基于磁滯回線原理的鐵磁性材料應(yīng)力測(cè)試方法

(南京航空航天大學(xué) 高速載運(yùn)設(shè)施的無(wú)損檢測(cè)監(jiān)控技術(shù)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211100)

鋼鐵材料具有良好的機(jī)械性能，在交通運(yùn)輸、能源、化工以及大型機(jī)械等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。鋼材中的鐵磁性材料是工程技術(shù)中最重要和最常用的材料，大規(guī)模的應(yīng)用會(huì)使得材料不可避免地存在缺陷損傷，如加工誤差導(dǎo)致的材料性能分布不均勻和長(zhǎng)時(shí)間使用帶來(lái)的疲勞傷損等，而這些安全隱患很可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。因此，對(duì)鐵磁性材料的應(yīng)力狀態(tài)和疲勞損傷的檢測(cè)是很有必要的。

目前，針對(duì)鋼材應(yīng)力檢測(cè)，主要有磁測(cè)法、X射線檢測(cè)法和盲孔法。其中，磁測(cè)法和X射線檢測(cè)法屬于無(wú)損檢測(cè)法，盲孔法屬于有損檢測(cè)法。射線法理論完善，但因有射線傷害，使用受到很大的限制；磁測(cè)法是根據(jù)鐵磁體磁飽和過(guò)程中應(yīng)力與磁化曲線之間的變化關(guān)系進(jìn)行應(yīng)力測(cè)定的，在一定范圍內(nèi)適用；而盲孔法雖然技術(shù)成熟，但屬于有損檢測(cè)，另外，盲孔法測(cè)量的僅僅是表面殘余應(yīng)力，并不是材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力。

電磁無(wú)損檢測(cè)是近年來(lái)興起的一項(xiàng)應(yīng)用前景廣闊的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，相較于傳統(tǒng)檢測(cè)方法，具有精度高,指向性好，非接觸式，對(duì)試件表面要求不高，可測(cè)量任何金屬材料[2]等優(yōu)點(diǎn)；而且，該技術(shù)可通過(guò)改變探頭線圈的結(jié)構(gòu)和偏置磁場(chǎng)的方向，激發(fā)出不同模態(tài)的波。筆者提出的就是一種新型的電磁無(wú)損應(yīng)力檢測(cè)方法——基于磁滯回線的鐵磁性材料應(yīng)力測(cè)試方法。

圖3 電磁超聲應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1 檢測(cè)原理

1.1 磁致伸縮機(jī)理和磁滯回線

強(qiáng)磁性物質(zhì)在磁場(chǎng)作用下，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生疇壁位移與轉(zhuǎn)動(dòng)，宏觀上表現(xiàn)為磁致伸縮應(yīng)變[3]。其微觀機(jī)理是：鐵磁性材料內(nèi)部相鄰原子間的電子自旋產(chǎn)生元磁矩，元磁矩間的相互作用力使得相鄰的元磁矩排列在同一方向，形成磁疇。在無(wú)外磁場(chǎng)作用下，各個(gè)磁疇相互均衡，材料的總磁化強(qiáng)度等于零。當(dāng)有外磁場(chǎng)作用時(shí)，磁疇會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，使得材料長(zhǎng)度或體積隨之發(fā)生微小變化[4]。

鐵磁性材料的磁化具有不可逆部分。當(dāng)外加磁場(chǎng)變化時(shí)，鐵磁體磁化狀態(tài)的變化總是落后于外加磁場(chǎng)的變化，在撤去外加磁場(chǎng)后，鐵磁性材料仍能保持部分磁性。因此，當(dāng)外加磁場(chǎng)產(chǎn)生周期性的變化時(shí)，就可獲得鐵磁性材料滯后的閉合磁化曲線，稱(chēng)之為磁滯回線,如圖1所示(圖中B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度)。

圖1 磁滯回線

1.2 應(yīng)力檢測(cè)原理

磁致伸縮效應(yīng)會(huì)引起磁性材料的微觀結(jié)構(gòu)變化。同時(shí)，鐵磁性材料的微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)會(huì)隨著工作應(yīng)力變化而發(fā)生變化。在無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下，鐵磁性材料呈現(xiàn)各向同性，當(dāng)受到應(yīng)力作用時(shí)，材料產(chǎn)生各向異性。應(yīng)力或應(yīng)變狀態(tài)的改變會(huì)引起鐵磁性材料磁導(dǎo)率或磁阻的變化。在恒定磁動(dòng)勢(shì)狀態(tài)下，磁路中磁阻的變化會(huì)引起磁通的變化，線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。根據(jù)逆磁致伸縮原理，當(dāng)鐵磁材料受力時(shí)，磁導(dǎo)率會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。鐵磁性材料的相對(duì)磁導(dǎo)率與應(yīng)力之間的磁力學(xué)模型為[5]:

(1)

式中：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度;k為磁致伸縮系數(shù);μ為材料磁導(dǎo)率;σ為材料所受應(yīng)力。

在這種情況下，磁致伸縮激發(fā)的超聲信號(hào)幅值，作為滯后于外加磁場(chǎng)變化的函數(shù)，反映了動(dòng)態(tài)磁致伸縮特性——一種對(duì)表征材料老化和殘余應(yīng)力十分敏感的微磁特性[6]。

