李新蕾,任尚坤,任吉林,付任珍,宋 凱

(南昌航空大學(xué)無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西南昌 330063）

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

1 拉伸實(shí)驗(yàn)

以同應(yīng)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(yīng)力,所有試樣均進(jìn)行了退火,以消除殘余應(yīng)力的影響.

在室溫條件下采用 WDW-E100D型電子程控實(shí)驗(yàn)機(jī)對試樣進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn),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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)開始前,分別測量各試樣的初始磁場,以作為對比.在拉伸實(shí)驗(yàn)過程中,當(dāng)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(xué)分析模塊,采用非線性分析的方法,可以得到加載模型的應(yīng)力分布結(jié)果[6].建模采用 Solid65 8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元,該單元具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力強(qiáng)化、拉裂、壓碎以及大變形大應(yīng)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(jié)果并節(jié)約計算機(jī)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(xué)分析中,對模型一側(cè)端面施加位移約束,另一端面施加拉應(yīng)力載荷,位移約束和拉應(yīng)力載荷位置會自動地轉(zhuǎn)化到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上,B組試樣加載到 0.5 kN,5 kN,7 kN時的應(yīng)力分布結(jié)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(yīng)力并非出現(xiàn)在正對 V形缺口處,而是在 V形缺口兩側(cè)的 O形區(qū),隨著載荷的增大,最大應(yīng)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(yīng)力數(shù)據(jù)(在 ANSYS中 SX,SY,SEQV分別代表 X方向應(yīng)力、Y方向應(yīng)力以及等效應(yīng)力).由于材料在 X方向受到均勻拉應(yīng)力 S0作用時,在 V形缺口處將同時產(chǎn)生拉應(yīng)力 SX與剪切應(yīng)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(kuò)展,直至屈服線布滿整個試樣長度而進(jìn)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(yīng)力集中程度不同,各組的應(yīng)力分布也不同.由圖4可得:A組拉應(yīng)力最小,切應(yīng)力最大;C組拉應(yīng)力最大,切應(yīng)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(yīng)力分布等值線圖Fig.3 Equivalen t stress distribution of specimen B

圖4 掃描路徑的應(yīng)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(shí)驗(yàn)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(dāng)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(diǎn)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(guān),亦很好的解釋了試樣在彈性階段的磁場值零點(diǎn)漂移現(xiàn)象.

圖7為各組試樣在加載到屈服點(diǎn) 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(yīng)力的分布規(guī)律具有明顯的相關(guān)性,在應(yīng)力取得極大值得區(qū)域,磁場梯度也取得極值.

當(dāng)載荷進(jìn)一步增加,試樣進(jìn)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(dāng)載荷到達(dá) 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(yīng)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(gòu)件的應(yīng)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(zhuǎn)化為別的形式,或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體,在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中其總量不變.

根據(jù)鐵磁學(xué)的研究,在沒有外應(yīng)力和外磁場作用時,處于穩(wěn)定狀態(tài)的磁晶體內(nèi)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(yīng)力的作用時,會在磁晶體內(nèi)增加應(yīng)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(nèi)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(shí)驗(yàn)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(diǎn),為消除漏磁場邊緣效應(yīng)帶來的影響,在此分別取 10mm與 50mm做為計算的起點(diǎn)與終點(diǎn).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(yīng)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(diǎn)進(jìn)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(yīng)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(jìn)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(diǎn)后迅速激增的這一現(xiàn)象,來對構(gòu)件的受力狀態(tài)進(jìn)行檢測.

4 結(jié) 論

1)應(yīng)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(jìn)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(diǎn)后迅速激增的現(xiàn)象,來對構(gòu)件的受力狀態(tài)進(jìn)行檢測.

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