劉昌奎, 陳 星, 張 兵, 任吉林, 董世運, 陶春虎

(1.北京航空材料研究院中航工業(yè)失效分析中心,北京 100095;2.南昌航空大學,南昌 330063;3.裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室,北京 1000722）

構件低周疲勞損傷的金屬磁記憶檢測試驗研究

劉昌奎1, 陳 星1, 張 兵1, 任吉林2, 董世運3, 陶春虎1

(1.北京航空材料研究院中航工業(yè)失效分析中心,北京 100095;2.南昌航空大學,南昌 330063;3.裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室,北京 1000722）

對 18CrNi4A鋼缺口試件在三級應力水平下進行了低周疲勞試驗和磁記憶信號檢測,研究應力集中、疲勞損傷及疲勞應力對磁信號的影響規(guī)律。結果表明,利用磁信號Hp(y）曲線突變特征和磁信號梯度K曲線異變峰特征可表征試件損傷位置;采用 H′p(y）=Hp(y）N-Hp(y）0的磁信號處理方式,磁信號H′p(y）曲線過零點與試件斷裂位置重合,處理后的磁信號過零法可更有效的表征試件損傷位置;磁信號梯度Kmax值隨疲勞損傷程度的增加而逐漸增加,反映了構件疲勞損傷程度,可表征試件疲勞損傷程度;磁信號與疲勞應力水平存在強烈的相關性,應力水平越大,磁信號值也越大。

金屬磁記憶;應力集中;疲勞損傷;低周疲勞;磁信號

金屬磁記憶技術(MMM）是由俄羅斯學者Doubov于 1997年提出的一種新的損傷檢測及表征方法,其基本原理是處于地磁環(huán)境下的鐵磁構件受工作載荷的作用,其內部會發(fā)生具有磁致伸縮性質的磁疇組織定向的和不可逆的重新取向,并在應力與變形集中區(qū)形成的漏磁場切向分量 Hp(x）具有最大值,法向分量 Hp(y）改變符號且具有零值點,這種磁狀態(tài)的不可逆變化在工作載荷消除后繼續(xù)保留,從而通過漏磁場法向分量 Hp(y）的測定,便可推斷工件的應力集中和損傷部位[1,2]。

疲勞破壞是航空關鍵構件失效的主要形式之一,據統(tǒng)計 70%～80%是屬于疲勞斷裂失效,危害性很大。傳統(tǒng)的無損檢測方法可有效檢測已發(fā)展成形的宏觀缺陷,避免工程應用中各種危害性事故的發(fā)生。但是,對于在役金屬設備及構件的疲勞早期損傷,特別是尚未形成微裂紋的隱性損傷,難以實施有效的評價。

金屬磁記憶技術因具有對金屬鐵磁構件疲勞損傷進行早期檢測及表征的潛力而受到國內外學者極大關注,并開展了較多地研究工作[3～7]。但是,由于發(fā)展時間較短,目前國內對金屬磁記憶技術的研究主要集中在磁記憶理論機理、磁變化規(guī)律、信號處理等方面。而對于構件低周疲勞損傷磁記憶檢測方面的研究開展較少。

本工作針對缺口平板試件,進行三級應力水平低周疲勞試驗和磁信號檢測,研究應力集中、疲勞損傷及疲勞應力對磁信號的影響規(guī)律,探討在低周疲勞條件下采用金屬磁記憶方法對構件進行疲勞損傷檢測的參數(shù)與判據。

1 試驗材料與方法

試驗選用 18CrNi4A鋼,該鋼經淬火(810～830℃,1h,油冷）及低溫回火 (170～190℃,2h,空冷）后,具有良好的綜合性能,材料力學性能見表 1。疲勞試件形式及尺寸見圖 1,缺口應力集中系數(shù) Kt=3。試件的初始磁信號受機械加工、熱處理狀態(tài)和運輸條件等各種因素的影響較大,為了消除材料本身磁性對結果的影響,試驗前對試件進行感應退磁處理。

