付美禮，包 勝，柏樹(shù)壯，顧益斌，胡盛楠

(浙江大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程研究所，杭州 310058)

拉應(yīng)力對(duì)不同厚度Q345鋼磁記憶信號(hào)的影響

付美禮，包 勝，柏樹(shù)壯，顧益斌，胡盛楠

(浙江大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程研究所，杭州 310058)

為明確磁記憶信號(hào)與拉應(yīng)力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系和幾何尺寸對(duì)試件表面磁場(chǎng)的影響，對(duì)Q345低合金鋼不同厚度板狀試件進(jìn)行靜載拉伸實(shí)驗(yàn).利用TSC-1M-4 型磁檢測(cè)儀，研究3種厚度的光滑試件表面磁記憶信號(hào)在不同拉應(yīng)力下的變化規(guī)律.結(jié)果表明：彈性階段磁記憶信號(hào)與拉應(yīng)力之間有較好的相關(guān)性，塑性階段兩者相關(guān)性較弱；切向磁記憶信號(hào)對(duì)試件局部屈服的表征比法向磁記憶信號(hào)更敏感，利用切向磁場(chǎng)的畸變性可預(yù)判試件的早期塑性變形和應(yīng)力集中區(qū)；同一應(yīng)力水平下，試件表面磁場(chǎng)強(qiáng)度隨厚度增加而減小，但不影響其變化規(guī)律.

磁記憶；拉應(yīng)力；不同厚度；切向磁場(chǎng)；塑性變形

目前，金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)作為一種全新的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，受到極大關(guān)注[1-3].該項(xiàng)技術(shù)基于鐵磁材料的力磁效應(yīng)，當(dāng)鐵磁構(gòu)件在運(yùn)行時(shí)受到載荷和地磁場(chǎng)的共同作用，會(huì)在應(yīng)力集中處出現(xiàn)磁疇的固定結(jié)點(diǎn)，并在表面引起漏磁場(chǎng).通過(guò)對(duì)該漏磁場(chǎng)的檢測(cè)可以對(duì)構(gòu)件的應(yīng)力集中部位進(jìn)行可靠評(píng)價(jià)，從而達(dá)到早期診斷的目的.與其他無(wú)損檢測(cè)方法相比較，金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)無(wú)需外加激勵(lì)磁場(chǎng)，檢測(cè)靈敏度高，在鐵磁構(gòu)件損傷評(píng)價(jià)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.

然而金屬磁記憶法是一種弱磁檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)提取的試件表面自有漏磁屬于弱磁信號(hào)，較傳統(tǒng)基于強(qiáng)磁的漏磁檢測(cè)技術(shù)有效信號(hào)要低約2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，極易受到各種檢測(cè)因素的影響.曾壽金等[4]選擇手機(jī)信號(hào)作為干擾源，研究不同環(huán)境磁場(chǎng)下試件磁記憶檢測(cè)信號(hào)的變化情況，發(fā)現(xiàn)環(huán)境磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)力集中處磁場(chǎng)畸變的幅度有影響；董麗虹等[5]通過(guò)對(duì)低碳鋼板狀試件分別施加靜載拉伸及拉-拉疲勞載荷研究載荷形式對(duì)磁記憶檢測(cè)信號(hào)的影響，結(jié)果表明加載過(guò)程中兩種加載方式均使磁記憶信號(hào)曲線由初始的隨機(jī)分布轉(zhuǎn)變?yōu)檩^有規(guī)律分布；包勝等[6]研究了不同加載速率對(duì)Q235、45#板狀試件靜拉伸過(guò)程中表面磁場(chǎng)的影響，試驗(yàn)表明加載速率不影響試件表面磁記憶信號(hào)在彈塑性階段的變化規(guī)律；王正道等[7]利用有限元法，數(shù)值計(jì)算了磁記憶信號(hào)在應(yīng)力集中區(qū)域的分布，發(fā)現(xiàn)缺陷幾何尺寸對(duì)漏磁信號(hào)幅值和作用范圍有一定程度的影響.從上述研究結(jié)果可以看出，一般檢測(cè)因素對(duì)金屬磁記憶信號(hào)的強(qiáng)度有所影響，但對(duì)磁記憶信號(hào)分布特征沒(méi)有明顯的影響.而當(dāng)前磁記憶試驗(yàn)中鮮有有關(guān)幾何尺寸對(duì)試件表面磁場(chǎng)影響的研究，但由于金屬磁記憶試驗(yàn)中所用到的試件種類繁多，得到的結(jié)果往往具有很大的局限性；波蘭人Roskosz等[8]對(duì)兩種幾何尺寸不同的試件進(jìn)行靜載拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)由其中一種試件表面磁場(chǎng)評(píng)估殘余應(yīng)力得到的經(jīng)驗(yàn)公式并不適合另一種幾何尺寸的試件.可見(jiàn)，有關(guān)幾何尺寸對(duì)試件表面磁場(chǎng)影響還需進(jìn)一步的基礎(chǔ)性試驗(yàn)研究.

