邱忠超，張衛(wèi)民，果 艷，于 霞

（北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

金屬磁記憶檢測技術(shù)是俄羅斯學(xué)者DUBOV A.A 于20世紀(jì)末發(fā)明的一種用于評價鐵磁構(gòu)件應(yīng)力集中的技術(shù)，并被認(rèn)為是目前唯一能夠進(jìn)行早期評估的無損檢測方法［1－2］。它以法向磁場過零點(diǎn)與磁場梯度K取最大值作為判據(jù)來判斷應(yīng)力集中區(qū)。但到目前為止，這種方法僅是定性檢測，并且由于磁記憶檢測屬于弱磁檢測，易受外界環(huán)境因素干擾［3］，依據(jù)檢測結(jié)果有時難以準(zhǔn)確判斷應(yīng)力集中區(qū)。這也成為該技術(shù)工程化推廣應(yīng)用的瓶頸。

筆者針對噪聲信號干擾問題，提出了通過外加弱磁激勵來強(qiáng)化磁信號，提高檢測靈敏度，進(jìn)而改善檢測效果；分析靜拉伸過程中各階段磁場的變化規(guī)律，并從不同角度討論了導(dǎo)致磁場變化的原因；探討了不同拉伸階段磁場梯度K與應(yīng)力之間的相關(guān)性，為磁檢測技術(shù)在鐵磁材料損傷評估中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 檢測試驗

1.1 試驗系統(tǒng)

圖1為試驗檢測系統(tǒng)框圖，靜拉伸試驗分別在地磁場環(huán)境與外加弱磁場環(huán)境下進(jìn)行，其中，外加磁場通過通直流電的勵磁線圈與試件構(gòu)成閉合磁回路來實現(xiàn)。試驗時，勵磁電流為0.01A，經(jīng)計算可得，此時試件中的磁感應(yīng)強(qiáng)度約為0.035T，而Q235鋼的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度約為2T［4］，因此所加外磁場屬于弱磁場激勵范圍。通過TSC－1M－4磁檢測儀測量試件表面磁場，并對磁場進(jìn)行相應(yīng)處理。

圖1 磁方法檢測系統(tǒng)框圖

1.2 試驗材料與方法

試驗材料為Q235鋼，將試件加工成光滑平板試件，厚度4 mm，尺寸如圖2 所示，選取其中三根進(jìn)行靜拉伸試驗。試件加工后進(jìn)行去應(yīng)力退火，并且試驗前利用TC－50退磁器進(jìn)行退磁處理，以消除加工過程中引入的殘余應(yīng)力與剩磁。沿試件中部100mm直線每5mm 設(shè)置一個點(diǎn)，共21個點(diǎn)。

圖2 試件尺寸示意

靜拉伸試驗過程中，通過千分表測量試件長度變化。首先設(shè)定載荷到預(yù)定值，通過TSC－1M－4磁檢測儀沿試件表面自上而下原位測量試件表面各點(diǎn)處的法向磁場，同時記錄試件長度變化。然后，試件被重新加載到更高的預(yù)定載荷，重復(fù)上述操作，直至試件發(fā)生斷裂。

2 試驗結(jié)果

圖3為試件伸長量隨拉伸載荷的變化曲線。當(dāng)載荷為0～14kN，試件屬于彈性變形階段；載荷14～20kN 間，試件屬于塑性變形階段；隨后進(jìn)入頸縮階段，最終試件斷裂。

圖3 試件伸長量隨載荷的變化曲線

圖4為試件在兩種不同磁場環(huán)境下法向磁場的分布圖。由圖4可知，兩種磁場環(huán)境下法向磁場匯聚于一點(diǎn)［5］，但“匯聚點(diǎn)”處的法向磁場不為零。因此，僅依據(jù)法向磁場過零點(diǎn)判斷應(yīng)力集中是無效的。在地磁場環(huán)境下，磁場強(qiáng)度為－50～350A·m－1，且“匯聚點(diǎn)”較分散；弱磁場激勵下磁場幅值增大至－200～550A·m－1，且“匯聚點(diǎn)”位置更集中。