表1 試驗材料拉伸性能Table 1 Tensile properties of 18CrNi4A

圖1 Kt=3缺口疲勞試件尺寸及磁信號檢測線Fig.1 Scheme ofnotched fatigue specimens and testing lines ofMMM signals

疲勞試驗前,利用 ANSYS軟件對試件在拉應力作用下的應力分布進行彈塑性有限元分析,從而根據有限元分析結果對磁記憶檢測結果進行力磁效應分析。有限元分析選取拉應力載荷為 64kN。

疲勞試驗選用應力控制,三級應力水平,每級應力各選擇兩試件進行重復試驗。三級疲勞應力最大值 Smax分別為 0.93σ0.2,0.76σ0.2,0.58σ0.2,正弦波形,應力比 R=0.1,加載頻率 f=3。磁信號檢測跟蹤試件從未加載直至斷裂的整個過程的磁信號 Hp(y）的變化。檢測方式采用離線檢測,采用三維電控平移臺帶動磁信號檢測探頭,以 10mm/s的移動速率和 0.5mm提離高度,沿試件上所標的三條檢測通道從 A(北）到 B(南）進行。磁信號檢測通道長為 60mm,見圖 1虛線所示。疲勞裂紋萌生過程采用長焦距顯微鏡實時觀察。

疲勞試驗在美國 MTS810型液壓伺服試驗機上進行,磁信號檢測采用 EMS2003型智能磁記憶檢測儀。

2 試驗結果與討論

2.1 受力狀態(tài)有限元分析

有限元分析得到的試件加載后表面應力分布狀態(tài)如圖 2?？梢?疲勞加載后,2,3檢測通道中心對應的缺口根部由于存在嚴重的應力集中,應力最大,在疲勞應力的作用下,該處將首先產生損傷并萌生疲勞裂紋。1檢測通道中心對應處無明顯的應力集中,應力較小。

2.2 應力集中對磁信號的影響

有限元分析結果表明,在疲勞應力作用下,2,3通道中心所對應的缺口根部應力集中嚴重,因此,2,3通道和 1通道磁信號的差異,即體現(xiàn)了應力集中程度不同對磁信號的影響。

圖2 有限元分析試件表面應力分布Fig.2 Stress distribution of specimen by finite element analysis

圖3給出了疲勞加載前后 1～3通道磁信號 Hp(y）曲線變化特征,可見,疲勞循環(huán)加載前,無應力集中的 1通道 Hp(y）曲線平滑,無突變特征,2,3通道 Hp(y）曲線在應力集中嚴重的缺口根部存在幅度較小的突變特征,各通道 Hp(y）曲線均無過零點。疲勞加載后,各通道磁信號值均明顯改變,但 1通道Hp(y）曲線仍然平滑,無突變特征,2,3通道 Hp(y）曲線在缺口根部突變程度顯著增加,并且,各通道Hp(y）曲線均出現(xiàn)過零點。

圖3 Smax=0.93σ0.2試件各通道磁信號變化Fig.3 MMM signal variation ofevery line in the process of fatigue testing

鐵磁材料在外載荷的作用下,內部磁化強度方向發(fā)生變化,并基于材料內部的位錯運動,空洞形核且長大,最后與疇壁一起聚合,使得在內部應力集中或損傷處形成磁荷,并在構件表面形成漏磁場(磁信號）,從而在應力集中或損傷處的力-磁效應表現(xiàn)為漏磁場水平分量 Hp(x）具有最大值,而垂直分量Hp(y）改變符號并具有過零點。試驗結果表明,在缺口根部應力集中處(損傷處）,磁信號 Hp(y）曲線出現(xiàn)過零點,與磁記憶檢測的基本原理一致[8]。另一方面,磁信號 Hp(y）曲線在應力集中處(損傷處）還表現(xiàn)出突變的特征。