本文通過(guò)對(duì)不同厚度的Q345低合金鋼板狀試件預(yù)先消磁后再進(jìn)行靜載拉伸試驗(yàn)，分析不同厚度的Q345低合金鋼板狀試件表面磁記憶信號(hào)的變化，并對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了初步的理論探討，進(jìn)一步豐富了金屬磁記憶的基礎(chǔ)試驗(yàn)研究.

1 試 驗(yàn)

1.1 試件制備

試驗(yàn)材料是Q345低合金鋼，按照GB/T 228—2002標(biāo)準(zhǔn)分別加工成圖1所示的厚度分別為6、8、10 mm 的光滑板狀試件，其主要力學(xué)性能：屈服強(qiáng)度約為400 MPa，抗拉強(qiáng)度約為560 MPa.在試件表面畫一條長(zhǎng)為100 mm 的測(cè)量線，測(cè)量方向由北到南.

圖1 試樣形狀及測(cè)量路線示意(mm)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前利用TC-1型退磁器對(duì)試件進(jìn)行統(tǒng)一消磁，以達(dá)到凈化初始磁信號(hào)的目的.利用俄羅斯動(dòng)力診斷公司生產(chǎn)的TSC-1M-4型磁檢測(cè)儀和2M掃描裝置沿著圖示檢測(cè)線方向測(cè)量消磁后試件的表面磁場(chǎng).拉伸試驗(yàn)采用的是量程為200 KN的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，試件在拉伸試驗(yàn)機(jī)上以3 mm/min的速度加載至預(yù)定載荷，再以5 mm/min的速度卸載，然后放置于測(cè)量平臺(tái)上，利用磁檢測(cè)儀由北到南檢測(cè)，依此重復(fù)，直至試件被拉斷.

2 試驗(yàn)結(jié)果

圖2給出了不同加載階段6 mm 厚試件表面磁記憶信號(hào)隨應(yīng)力的變化曲線.彈性階段0～350 MPa，由圖2(a)可知，切向磁場(chǎng)曲線表現(xiàn)出很好的線性，隨著應(yīng)力的增大，磁場(chǎng)曲線向下移動(dòng)，磁場(chǎng)絕對(duì)值增大，但移動(dòng)的速率減小.同樣的試驗(yàn)現(xiàn)象可以在圖2(b)中觀察到，法向磁場(chǎng)曲線表現(xiàn)出很好的線性，隨著應(yīng)力的增大，曲線順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，斜率絕對(duì)值增大，磁場(chǎng)曲線轉(zhuǎn)動(dòng)幅度變小，分布比較集中.加載到398.7 MPa時(shí)試件進(jìn)入屈服，切向磁場(chǎng)曲線在試件右側(cè)局部彎曲.隨著塑性應(yīng)力的進(jìn)一步增大，曲線開(kāi)始向上移動(dòng)，在試件中間出現(xiàn)明顯的彎曲.法向磁場(chǎng)曲線開(kāi)始反轉(zhuǎn)，并有多個(gè)交點(diǎn)，但沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的局部磁場(chǎng)畸變.

圖2 6 mm厚試件表面磁記憶信號(hào)隨應(yīng)力的變化

Fig.2 Variation of surface magnetic signals of specimen with a thickness of 6 mm at different stresses

為進(jìn)一步觀察試件表面切法向磁場(chǎng)隨加載應(yīng)力的變化特性，圖3給出了不同加載階段6 mm厚試件表面磁場(chǎng)梯度隨應(yīng)力的變化曲線.由圖3(a)可知，試樣在進(jìn)入屈服(398.7 MPa和400 MPa)時(shí)，切向磁場(chǎng)梯度曲線出現(xiàn)明顯的局部突變，而圖3(b)中法向磁場(chǎng)梯度曲線在整個(gè)測(cè)量線上也出現(xiàn)了不同程度的局部突變，但并沒(méi)有切向梯度曲線劇烈.在8 mm和10 mm厚的試件表面磁場(chǎng)曲線上也觀察到同樣的磁場(chǎng)畸變現(xiàn)象，圖4、5分別給出了這兩個(gè)試件屈服前后的表面磁場(chǎng)分布曲線.在圖4(a)和圖5(a)中，8 mm厚試件在395.1 MPa和10 mm厚試件在393.5 MPa切向磁場(chǎng)曲線均出現(xiàn)了明顯的畸變現(xiàn)象，而在圖4(b)和圖5(b)中，相應(yīng)的法向磁場(chǎng)曲線局部畸變不明顯.以上不同厚度試件的試驗(yàn)結(jié)果充分說(shuō)明切向磁信號(hào)能有效判別試件的早期塑性變形，而法向磁信號(hào)對(duì)此的表征性不強(qiáng).

