòu)起到強(qiáng)烈的釘扎作用，阻礙了磁疇運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，因此試件在屈服應(yīng)力附近達(dá)到磁化飽和狀態(tài)［8］。

試件斷裂前表面磁信號(hào)曲線均可近似為斜直線，且具有唯一過(guò)零點(diǎn)，因此對(duì)斷裂前Hp（y）曲線進(jìn)行線性擬合，求得直線斜率作為Hp（y）的磁場(chǎng)梯度。圖5所示為磁場(chǎng)梯度的絕對(duì)值｜k｜與拉應(yīng)力σ的對(duì)應(yīng)關(guān)系。可以看出，｜k｜隨拉應(yīng)力σ的增加呈現(xiàn)有規(guī)律的變化。在彈性階段范圍內(nèi)（C點(diǎn)到D點(diǎn)），｜k｜隨σ的增加而逐漸增大。當(dāng)加載至接近屈服強(qiáng)度時(shí)，｜k｜存在最大值。隨著塑性變形的不斷增大，｜k｜大幅度減小。有研究認(rèn)為：大的塑性會(huì)使得原有的磁疇組織發(fā)生變形甚至被分割和破壞，從而使試件表面磁場(chǎng)強(qiáng)度降低，｜k｜隨塑性變形加劇而減小，同時(shí)Hp（y）下降［8］。

圖5 ｜k｜隨σ的變化規(guī)律

筆者曾對(duì)Q345R 鋼試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，研究了表面磁場(chǎng)梯度最大值｜kmax｜隨拉應(yīng)力σ的變化規(guī)律（圖6）［9］?？梢?jiàn)，｜kmax｜值在屈服應(yīng)力附近時(shí)有明顯的上升，屈服后｜kmax｜又有所下降，但仍高于彈性階段的數(shù)值，因此可以通過(guò)｜kmax｜值的大小來(lái)區(qū)分Q345R 試件是處于彈性狀態(tài)還是塑性狀態(tài)［9］。與圖6對(duì)比，圖5中的磁場(chǎng)梯度｜k｜在塑性變形階段有明顯的下降，與彈性階段的數(shù)值相似或更小，因此無(wú)法通過(guò)Hp（y）分布范圍和｜k｜值來(lái)判斷試件是處于彈性狀態(tài)還是塑性狀態(tài)。

圖6 Q345R 鋼拉應(yīng)力σ與｜kmax｜的對(duì)應(yīng)關(guān)系［9］

與45 鋼 和 Q345R 鋼 相 比［8－9］，試 驗(yàn) 中34CrMo4鋼屈服后Hp（y）分布范圍（圖3）和｜k｜值（圖5）的下降幅度較大。這一方面可能與34CrMo4鋼中非鐵磁性相成分較多有關(guān)，此時(shí)34CrMo4鋼更容易形成對(duì)疇壁位移有強(qiáng)烈阻礙作用的位錯(cuò)、位錯(cuò)纏結(jié)及位錯(cuò)胞，從而影響表面磁場(chǎng)強(qiáng)度［10］。另一方面34CrMo4鋼具有較高的屈強(qiáng)比（約為0.9），該材料在屈服后很快就發(fā)生斷裂，屈服后Hp（y）分布范圍縮小和｜k｜下降較快也可能與其力學(xué)特性有關(guān)。

2.2 斷裂后的磁信號(hào)特征

當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到1 079 MPa時(shí)，試件斷裂。先將試件對(duì)接，然后沿檢測(cè)路徑進(jìn)行磁信號(hào)測(cè)量，圖7所示為所測(cè)的Hp（y）曲線。圖7中Hp（y）曲線在斷口處附近變化幅度顯著增大，并在斷口兩側(cè)出現(xiàn)峰值。此現(xiàn)象在其它拉伸斷裂［8］和疲勞試驗(yàn)［11］中的磁記憶均曾觀察到。在實(shí)際運(yùn)用中沿焊縫進(jìn)行磁記憶檢測(cè)時(shí)，與焊縫相垂直缺陷的磁信號(hào)有類似特征［12］，缺陷處Hp（y）過(guò)零點(diǎn)且磁場(chǎng)梯度k值明顯大于其他區(qū)域。

圖7 斷裂后Hp（y）沿檢測(cè)路徑的變化規(guī)律

3 結(jié)論

（1）34CrMo4 鋼試件拉斷前表面磁場(chǎng)強(qiáng)度Hp（y）隨拉應(yīng)力σ的增加而增大；接近屈服強(qiáng)度時(shí)具有最大值；進(jìn)入塑性變形后，磁場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)減小趨勢(shì)。

（2）磁場(chǎng)梯度的絕對(duì)值｜k｜隨σ的增加而增大，在接近屈服強(qiáng)度時(shí)出現(xiàn)最大值。隨著塑性變形的不斷增大，｜k｜值大幅度減小。

（3）不能通過(guò)Hp（y）分布范圍和｜k｜值來(lái)判斷34CrMo4鋼試件是處于彈性狀態(tài)還是塑性狀態(tài)。

（4）34CrMo4鋼試件拉斷前Hp（y）曲線具有唯一過(guò)零點(diǎn)；斷裂后Hp（y）曲線斷口處過(guò)零點(diǎn)，且磁記憶信號(hào)在斷口處附近變化幅度較大。

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