李新蕾,任尚坤,任吉林,付任珍,宋 凱

(南昌航空大學無損檢測技術教育部重點實驗室,江西南昌 330063）

作為一種新的無損檢測技術磁記憶檢測技術因具有能及時發(fā)現(xiàn)構件上的應力集中部位,操作簡單,不需要對構件表面作特殊清理,便于現(xiàn)場使用等優(yōu)點,受到了廣泛的關注[1].該方法是基于鐵磁材料的力磁效應的應用,利用構件在工作載荷和地磁場的作用下其內部會發(fā)生磁疇組織定向和不可逆的重新取向,在應力集中區(qū)形成漏磁場.通過檢測漏磁場,并結合被檢構件的實際運行條件來確定構件表面或近表面的以應力集中為主要特征的早期損傷部位[2-5].目前,對力磁效應的基本規(guī)律及機理的理解還沒有統(tǒng)一的定論,還處于探索之中.力磁效應規(guī)律的本質是應力引起試樣的磁化規(guī)律,即是試樣的磁化強度隨應力的變化關系.在本次實驗中,通過漏磁場的變化規(guī)律來反映試樣磁化強度的變化.

1 拉伸實驗

以同應力梯度的 45# 鋼邊緣缺口試樣為研究對象,試樣的尺寸如圖1所示,試樣厚度為 2mm,分為 A,B,C三組,各組參數(shù)如表1所示.考慮到加工過程中產(chǎn)生的殘余應力,所有試樣均進行了退火,以消除殘余應力的影響.

在室溫條件下采用 WDW-E100D型電子程控實驗機對試樣進行拉伸實驗,加載速率為0.2 mm/min;對漏磁場的測量采用的是美國Lakeshore公司生產(chǎn)的弱磁場測量儀 Lakeshore 421,其分辨率為 0.001 Gauss,精確度±0.25%,用于精確測量試樣表面的漏磁場.實驗過程測量路徑為試樣中線處長 60 mm的直線,如圖1所示.

圖1 試樣尺寸示意圖Fig.1 Geometry of specimen and measu ring line

實驗開始前,分別測量各試樣的初始磁場,以作為對比.在拉伸實驗過程中,當試樣加載到一定的載荷,沿掃描路徑在線測量試樣漏磁場分布.

2 有限元分析

表1 試樣尺寸參數(shù)Tab.1 Dimensions of specimens

通過有限元模擬軟件 ANSYS10.0中的靜力學分析模塊,采用非線性分析的方法,可以得到加載模型的應力分布結果[6].建模采用 Solid65 8節(jié)點三維實體單元,該單元具有塑性、蠕變、膨脹、應力強化、拉裂、壓碎以及大變形大應變和模擬各向異性等功能.單元材料屬性如表2所列.為取得良好的計算結果并節(jié)約計算機資源,人工控制有限元的網(wǎng)格劃分,圖2為試樣的有限元模型.

在靜力學分析中,對模型一側端面施加位移約束,另一端面施加拉應力載荷,位移約束和拉應力載荷位置會自動地轉化到相應的節(jié)點上,B組試樣加載到 0.5 kN,5 kN,7 kN時的應力分布結果如圖3所示.從圖3可以看出,中線上(即磁場掃描路徑)的最大應力并非出現(xiàn)在正對 V形缺口處,而是在 V形缺口兩側的 O形區(qū),隨著載荷的增大,最大應力分布區(qū)向中間移動.

圖4為在 POST1模塊提取的試樣中線上的應力數(shù)據(jù)(在 ANSYS中 SX,SY,SEQV分別代表 X方向應力、Y方向應力以及等效應力).由于材料在 X方向受到均勻拉應力 S0作用時,在 V形缺口處將同時產(chǎn)生拉應力 SX與剪切應力 SY,試樣處在兩者的合力作用下,在試樣局部區(qū)域開始形成與拉伸軸約成 45°的所謂呂德斯帶或屈服線,隨后再沿試樣長度方向逐漸擴展,直至屈服線布滿整個試樣長度而進入均勻塑性變形階段[7].

A,B,C三組最小截面處施加的載荷分別為:A(7 kN/20 mm2=350 MPa),B(9.8 kN/28 mm2=350 MPa),C(12.6 kN/36 mm2=350 MPa),雖然施加的載荷大小一樣,但是由于各組的應力集中程度不同,各組的應力分布也不同.由圖4可得:A組拉應力最小,切應力最大;C組拉應力最大,切應力最小.