為比較不同厚度引起的試件表面磁場(chǎng)差異，對(duì)切向磁場(chǎng)曲線沿測(cè)量線上取平均值，法向磁場(chǎng)曲線取斜率值，圖6給出了3種厚度試件切向磁場(chǎng)平均值和法向磁場(chǎng)斜率隨應(yīng)力的變化曲線.由圖6(a)和(b)可知，不同厚度的試件，切向均值和法向斜率隨應(yīng)力表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，即彈性階段這兩個(gè)磁記憶參數(shù)的絕對(duì)值都逐漸增大且增大的速率漸緩，進(jìn)入塑性后，磁記憶參數(shù)小幅波動(dòng)，變化不明顯.此外，還可以看出，在同一應(yīng)力水平下，試件厚度越小，磁記憶參數(shù)的值越大.從而表明厚度會(huì)引起試件表面磁場(chǎng)強(qiáng)度差異，但并不影響其變化規(guī)律.

圖3 6 mm厚試件表面磁場(chǎng)梯度隨應(yīng)力的變化

圖4 8 mm厚試件屈服階段的表面磁場(chǎng)分布曲線

圖5 10 mm厚試件屈服階段的表面磁場(chǎng)分布曲線

3 分析與討論

當(dāng)鐵磁性材料受拉應(yīng)力作用時(shí)，存在由于形變而引起的磁彈性能和由外應(yīng)力作用而產(chǎn)生的磁應(yīng)力能[9].對(duì)于磁致伸縮系數(shù)為正的Q345鋼，拉應(yīng)力使材料內(nèi)部的自發(fā)磁化強(qiáng)度取平行于拉應(yīng)力的方向.從磁疇與位錯(cuò)理論[10]來(lái)說(shuō)，在彈性變形階段，應(yīng)力將改變鐵磁材料體內(nèi)磁疇的自發(fā)磁化方向以增加磁彈性能，來(lái)抵消應(yīng)力能的增加，以實(shí)現(xiàn)總能量最小化.彈性應(yīng)力的存在能有效克服磁疇運(yùn)動(dòng)過(guò)程中金屬內(nèi)部的位錯(cuò)釘扎作用，促進(jìn)磁疇逐漸沿拉應(yīng)力方向取向，從而引起試件表面磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大.因此，在彈性變形階段，可望利用磁記憶參數(shù)與拉應(yīng)力之間的相關(guān)性來(lái)評(píng)估所施加的應(yīng)力大小.

圖6 3種厚度試件磁記憶參數(shù)隨應(yīng)力的變化

Fig.6 Variation of magnetic memory parameters of specimens with three kinds of thicknesses at different stresses

Q345材料具有明顯的屈服特性，從上屈服點(diǎn)到下屈服點(diǎn)過(guò)程中，沿試件長(zhǎng)度上的屈服(變形)是非均勻的，在非均勻屈服過(guò)程中會(huì)在局部應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)粗糙不平的呂德斯帶，并沿著試件長(zhǎng)度方向擴(kuò)展[11]，由于位錯(cuò)對(duì)磁疇運(yùn)動(dòng)有釘扎作用，因而屈服過(guò)程中磁記憶信號(hào)僅在測(cè)量線局部范圍內(nèi)出現(xiàn)畸變現(xiàn)象可能與此有關(guān)，利用此現(xiàn)象可以預(yù)判早期塑性區(qū)應(yīng)該在磁場(chǎng)畸變區(qū)域內(nèi).

塑性階段相對(duì)于彈性階段來(lái)說(shuō)，其磁場(chǎng)變化的微觀作用機(jī)制完全不同.塑性變形導(dǎo)致試件內(nèi)部出現(xiàn)殘余應(yīng)力，隨著應(yīng)力增加和試件變形量增大，以位錯(cuò)、位錯(cuò)纏結(jié)以及位錯(cuò)胞形式出現(xiàn)的釘扎點(diǎn)成冪次數(shù)迅速增加[12].強(qiáng)烈的釘扎作用使磁疇的有序化運(yùn)動(dòng)停止，導(dǎo)致試件表面磁場(chǎng)強(qiáng)度不再增加甚至有所減小.從圖6可以看出，塑性變形階段，切向磁場(chǎng)均值和法向磁場(chǎng)斜率變化不明顯，而且不同厚度試件間結(jié)果存在一定的不一致性.因此，鐵磁性材料發(fā)生塑性變形時(shí)無(wú)法利用試件測(cè)試段磁記憶參數(shù)的變化來(lái)確定材料塑性變形程度.