圖4 試件在兩種磁場環(huán)境下的初始法向磁場分布

當(dāng)試件裝卡在拉伸機(jī)上后，試件與拉伸機(jī)組成了一個大的磁體。盡管裝卡前經(jīng)過退磁處理，但試件一旦裝卡到拉伸機(jī)上即被迅速磁化。所以，試件初始狀態(tài)總是不可避免地帶有剩磁Hpo（y），稱為初始剩磁。為了分析僅由拉伸導(dǎo)致的試件表面磁場的變化規(guī)律，以未施加載荷時原位測量的初始剩磁Hpo（y）作為參考磁場，則拉伸造成的磁場變化ΔHpoi（y）為施加不同載荷時的法向磁場Hpi（y）減去初始剩磁［6］，即ΔHpi（y）＝Hpi（y）－Hpo（y）。圖5為試件在兩種磁場環(huán)境下的法向磁場ΔHp（y）的分布圖。

由圖5可知，地磁場環(huán)境下磁場過零點(diǎn)位置比較分散，根據(jù)法向磁場過零點(diǎn)判據(jù)難以準(zhǔn)確判斷應(yīng)力集中位置；然而，弱磁場激勵下過零點(diǎn)位置集中，并且規(guī)律性更強(qiáng)，法向磁場過零點(diǎn)位置集中在L為0mm處，與試件的應(yīng)力集中位置相一致。由此說明，弱磁激勵能夠減小噪聲信號干擾，能有效改善檢測效果。

圖5 試件在兩種磁場環(huán)境下的法向磁場ΔHP（y）分布

3 分析與討論

盡管試驗過程中，每組試件表面法向磁場不盡相同，但總體變化趨勢一致，為了減小噪聲干擾，選取外加弱磁激勵環(huán)境下具有代表性的一組磁信號進(jìn)行分析。

3.1 彈性階段

圖6為試件在彈性階段的法向磁場ΔHP（y）分布圖。法向磁場沿試件表面呈線性分布，初始階段磁場逐漸增大，載荷為7kN 時達(dá)最大值，之后緩慢減小，即在載荷為7kN 處發(fā)生了應(yīng)力磁化反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

圖6 試件在彈性階段的法向磁場ΔHP（y）分布

磁化后的試件相當(dāng)于一個磁鐵，一端為S極而另一端為N 極，并且兩端的磁場對稱分布。取測量線兩端點(diǎn)（1，21點(diǎn)）進(jìn)行分析，圖7為試件的兩端點(diǎn)位置處的磁場ΔHP（y）隨載荷的變化曲線。可以看出，兩端點(diǎn)處的法向磁場變化趨勢相反，并且關(guān)于直線對稱；載荷為7kN時，同時出現(xiàn)磁化反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，經(jīng)計算此時端點(diǎn)處應(yīng)力為87.5MPa。

圖7 試件的兩端點(diǎn)位置處的法向磁場ΔHP（y）隨載荷的變化曲線

根據(jù)Jiles－Atherton 模 型［7］，單向應(yīng)力作用下恒定磁場環(huán)境中，試件的磁化強(qiáng)度M隨應(yīng)力的變化規(guī)律為：

式中：Man為在磁場H和應(yīng)力G共同作用下的非滯后磁化強(qiáng)度。

可見，磁化強(qiáng)度不僅與應(yīng)力σ有關(guān)，而且與（Man－M）有關(guān)，即與材料的初始磁狀態(tài)有關(guān)。

式（1）代入相應(yīng)參數(shù)可得磁化強(qiáng)度隨應(yīng)力的變化曲線，如圖8所示。彈性初期磁化強(qiáng)度隨應(yīng)力增加而增大，60 MPa時達(dá)最大值，之后磁場逐漸減小，磁場強(qiáng)度表現(xiàn)出相同的變化趨勢。即彈性階段存在應(yīng)力磁化反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，且反轉(zhuǎn)位置與材料所受應(yīng)力、材料損傷程度和組織結(jié)構(gòu)變化狀況密切相關(guān)。