1.3 基于磁致伸縮的電磁超聲換能器

電磁超聲技術(shù)是以電磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)引起的力場(chǎng)和試件中的聲場(chǎng)三者之間的相互轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。其轉(zhuǎn)換原理為：利用磁致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生超聲波，再通過(guò)逆磁致伸縮效應(yīng)接收超聲信號(hào)。電磁超聲換能器(EMAT)由磁鐵、高頻回折形線圈和鐵磁性試件3部分組成。磁鐵提供偏置磁場(chǎng)，高頻線圈用來(lái)產(chǎn)生超聲波，試件必須具有導(dǎo)電性或鐵磁性，或者兩者同時(shí)具備，這也是EMAT不需要聲耦合的原因。同時(shí),為了避免洛倫茲力的影響，線圈的電流方向需要和外加磁場(chǎng)的方向平行。圖2為基于磁致伸縮效應(yīng)的EMAT模型。

圖2 基于磁致伸縮效應(yīng)的EMAT模型

2 電磁超聲應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)

電磁超聲應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。電磁超聲應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)主要由電磁超聲發(fā)射電路、電磁超聲接收電路、電磁超聲換能器、試件和應(yīng)力加載裝置等5部分組成。

給脈沖發(fā)射電路供電后，發(fā)射電路發(fā)出周期性的高頻脈沖串，高頻脈沖串經(jīng)過(guò)功率放大電路，接入發(fā)射線圈，再通過(guò)阻抗匹配電路使發(fā)射線圈上得到最大幅值信號(hào)，這種高頻信號(hào)會(huì)在試件中產(chǎn)生同頻振動(dòng)，激發(fā)出超聲波。在接收端，接收線圈基于逆磁致伸縮原理，將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路后，由采集卡采集電動(dòng)勢(shì)，最后在上位機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。采用時(shí)域分析方法來(lái)提取淹沒(méi)在噪聲中的時(shí)變信號(hào)，可以顯著提高 EMAT 信號(hào)的質(zhì)量[7]，得到的接收信號(hào)如圖4所示。

圖4 電磁超聲的接收信號(hào)

3 試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)過(guò)程

鐵磁性材料的磁致伸縮特性受材料內(nèi)部應(yīng)力的影響，即隨著應(yīng)力變化，材料的磁致伸縮曲線也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。利用懸臂梁加載裝置，對(duì)尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)為300 mm×140 mm×1 mm的A3鋼試件施加由下向上的力(上表面產(chǎn)生的是壓應(yīng)力)。然后通過(guò)貼應(yīng)變片，連接DTCJ-1型應(yīng)變儀進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)。試件的受力方向和靜態(tài)偏置磁場(chǎng)方向相互垂直。

分別對(duì)試件進(jìn)行了0，20，50，80，110，140，170，190 MPa共8個(gè)應(yīng)力狀態(tài)下的試驗(yàn)，每個(gè)應(yīng)力狀態(tài)下做了4次重復(fù)性試驗(yàn)。通過(guò)改變發(fā)射端電磁鐵電流的大小來(lái)改變靜態(tài)偏執(zhí)磁場(chǎng)的大小，使其走完一個(gè)磁滯回線過(guò)程，采集接收信號(hào)的峰峰值作為特征點(diǎn)，繪制出電磁鐵電流值-接收信號(hào)峰峰值曲線圖。由于接收端的永磁鐵會(huì)影響發(fā)射端信號(hào)使得曲線圖不對(duì)稱(chēng)，故為了消除接收端對(duì)發(fā)射端的影響，采用在測(cè)完正行程的磁滯回線對(duì)應(yīng)的曲線后，再測(cè)量反行程的磁滯回線對(duì)應(yīng)曲線，將兩幅曲線圖相加取平均后，得到如圖5所示的曲線(圖中①為信號(hào)曲線中的交點(diǎn)，②為信號(hào)谷值點(diǎn)，③為信號(hào)第一峰值點(diǎn))。

圖5 電流值-接收信號(hào)峰峰值曲線

為研究EMAT信號(hào)和鐵磁性材料內(nèi)部應(yīng)力的關(guān)系，提取了信號(hào)曲線中的交點(diǎn)①，谷值點(diǎn)②和交點(diǎn)與第一峰值點(diǎn)③的斜率作為特征值點(diǎn)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

8個(gè)應(yīng)力狀態(tài)下的電流值-接收信號(hào)峰峰值曲線,如圖6所示。

圖6 不同應(yīng)力對(duì)應(yīng)的電流值-接收信號(hào)峰峰值曲線

分別對(duì)這3個(gè)特征值點(diǎn)取4次試驗(yàn)的平均值和波動(dòng)范圍，材料內(nèi)部應(yīng)力和3個(gè)特征值的關(guān)系如圖7所示。

從擬合得到的曲線可以看出，當(dāng)給被測(cè)試件施加壓應(yīng)力時(shí)，靜態(tài)偏置電流-接收信號(hào)峰峰值曲線會(huì)整體下移。與此同時(shí)，隨著壓應(yīng)力的逐漸增加，交點(diǎn)逐漸下移，谷值點(diǎn)也向零點(diǎn)靠攏，同時(shí)，交點(diǎn)與第一峰值點(diǎn)的斜率在逐漸增加，特征值點(diǎn)均隨著應(yīng)力增加呈單調(diào)性變化。并且,文中試驗(yàn)系統(tǒng)的重復(fù)性誤差也較小，可以定性分析材料內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

基于磁致伸縮效應(yīng)和磁滯現(xiàn)象，利用基于磁滯回線的電磁超聲檢測(cè)方法，對(duì)鐵磁性材料的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了檢測(cè)和試驗(yàn)分析，觀察材料的磁致伸縮特性和自身應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系，通過(guò)提取偏置電流-接收信號(hào)峰峰值曲線中的特征參數(shù)，找到了參數(shù)隨應(yīng)力增加呈單調(diào)性變化的規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測(cè)試件應(yīng)力狀態(tài)的定性分析。