材料的磁化狀態(tài)，不僅依賴于它的磁化率，也依賴于樣品的形狀.當(dāng)一個(gè)有限大小的樣品在外磁場(chǎng)中被磁化時(shí)，在它兩端將產(chǎn)生一個(gè)與磁化強(qiáng)度方向相反的退磁場(chǎng)，它削弱外磁場(chǎng)對(duì)物體的磁化作用.退磁場(chǎng)H′的強(qiáng)度與磁體的形狀及磁化強(qiáng)度M有關(guān)，存在關(guān)系：

H′=-NM.

(1)

式中N稱為退磁因子，它僅僅和材料的形狀有關(guān).物體的退磁因子越大，退磁場(chǎng)強(qiáng)度也越大，物體越難磁化.

如圖7所示，Q345試件在地磁場(chǎng)環(huán)境下受拉伸作用產(chǎn)生的磁場(chǎng)記為H0，設(shè)磁化場(chǎng)H0的方向自左向右.在試件兩端將產(chǎn)生一個(gè)與磁化強(qiáng)度方向相反的退磁場(chǎng)H′，從而空間各處的總磁場(chǎng)強(qiáng)度H是磁化場(chǎng)H0和試件端面上的磁荷產(chǎn)生的退磁場(chǎng)H′ 的矢量迭加[13]，即

H=H0+H′=H0-NM.

(2)

對(duì)一個(gè)沿長(zhǎng)軸磁化的細(xì)長(zhǎng)樣品，退磁因子N接近于0，而對(duì)一個(gè)短而粗的樣品，N就很大.因此，對(duì)僅厚度不一樣的矩形平板試件，退磁因子隨試件厚度的增大而增大.這也是說(shuō)，試件厚度越薄，退磁場(chǎng)越小，磁介質(zhì)越容易磁化，從而試件表面磁場(chǎng)H也就越大.因此，在同一應(yīng)力水平下，試件表面磁場(chǎng)的切向磁場(chǎng)均值和法向磁場(chǎng)斜率隨厚度增大而減小.

圖7 磁荷產(chǎn)生的退磁場(chǎng)

4 結(jié) 語(yǔ)

彈性階段磁記憶信號(hào)與拉應(yīng)力之間具有較好的相關(guān)性，而塑性階段兩者相關(guān)性較弱.基于磁疇與位錯(cuò)理論，解釋了彈塑性階段磁場(chǎng)隨應(yīng)力變化的差異.屈服階段切向磁場(chǎng)對(duì)臨界工作載荷比法向磁場(chǎng)更為敏感，其在局部范圍內(nèi)出現(xiàn)磁場(chǎng)畸變現(xiàn)象，可望利用切向磁記憶信號(hào)判別鐵磁性構(gòu)件早期塑性變形和應(yīng)力集中區(qū).同一應(yīng)力水平下，試件表面磁場(chǎng)強(qiáng)度隨厚度增加而減小，可能的原因是由于厚度不同引起試件之間退磁場(chǎng)存在差異.

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(編輯 趙麗瑩)

Influence of tensile stress on magnetic memory signal in Q345 steel with different thicknesses

FU Meili, BAO Sheng, BAI Shuzhuang, GU Yibin, HU Shengnan

(Institute of Structural Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

To determine the relationship between magnetic memory signal and tensile stress and the influence of geometric size of the specimen on the surface magnetic field, static tensile tests on plate specimens made of Q345 low alloy steel with different thicknesses were performed. The variation regularities of surface magnetic signals of specimens with three thicknesses under different tensile stresses were investigated using the magnetometer TSC-1M-4. The test results show that the magnetic memory signal is positively correlated with tensile stress in the elastic stage but weakly correlated in the plastic stage. Compared with the normal component, the tangential component is more sensitive in characterizing the local yielding of the specimen. The early plastic deformation and stress concentration zone can be predicted via the abnormal magnetic change of the tangential component. Under the same stress level, the specimen thickness has a negative correlation with the surface magnetic intensity and no influence on the variation trend.

magnetic memory; tensile stress; different thicknesses; tangential component; plastic deformation

10.11918/j.issn.0367-6234.201606099

2016-06-27

浙江省自然科學(xué)基金(LZ12E08003)； 中央大學(xué)基礎(chǔ)研究基金(2015QNA4028)

付美禮(1990—)，男，博士研究生; 包 勝(1979—)，男，副教授，博士生導(dǎo)師

包 勝，longtubao@zju.edu.cn

TG115.28

A

0367-6234(2017)06-0178-05