圖8 試件在地磁場下磁化強(qiáng)度隨應(yīng)力的變化曲線

從材料學(xué)角度看［8］，鐵磁材料受力時磁疇會發(fā)生轉(zhuǎn)動，即拉應(yīng)力使磁疇向平行于應(yīng)力方向轉(zhuǎn)動，而壓應(yīng)力使磁疇向垂直于應(yīng)力方向轉(zhuǎn)動。這種微觀結(jié)構(gòu)的變化會影響材料的宏觀磁性能，如矯頑力Hc與磁導(dǎo)率μ。根據(jù)應(yīng)力－磁導(dǎo)率模型，鐵磁試件在弱磁場和應(yīng)力的共同作用下，應(yīng)力使鐵磁材料磁導(dǎo)率發(fā)生改變，進(jìn)而使試件的磁化狀態(tài)變化，表現(xiàn)為應(yīng)力的磁化效應(yīng)。其本質(zhì)是應(yīng)力產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變起因于材料的原子滑移、磁疇壁移、晶界移動、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變等，從而導(dǎo)致磁導(dǎo)率的變化。

研究表明，在弱磁場和單向載荷作用下，磁導(dǎo)率μ可表示為：

式中：μT為初始磁導(dǎo)率，和溫度T有關(guān)；b為材料常數(shù)，和材料結(jié)構(gòu)性質(zhì)有關(guān)；a0，a1，m，n均為載荷系數(shù)，具體數(shù)值取決于載荷方向和應(yīng)力值的情況。磁導(dǎo)率和應(yīng)力之間呈現(xiàn)冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)共同作用的復(fù)雜非線性關(guān)系。

弱磁場一定時，應(yīng)力對磁導(dǎo)率的影響為：

對式（3）求導(dǎo)可得：

當(dāng)σ＜－m／n時，gt（σ）＞0，即磁導(dǎo)率μ隨應(yīng)力增加而增大。當(dāng)σ＞－m／n時，gt（σ）＜0，即磁導(dǎo)率μ隨應(yīng)力增加而減小。由此，磁化反轉(zhuǎn)位置為σ＝－m／n。其中，對于20鋼，根據(jù)式（4）對磁導(dǎo)率與應(yīng)力的關(guān)系曲線［9］進(jìn)行擬合，可得：m＝1.5425；n＝－0.0315。由此可知，20鋼在應(yīng)力σ＝50 MPa時發(fā)生應(yīng)力磁化反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

3.2 塑性階段

圖9為試件在塑性階段的表面法向磁場ΔHp（y）分布圖。塑性階段法向磁場沿試件表面分布比彈性階段更加復(fù)雜，但呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，在－15mm與15mm 處分別出現(xiàn)波峰與波谷。塑性階段初期保持磁化反轉(zhuǎn)，且磁場繼續(xù)減小直至越過零點(diǎn)，之后磁場沿初始磁場反方向繼續(xù)增大。塑性變形對磁化的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：①位錯磁化效應(yīng)，微觀結(jié)構(gòu)變化影響疇壁運(yùn)動，進(jìn)而影響磁化。②微孔洞或微裂紋，形成“泄漏磁場”。

位錯是材料內(nèi)應(yīng)力的主要來源，位錯產(chǎn)生的應(yīng)力場通過磁彈性耦合與磁化相互作用。位錯結(jié)構(gòu)在塑性階段不斷增殖，經(jīng)歷了孤立位錯、位錯纏結(jié)與位錯胞幾個過程，且以釘扎點(diǎn)的形式阻礙疇壁的運(yùn)動，使磁場減小。

圖9 試件在塑性階段的法向磁場ΔHp（y）分布

除位錯外，材料內(nèi)部或表面萌生的微孔洞與微裂紋也會引起材料磁化不均勻。從磁荷的觀點(diǎn)來看［10］，漏磁場是磁荷在材料組織結(jié)構(gòu)不均勻處運(yùn)動受阻產(chǎn)生堆積而引起的。由體磁荷密度：ρm＝－μ0M，均勻磁化體內(nèi)ΔM＝0，ρm＝0；若材料磁化不均勻，則ΔM≠0，ρm≠0，產(chǎn)生磁荷堆積，在材料外部形成漏磁場，且形成的漏磁場與初始磁場方向相反。

塑性階段初期，位錯磁化起主導(dǎo)作用，微孔洞與微裂紋形成的漏磁場較小。隨著塑性階段的持續(xù)，微孔洞與微裂紋不斷萌生并擴(kuò)展，形成的漏磁場越來越大，后逐漸占主要地位，導(dǎo)致發(fā)生磁場極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。之后，隨著微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，漏磁場沿與初始磁場相反方向增大。

