王海濤 ,劉 平 ,田貴云,2,王 平,姚恩濤,楊雅榮,周德強

(1.南京航空航天大學 自動化學院,南京 210016;2.紐卡斯爾大學N EI 7RU,英國)

傳統(tǒng)的無損檢測方法(如渦流、超聲等)只能檢測出已發(fā)展成形的缺陷,而不能發(fā)現(xiàn)和預測將要發(fā)生的缺陷,且對在役金屬設備及構件的早期損傷,特別是尚未成形的隱性不連續(xù)性變化難以實施有效的評價[1]。1997 年由俄羅斯動力診斷公司杜波夫教授提出的金屬磁記憶檢測技術彌補了傳統(tǒng)檢測技術的不足。該技術借助于金屬內部各種微觀缺陷和應力分布在地球磁場中的“被動”反應特性,通過拾取鐵磁表面產生的固有漏磁場(SMFL)的分布來確定應力集中的部位,因此真正具有對鐵磁性金屬構件損傷進行早期診斷的能力。由于金屬磁記憶檢測技術只能對鐵磁性試件存在的缺陷進行定性評估,因此還需借助其它手段進行定量。目前磁測殘余應力法中,巴克豪森法是比較成熟的手段。它具有靈敏度高、可靠性好等優(yōu)點。因此筆者在循環(huán)加載鐵磁試件前,首先利用巴克豪森法對應力進行定量,以驗證金屬磁記憶技術檢出結果的可靠性,并為進一步的試驗提供說明。

圖1 試驗平臺簡圖

1 試驗平臺及相關設備

循環(huán)加載是在如圖1 所示的試驗平臺上,進行四點彎曲試驗。循環(huán)載荷等級分50,100,150,200,250,300,350,400 和475 N,同一載荷每循環(huán)加載20 次測量一次。

試件選用Q235 號鋼,試件尺寸為70 cm×3 cm×0.55 cm。根據(jù)力學理論,試件在A-B段上所受載荷是均勻分布。為了能在A-B段產生應力集中現(xiàn)象,根據(jù)帶偶極子模型,在試件中心開了一個小槽(0.1 cm×30 cm×0.2 cm)。

2 試驗前處理

圖2 是循環(huán)加載前所檢測的試件上的殘余磁場的分布(未抵消地磁,未作濾波處理)。

圖2 加載前試件上金屬磁記憶信號

根據(jù)金屬磁記憶的循環(huán)累積機理和磁偶極子模型,檢出的垂直分量的峰-峰值應該關于零點對稱,水平分量應該關于中心對稱,而圖2 所示各分量并沒有出現(xiàn)理想的對稱波形,為進一步的特征提取乃至定性帶來了干擾。而目前特征值提取都建立在標準波形的基礎之上,因此進一步了解金屬磁記憶累積機理顯得相當必要。實際檢測過程中并不具備對試件先進行均勻微觀組織和消除殘余磁場的條件,因此檢測出的金屬磁記憶信號記錄的很可能是裂紋尖端的應力集中及其它缺口效應造成的應力集中導致的固有漏磁場的相互疊加。如要了解累積過程,就需要進一步確定應力集中的位置和消除相鄰缺陷間的干擾。為此,筆者首先對采集的信號進行一階微分處理,處理后的波形如圖3 所示。

圖3 一階微分后金屬磁記憶信號

為了驗證金屬磁記憶檢測結果的可靠性和為了解金屬磁記憶的累積過程,選擇使用磁巴克豪森法(M BN)進行驗證。文獻[2] 表明,磁巴克豪森法噪聲信號的均方根和平均值與MBN 信號強度有很好的對應關系,為此提取M BN 信號的均方根和平均值作為特征值來標定載荷與巴克豪森強度之間的關系。首先在尺寸、材質相同的無缺陷試件上進行試驗,得出MBN 信號強度與載荷的對應關系。根據(jù)試驗擬合出來均方根與載荷對應關系的經驗公式為:

殘差:0.003 337 16

平均值與載荷對應關系為:

殘差:0.001 044 44

圖4 是MBN 信號強度與應力對應關系。零點位置為缺陷中心,正值為試件右段,負值為試件左段?？紤]磁化器尺寸和其它影響因素,選擇檢測范圍為[-12 cm ,12 cm] 。在缺陷中心,M BN 信號強度較小,可見缺陷對M BN 的信號具有一定的影響。在缺陷右端3 cm 位置和缺陷左端12 cm 的位置,應力值明顯比較大。到目前為止,金屬磁記憶雖不能定量檢測出應力的大小,但它可以檢測出應力集中的狀態(tài)。