2.3 疲勞損傷程度對磁信號的影響

三級疲勞應力水平下,各試件磁信號具有相同的變化規(guī)律。同時,各試件的 2,3通道磁信號隨循環(huán)周次的變化規(guī)律相同。

圖4給出了 Smax=0.76σ0.2條件下試件 1,3通道磁信號隨循環(huán)周次的變化。由圖 4可見,不管是在無應力集中的 1通道,還是在存在嚴重應力集中的 3通道,經過 1次循環(huán)后,試件磁信號即與初始磁信號有很大差異,磁信號最大值 Hp(y）max和最小值Hp(y）min絕對值均急劇增加,Hp(y）曲線出現(xiàn)過零點。在穩(wěn)定循環(huán)階段,磁信號隨疲勞循環(huán)周次增加無顯著改變,直至疲勞裂紋萌生后,Hp(y）max和 Hp(y）min絕對值逐漸增大,斷裂后發(fā)生激變,在斷口處形成正負磁極。圖 5給出 1,3通道 Hp(y）max值、Hp(y）min值和 Hp(y）sub(=Hp(y）max-Hp(y）min）與循環(huán)周次的關系?？梢?隨著疲勞損傷程度的增加,各通道 Hp(y）max,Hp(y）min和 Hp(y）sub的絕對值均逐漸增大。

圖4 Smax=0.76σ0.2試件 1、3通道磁信號隨循環(huán)周次變化 (a）1通道;(b）3通道Fig.4 MMM signal variation in the process of fatigue testing (a）1 line;(b）3 line

從磁信號過零點看,1,3通道過零點均與試件斷裂位置不完全吻合,存在一定距離的偏離,這一特征在無應力集中的 1通道更為明顯。而這與目前磁記憶技術采用過零點判定應力集中和損傷位置的評價準則并不完全一致[9]。但是,通過不同循環(huán)周次磁信號 Hp(y）曲線出現(xiàn)過零點位置變化可知,隨著疲勞循環(huán)周次增加,過零點位置向試件斷裂處靠近(見圖 4）,由此可見,疲勞損傷越嚴重,磁信號過零點越能準確的表征試件損傷位置。

圖5 Smax=0.93σ0.2試件 1,3通道磁信號 Hp(y）max,Hp(y）min及 Hp(y）sub值隨循環(huán)周次變化Fig.5 Variation of the MMM signal Hp(y）max,Hp(y）min andHp(y）sub in the process of fatigue testing

應用磁信號梯度對試件的應力集中和損傷狀態(tài)進行評價,梯度計算公式為:

式中:ΔHp(y）為磁信號檢測線上相鄰兩個檢測點間的 Hp(y）值之差;Δx為相鄰兩個磁信號檢測點間的距離。

三級應力水平下,各試件磁信號梯度具有相同的變化規(guī)律。圖 6給出了 Smax=0.76σ0.2條件下試件 1,3通道磁信號梯度 K曲線。由圖 6可見,1通道 K曲線在試件缺口兩側對應處存在多個波動峰值,無明顯的異變峰值(最大磁信號梯度 Kmax值）。3通道 K曲線在試件缺口對應處存在異變峰值(Kmax值）,Kmax值顯著增加。由此可見,磁信號梯度K曲線異變峰值出現(xiàn)位置可準確表征試件損傷位置。

提取各檢測循環(huán)周次磁信號梯度 K曲線最大值 Kmax,得到 Kmax值隨循環(huán)周次變化關系,見圖 7。由圖 7可見,1通道 Kmax絕對值較小,并且在整個疲勞過程中變化不大;疲勞裂紋首先萌生的 3通道Kmax絕對值較大,并可分為三階段,第一階段為 Kmax絕對值快速增長階段,即在疲勞試驗開始的 100周次左右,其值快速增大,這階段對應材料的循環(huán)軟化階段;當進入材料穩(wěn)定循環(huán)階段后,Kmax絕對值基本保持穩(wěn)定,為第二階段;裂紋萌生后,Kmax絕對值逐漸增大,直至斷裂前的激增,為第三階段。由此可見,磁信號梯度 Kmax絕對值隨疲勞損傷程度的加劇而逐漸增加,反映了構件損傷程度。因此,通過 Kmax值的變化特征,可準確判定構件損傷程度。