3.3 頸縮階段及斷裂

圖10為試件在頸縮階段及斷裂后的法向磁場ΔHP（y）分布圖，頸縮階段磁場沿初始磁場反方向不斷增大，直至斷裂。頸縮階段微孔洞與微裂紋擴(kuò)展形成宏觀裂紋，使得試件表面磁場不斷增大。斷裂后，將斷裂后的兩部分對接進(jìn)行原位測量發(fā)現(xiàn)，法向磁場急劇變化，增大約一個數(shù)量級。從某種角度看，斷口可以看作一個特殊的、非常大的宏觀裂紋。

圖10 試件在頸縮階段與斷裂后的法向磁場ΔHp（y）分布

4 磁記憶定量化評估初步探討

下面討論外加弱磁激勵下，試件中間點(diǎn)（第11點(diǎn)）位置彈性與塑性階段時法向磁場及其梯度與應(yīng)力的相關(guān)性。由該點(diǎn)處的截面積S（40 mm2）可得不同載荷F下的應(yīng)力σ（σ＝F／S）。根據(jù)圖3可知，0～350 MPa為彈性階段，375～500 MPa 為塑性階段。

由試件中間點(diǎn)處的法向磁場梯度為：

式中：Δx為檢測中兩鄰近點(diǎn)間的距離，為5mm。

4.1 彈性階段

圖11為試件在彈性階段的法向磁場梯度K隨應(yīng)力的變化曲線。由圖可知，法向磁場梯度K隨應(yīng)力增加先增大后減小，呈‘⌒’形狀。對磁場梯度K與應(yīng)力σ進(jìn)行二階擬合，擬合曲線關(guān)系式為：K＝－3.379×10－4σ2＋0.117σ＋0.43。顯然，由于彈性階段存在應(yīng)力磁化反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，僅根據(jù)磁場梯度K只能定性判斷應(yīng)力，難以實現(xiàn)定量化評估。這在一定程度上限制了磁記憶檢測技術(shù)在工程實踐中的推廣應(yīng)用。

圖11 試件在彈性階段的法向磁場梯度K 隨應(yīng)力的變化曲線

4.2 塑性階段

圖12為試件在塑性階段的磁場梯度K隨應(yīng)力的變化關(guān)系。由圖可知，應(yīng)力由375 MPa增加到500MPa的過程中，磁場梯度K隨應(yīng)力增加而逐漸減小，且呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。擬合直線為：K＝－0.2σ＋78.711。根據(jù)梯度值K，可以定量評估塑性階段試件的損傷情況。

盡管彈性階段與塑性階段的擬合關(guān)系式比較粗糙，根據(jù)關(guān)系式并不能精確判斷應(yīng)力大小，且不同材料、不同試件形狀公式也不相同。但通過法向磁場梯度K可以判斷試件所屬拉伸過程的彈性階段或塑性階段，并可對塑性階段進(jìn)行定量化評估。在實際應(yīng)用中，可以采用此方法判斷被檢件是否發(fā)生屈服或局部出現(xiàn)彈性失效，從而達(dá)到無損檢測的目的。

圖12 試件在塑性階段的法向磁場梯度K 隨應(yīng)力σ的變化曲線

5 結(jié)論

（1）外加弱磁場激勵可以強(qiáng)化弱磁信號，有效減小噪聲干擾，提高檢測系統(tǒng)的靈敏度，改善檢測效果。

（2）靜拉伸過程中，試件在彈性階段發(fā)生應(yīng)力磁化反轉(zhuǎn)現(xiàn)象；塑性階段保持磁化反轉(zhuǎn)，且磁場越過零點(diǎn)后沿反方向增大；頸縮階段磁場沿反方向繼續(xù)增大，直至最終斷裂。

（3）由于存在應(yīng)力磁化反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在試件的彈性階段不能進(jìn)行定量化評估，但塑性階段磁場梯度與應(yīng)力呈線性關(guān)系，故可以對鐵磁材料損傷進(jìn)行定量化評估，判斷被檢件是否發(fā)生屈服或彈性失效。

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