圖4 MBN 信號強度分布曲線

通過巴克豪森法對應力的定量,結合金屬磁記憶微分后的波形,均顯示原始試件上存在兩處應力集中區(qū)。微分之后的曲線波形和原來的曲線波形有一定的差異且更能反映位置與磁記憶信號的對應信息。以往的一系列試驗表明,將微分技術引入對金屬磁記憶的信號處理中,在裂紋尖端區(qū)域金屬磁記憶信號會發(fā)生畸變,而往往此處即為應力集中區(qū)。

3 循環(huán)加載試驗

金屬磁記憶信號嚴格意義上講屬于不平穩(wěn)隨機信號,檢出的信號中很容易引進一些短促的干擾信號和無意義的野值點。為了消除干擾,首先選用漢寧窗進行數(shù)字平滑以剔除數(shù)據(jù)中可能出現(xiàn)的干擾,其次應用小波去噪技術分析金屬磁記憶信號,去除高頻噪聲以提高信噪比。但從試驗目的出發(fā)和為了了解循環(huán)加載中磁場的累積過程,筆者更關注的是磁記憶信號的幅值和整體波形的變化。

根據(jù)試驗平臺和試件材料屬性參數(shù),計算得出施加載荷達425 N 時,試件進入屈服狀態(tài)。試驗中循環(huán)加載分別在彈性范圍和塑性范圍兩個階段進行,試驗所得各檢測曲線均是將試件東西擺放,按照同一路徑(A-B)進行檢測。由于是手動移動檢測探頭,不能保證移動速度均勻且缺乏定位手段,因此以下各圖并不反映具體某點在不同載荷下的磁場變化趨勢。

圖5 峰-峰值與載荷對應曲線

圖6 循環(huán)加載在彈性范圍內的磁記憶信號

3.1 彈性范圍

圖5 為峰-峰值與對應載荷曲線。彈性范圍內循環(huán)加載部分檢測曲線如圖6 所示。根據(jù)循環(huán)加載試驗結果總結出如下幾條規(guī)律:

(1)圖5 顯示,信號波形的峰-峰值隨著加載次數(shù)和載荷的增大而減小?；谒狞c彎曲加載平臺,結合文獻[3]應力能公式可知,金屬磁記憶信號與壓應力成反比,隨著載荷和循環(huán)次數(shù)的增大,起測點的幅值會有所減小。

(2)同一載荷下,通過增大循環(huán)次數(shù),金屬磁記憶信號的峰-峰值有變小的趨勢,體現(xiàn)出金屬磁記憶的累積效應;當載荷增大,增大循環(huán)次數(shù),金屬磁記憶的累積效應相對較小載荷條件下的累積效應更明顯。基于本試驗平臺,無論在大載荷還是小載荷條件下,金屬磁記憶信號的整體波形基本保持不變。

(3)在不同載荷和增加循環(huán)次數(shù)的條件下,金屬磁記憶信號的正峰值(右半段)下降趨勢比較緩慢,而負峰值(左半段)的下降趨勢相當明顯。從金屬磁記憶的檢測曲線結合MBN 檢測曲線可以看出,試件的右半段應力分布比較均勻而左半段應力分布比較雜亂,因此可以合理地推斷試件右半段的微觀組織分布相對比較均勻,而左半段則位錯密度相對較高。當加載在彈性范圍之內,根據(jù)磁記憶的能量躍遷原理,可以作出如下解釋:

動態(tài)應力的存在,根據(jù)磁機械效應,會使試件產生一部分形變,從而提高內部應力能。

為了減小總的自由能,會通過磁致伸縮和磁疇壁的翻轉來提高磁彈性能,從而達到能量最小,實現(xiàn)穩(wěn)定。對于內部微觀組織分布均勻且加載在彈性范圍之內的鐵磁體,當外力撤除之后會恢復形變,應力能的減小會導致相應磁彈性能的減小。而對于結構組織分布不均勻的鐵磁材料,當施加的載荷較小時,由于應力集中區(qū)的存在,會阻止磁疇的翻轉,從而在應力集中之處產生塞積。隨著載荷的增大或循環(huán)次數(shù)的增加,會造成應力的增加,這些塞積之處會不斷地被突破,能量會由一個狀態(tài)躍遷到另一個狀態(tài)。當外應力撤除之后,這些磁疇沒有足夠的能量進行翻轉恢復到原始狀態(tài)。因此,對于磁疇組織分布不均勻之處,除非再次獲得足夠大的能量使磁疇發(fā)生反轉,否則磁信號便會發(fā)生畸變。圖6(d)所示檢出信號曲線的左半段已不再平滑且出現(xiàn)了多處拐點,可知試件左半段在循環(huán)加載時,組織結構變化較劇烈。