圖6 Smax=0.76σ0.2試件 1,3通道磁信號梯度 K曲線變化(4300周次） (a）1通道;(b）3通道Fig.6 Variation of the MMM signal K curve in the process of fatigue testing (a）1 line;(b）3 line

圖7 Smax=0.76σ0.2試件 1,3通道磁信號梯度 Kmax隨循環(huán)周次變化Fig.7 Variation of the MMM signal feature parameter Kmax in the process of fatigue testing

2.4 疲勞應力對磁信號的影響

磁信號 Hp(y）sub值表征了磁信號的變化特征,圖 8給出了三級應力水平下磁信號 Hp(y）sub值隨循環(huán)周次的關系。由圖 8可見,Hp(y）sub值大小與應力水平存在強烈的相關性。應力水平越大,Hp(y）sub值也越大,而同一級應力水平下的 Hp(y）sub值基本相當。并且,不同應力水平下 Hp(y）sub值的差值與疲勞應力差值呈正比。由此可見,磁信號 Hp(y）sub可準確表征構件的受力歷程。

圖8 各疲勞應力水平下 Hp(y）sub值隨疲勞循環(huán)周次變化Fig.8 Variation of theMMM signal Hp(y）sub under three different fatigue stresses in the process of fatigue testing

疲勞應力大小還強烈影響磁信號 Hp(y）曲線過零點位置,應力越大,Hp(y）曲線過零點偏離試件斷裂位置越小,見圖 9。這與 Hp(y）曲線過零點位置與疲勞損傷程度相關具有一致性。

對磁信號 Hp(y）曲線按如下方式進行數(shù)據處理,得到處理后的磁信號 H′p(y）曲線。

式中:H′p(y）為處理后的磁信號值;Hp(y）N為第 N次疲勞循環(huán)磁信號值;Hp(y）0為未疲勞循環(huán)時磁信號值。

數(shù)據處理結果表明,處理后,在不同的應力集中程度和疲勞應力水平下,磁信號過零點與試件斷裂位置基本完全重合,偏離距離很小。由此可見,采用該方法對磁信號進行處理,磁信號過零點準則判定應力集中和損傷位置更為準確有效,這與文獻[10]的研究結果一致。圖 10給出了 Smax=0.78σ0.2條件下試件磁信號處理后 1,3通道 H′p(y）曲線過零點位置。

3 結論

(1）疲勞循環(huán)后,在試件應力集中和損傷處,磁信號 Hp(y）曲線存在突變特征。利用該突變特征,可表征試件損傷位置。

(2）疲勞循環(huán)后,磁信號 Hp(y）曲線出現(xiàn)過零點,采用 H′p(y）=Hp(y）N-Hp(y）0的磁信號處理方式,磁信號 H′p(y）曲線過零點與試件斷裂位置重合。處理后的磁信號過零法可更有效的表征試件損 傷位置。

3 ）在試件疲勞損傷處,磁信號梯度 K曲線出現(xiàn)異變峰值(Kmax值）。利用異變峰特征,可表征試件損傷位置。

4 ）磁信號梯度 Kmax值隨疲勞損傷程度的增加而逐漸增加,反映了構件疲勞損傷程度。磁信號梯度Kmax值的變化可表征試件疲勞損傷程度。

5 ）磁信號 Hp(y）sub值與疲勞應力水平存在強烈的相關性,應力水平越大,Hp(y）sub值也越大。磁信號 Hp(y）sub值可表征試件的受力歷程。

[1]DOUBOV A A.Diagnostics ofmetal items and equipment by means of metal magnetic memory[C]∥Proc of ChSNDT 7th Con ference on NDT and International Research Symposium,Shantou:Shantou University Press,1999:181-187.