表2 45# 鋼平板試樣的主要材料參數(shù)Tab.2 Parameter of steel 45# plate

圖2 C組試樣的網(wǎng)格分布Fig.2 Finite elementm ode of specim en C

圖3 B組試樣的 von Mises應力分布等值線圖Fig.3 Equivalen t stress distribution of specimen B

圖4 掃描路徑的應力分布(A組:7 kN;B組:9.8 k N;C組:12.6 kN)Fig.4 Stress distribution of the scan line

3 實驗數(shù)據(jù)分析

3.1 漏磁場分布

圖5與圖6是 C組試樣分別加載至不同狀態(tài)時漏磁場的空間分布及梯度分布曲線(A組、B組規(guī)律相同,已經(jīng)減去空間初始磁場).盡管由于材料的不均勻性,每個試樣的漏磁場分布不盡相同,但通過多個試樣的測量,試樣在不同加載狀態(tài)時所反映的規(guī)律是相同的:當試樣處于彈性階段,磁場梯度變化不是很明顯,且梯度極值點移動,此現(xiàn)象主要與試樣的材料組織狀態(tài)及熱處理工藝有關,亦很好的解釋了試樣在彈性階段的磁場值零點漂移現(xiàn)象.

圖7為各組試樣在加載到屈服點 350 MPa時的磁場梯度 K分布規(guī)律,通過與圖4比較可知,此時漏磁場的梯度分布規(guī)律與等效應力的分布規(guī)律具有明顯的相關性,在應力取得極大值得區(qū)域,磁場梯度也取得極值.

當載荷進一步增加,試樣進入均勻塑變及不均勻塑變,如圖6,450 M Pa,480M Pa時,磁場梯度依然與屈服階段的變化趨勢相近,但當載荷到達 500M Pa時,由于試樣已經(jīng)出現(xiàn)明顯的縮頸現(xiàn)象,此時的最大應力區(qū)域已經(jīng)移至中央,磁場梯度值只有一個極值.通過以上分析可以說明漏磁場的梯度分布可以反映構件的應力分布狀態(tài).

3.2 磁記憶信號能量特征值

能量既不會憑空產(chǎn)生,也不會憑空消失,它只能從一種形式轉化為別的形式,或者從一個物體轉移到別的物體,在轉化或轉移的過程中其總量不變.

根據(jù)鐵磁學的研究,在沒有外應力和外磁場作用時,處于穩(wěn)定狀態(tài)的磁晶體內總的自由能為

式中:EK為磁晶各向異性能;Ems為磁彈性能;Eel為彈性能.

在鐵磁體受到彈性應力的作用時,會在磁晶體內增加應力能 E e,總的自由能變?yōu)閇8]

信號能量的定義[13]:對于給定的能量有限連續(xù)信號 x(t),在時間間隔 (-T/2,T/2)內的能量為

圖8 A組試樣信號能量隨加載狀態(tài)的變化Fig.8 The signal energy changes w ith stress

圖9 歸一化信號能量Fig.9 The normalized signal energy changes with stress

實驗中所采集的磁記憶信號是能量有限離散信號,且采集過程勻速掃描,積分由取和代替,故在此定義磁記憶信號的能量為

式中:x0,x1為掃描路徑上的兩點,為消除漏磁場邊緣效應帶來的影響,在此分別取 10mm與 50mm做為計算的起點與終點.圖8為磁記憶信號能量隨加載狀態(tài)的變化趨勢,由圖8可知:在彈性階段,隨著應力的增加,磁記憶信號的能量基本保持不變;但是一旦試樣過了屈服點進入塑性階段,磁記憶信號的能量就迅速增加.B組、C組試樣具有相同的規(guī)律,但是由于應力集中程度的不同,各組試樣的磁記憶信號能量大小不盡相同.為此,對磁記憶信號的能量進行歸一化處理,如圖9所示,可以發(fā)現(xiàn),各組的歸一化能量曲線基本重合.我們可以利用磁記憶信號能量這一特征值在屈服點后迅速激增的這一現(xiàn)象,來對構件的受力狀態(tài)進行檢測.

4 結 論

1)應力集中部位與磁場梯度的極值部位具有很好的一致性,故磁場梯度是進行磁記憶檢測的有效特征值.

2)磁記憶信號作為一種能量有限信號,可以利用磁記憶信號能量這一特征值在屈服點后迅速激增的現(xiàn)象,來對構件的受力狀態(tài)進行檢測.

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