(4)從圖5 中可以看出,信號波形的峰-峰值隨著載荷的增大而減小。開始時下降的幅度比較大,到200 N 左右時峰-峰值下降的趨勢開始變得緩慢,當在400 N 循環(huán)加載時(接近屈服極限),峰-峰值變化很小。產生這種現(xiàn)象的原因解釋是:

隨著載荷的提高,原有的磁疇結構會不斷地崩潰,而新的應力集中區(qū)會形成,位錯滑移增加,從而提高位錯的密度,此處的磁阻增加,從而使磁疇的翻轉變得更為困難。

3.2 塑性范圍

當循環(huán)加載在塑性范圍區(qū)時(施加載荷為500 N,應力約250 M Pa),可以看到磁記憶信號的峰-峰值基本保持不變,但磁記憶信號的波形(圖7)已經變得相當不平滑。即當加載到塑性范圍區(qū)時,內部的微觀組織位錯密度急劇增加,相應的磁導率會減小,磁阻會增大,從而在內部產生很高的應力能。若此時繼續(xù)增大循環(huán)次數(shù),將導致試件的斷裂,從而實現(xiàn)應力能的釋放。

圖7 循環(huán)加載在塑性區(qū)的磁記憶信號

4 退火試件驗證

為了驗證以上解釋,使用相同材質、尺寸的試件(經過退火處理),在該試驗平臺上同樣做循環(huán)加載試驗。因未做退火處理的試件微觀組織分布會相對不均勻,在四點彎曲的試驗中,為了能更多地把握循環(huán)加載過程中各個位置磁場變化的細節(jié)信息,因此選擇對其采用連續(xù)波形采集。而對做過退火處理的試件微觀組織分布相對較均勻,因此試驗中采取定點檢測的方法,圖8 是部分試驗所得曲線。

可以看出,經過退火處理后,試件上的殘余應力分布較均勻。當循環(huán)加載后,金屬磁記憶的信號強度隨著壓應力的增加而減小。就幅值而言,并未出現(xiàn)法向的規(guī)則波形,但兩端的磁場變化基本上均勻,并未出現(xiàn)類似未對試驗件進行退火前,只有負峰值變化劇烈的情況。

圖8 退火試件的循環(huán)加載

5 結語

實際檢測中,無法對試件先進行退火處理以達到均勻微觀組織結構的目的,檢出結果往往可能是互相之間累積與疊加。將金屬磁記憶技術與巴克豪森噪聲法結合起來,可實現(xiàn)優(yōu)勢互補,可同時定性和定量地對試件上的殘余應力進行檢測。通過試驗發(fā)現(xiàn),對未經過均勻組織處理的鐵磁材料的金屬磁記憶信號作微分處理,可以更準確地反映出應力集中的狀態(tài)。金屬磁記憶的信號隨著拉應力的增大而增大。同一壓力載荷下,增大循環(huán)次數(shù),金屬磁記憶信號的峰-峰值有變小的趨勢;當載荷增大,增大循環(huán)次數(shù),金屬磁記憶的累積效應相對較小載荷條件下的累積效應更明顯。實際檢測出的金屬磁記憶信號波形有可能不對稱,產生此種現(xiàn)象的原因是峰值較大的一側,微觀組織結構分布相較更不均勻,或可以說波形峰值較大的一側位錯更為密集,即此側已存在應力集中區(qū)。

[1] 林俊明, 林春景, 林發(fā)炳.基于磁記憶效應的一種無損檢測技術[J] .無損檢測,2000,22(7):297-299.

[2] Wilson J W, Tian Gui Yun, Barrans Simon.Residual magnetic field sensing for stress measurement[J] .Sensors and Actuators,2007(A135):381-387.

[3] 任吉林, 林俊明.金屬磁記憶檢測技術[M] .北京:中國電力出版社, 2000.