[2]DOUBOV A A.Expressmethod of quality control of a spot resistance welding with usage of metal magnetic memory[J].Weld World,2002,46:317-20.

[3]陳曦,任吉林,王偉蘭,等.地磁場中應力對磁疇組織的影響[J].失效分析與預防,2007,2(1）:6-9.

[4]劉昌奎,陶春虎,陳星,等.基于金屬磁記憶技術的18CrNi4A鋼缺口試件疲勞損傷模型[J].航空學報,2009,30(9）:1641-1647.

[5]DONG Li-hong,XUBin-shi,DONG Shi-yun,etal.Study on the magnetic memory signals of medium carbon steel specimens with surface crack precut during loading process[J].Rare Metals,2006,25(spec）:431-435.

[6]DOUBOV A.A.Diagnostics of equipmentand constructions strength with usageofmagneticmemory[J].Inspection Diagnostics,2001(6）:19-29.

[7]任吉林,陳晨,劉昌奎,等.磁記憶檢測力-磁效應微觀機理的試驗研究[J].航空材料學報.2008,28(5）:41-44.

[8]任吉林,王東升.應力狀態(tài)對磁記憶信號的影響[J].航空學報,2007,28(3）:724-728.

[9]宋凱,唐繼紅,鐘萬里,等.鐵磁構件應力集中的有限元分析和磁記憶檢測[J].材料工程,2004,(4）:40-42.

[10]王丹,董世運,徐濱士,等.應力集中部位的金屬磁記憶檢測研究[J].失效分析與預防.2007,2(2）:12-15.

Test Research on Low-Cycle Fatigue Damage of Parts by MetalMagnetic Memory Methods

LIUChang-kui1,CHEN Xing1,ZHANG Bing1,REN Ji-lin2,DONG Shi-yun3,TAO Chun-hu1
(1.AVIC Failure Analysis center,Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China;2.Nanchang hangkong university,Nanchang 330063,China;3.National Key Laboratory for Remanufacturing,Academy of Armord Forces Engineering,Beijing 100072,China）

Low-cycle fatigue tests of notched 18CrNi4A steel specimenswere carried out under three different fatigue stresses,andmetalmagnetic memory(MMM）signalswere detected.The effects of stress concentration,fatigue damage and fatigue stress on the MMM signalswere investigated.The results show that fatigue-damaged locations can be predicated effectively according to the mutational characters of theMMM signal Hp(y）curveand K curve.It is found that the zero-crossing points of the MMM signal H′p(y）curve(H′p(y）=Hp(y）N-Hp(y）0）have the same positionsas the fracture points,so it can be concluded that fatigue-damaged locations can be predicated more effectively by zero-crossing points.The absolute value of the MMM signal feature parameter Kmaxincreaseswith the aggravation of the fatigue damage.The fatigue damage can be assessed effectively by the value of Kmax.In addition,there is an inherent relationship between the fatigue stress and the MMM signal feature parameters Hp(y）max,Hp(y）minand Hp(y）sub;the larger the fatigue stress is,the larger the absolute values of the feature parameters are.

metalmagneticmemorymethods;stress concentration;fatigue damages;low-cycle fatigue;magnetic signal

10.3969/j.issn.1005-5053.2010.1.014

TG115.28

A

1005-5053(2010）01-0072-06

2009-08-21;

2009-10-12

北京航空材料研究院基金項目(KF74081701）;教育部無損檢測技術重點實驗室開放基金資助項目(ZD 200729012）;國防科技工業(yè)技術基礎科研資助項目(2006036）

劉昌奎(1976—）,男,工程師,博士研究生,主要從事磁記憶檢測技術、材料損傷及失效分析研究,(E-mail）changkuiliu621@sohu.com。