李 匯，王學(xué)國，何國武

中國十五冶金建設(shè)有限公司（435000）

基于巴克豪森效應(yīng)的預(yù)應(yīng)筋應(yīng)力檢測試驗研究

李 匯，王學(xué)國，何國武

中國十五冶金建設(shè)有限公司（435000）

基于巴克豪森噪聲效應(yīng)的應(yīng)力檢測方法是一種新型的無損檢測方法，巴克豪森噪聲特征依賴于材料的微觀組織結(jié)構(gòu)與應(yīng)力狀態(tài)。采用與現(xiàn)場材質(zhì)、組織狀態(tài)、晶粒度等相同的預(yù)應(yīng)力筋進行張拉試驗研究，可獲得巴克豪森噪聲與張拉應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系，得到巴克豪森噪聲與應(yīng)力的標(biāo)定曲線。

巴克豪森噪聲；預(yù)應(yīng)力；應(yīng)力檢測

預(yù)應(yīng)力筋是預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力構(gòu)件,預(yù)應(yīng)力筋在張拉及服役使用過程中,由于多種因素會產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失，造成預(yù)應(yīng)力水平的降低和預(yù)應(yīng)力分布的不均勻。預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力分布及其變化會直接影響結(jié)構(gòu)承載能力,若不能及時準確地了解和掌握其應(yīng)力狀態(tài)和變化規(guī)律,就難以正確地評價結(jié)構(gòu)的整體性能。預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力狀態(tài)監(jiān)測是大型預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的關(guān)鍵,也是當(dāng)前監(jiān)測技術(shù)中的難點和亟待解決的主要問題。

目前國內(nèi)外預(yù)應(yīng)力測試方法主要有:錨端預(yù)應(yīng)力測試、混凝土壓應(yīng)變間接測試、預(yù)應(yīng)力直接測試、無損超聲測試。其中無損測試技術(shù)因不破壞結(jié)構(gòu)并能實現(xiàn)在線檢測而被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。基于巴克豪森效應(yīng)的磁測法是一種新型的無損檢測方法——利用鐵磁材料的磁化特性檢測鐵磁材料構(gòu)件表面缺陷、次表面顯微組織及應(yīng)力狀態(tài)變化，近幾年已廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天和冶金機械設(shè)備等制造業(yè)的在檢測，其精度、靈敏度和可靠性均比傳統(tǒng)的無損探傷方法優(yōu)越[1]。該方法可對鐵磁材料的殘余應(yīng)力、服役應(yīng)力及疲勞壽命等進行在線、無損、定向檢測。

1 磁巴克豪森噪聲MBN

鐵磁材料包含著許多小磁疇,每個磁疇都有一個特定的自發(fā)磁化方向,各磁疇之間由一個被稱為疇壁的邊界分開[2]。在無外界因素作用下,每個磁疇沿其易極化的結(jié)晶方向取向,其總體磁化效果為零；當(dāng)有外加交變磁場或應(yīng)力作用時，磁疇沿其作用方向發(fā)生反轉(zhuǎn)或沿磁疇壁移動,磁疇的不可逆運動和疇壁的不可逆跳躍式位移,使鐵磁材料表面釋放連續(xù)的高頻脈沖電壓信號，這些信號由德國物理學(xué)家Barkhausen教授于1919年發(fā)現(xiàn)[3]。利用法拉第電磁感應(yīng)原理，鐵磁材料表面的接收線圈會接收到磁疇錯動釋放的抖動脈沖電壓和噪音，經(jīng)放大、濾波、抑制及信號處理，形成特征的磁巴克豪森噪聲（MBN）。

圖1是磁疇未磁化的結(jié)構(gòu)示意圖,箭頭代表每一個磁疇的磁矩方向，磁疇按疇壁兩側(cè)磁矩方向可分為180°和90°疇壁（2個相鄰磁疇的方向相反，2疇間的疇壁稱為180°疇壁；2個相鄰磁疇的磁化方向垂直，稱為180°疇壁）。目前比較公認的看法是MBN主要源于180°疇壁的不可逆運動、90°度疇壁的不可逆運動和磁疇的不可逆轉(zhuǎn)動[4]。

研究表明，材料的MBN 信號強烈依賴于材料的彈性變形，MBN的特征可以反映材料磁疇結(jié)構(gòu)和磁疇的運動規(guī)律。一般認為，對具有正磁致伸縮系數(shù)的材料（如鋼材），磁疇磁矩位于拉應(yīng)力方向時，磁彈性能最低，因此拉應(yīng)力將使磁疇趨于應(yīng)力的方向排列,這樣應(yīng)力方向上的180°疇壁不可逆位移產(chǎn)生的巴克豪森信號強。相反，在壓應(yīng)力作用下，為了使磁彈性能降低，與應(yīng)力方向成90°疇壁擴大，而180°疇壁減小，從而導(dǎo)致磁化時巴克豪森信號減弱[5]。MBN的強度對材料的微觀結(jié)構(gòu)、晶粒度、晶體缺陷及所受應(yīng)力狀態(tài)等因素比較敏感。其中，當(dāng)其他因素相對固定時，若試樣上的拉應(yīng)力越大，MBN信號的強度越高；壓應(yīng)力越大，MBN信號的強度越低[6]。利用材料的這個特性，通過測量MBN信號的強度，就可以確定試樣中的應(yīng)力大小。

2 預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力檢測試驗設(shè)計

試驗設(shè)備:張拉臺座、錨具、千斤頂、Rollscan250磁彈儀、20 MHz示波器。

張拉材料:預(yù)應(yīng)力鋼筋采用12根鋼絲捻制而成的15.2 mm的高強低松弛預(yù)應(yīng)力鋼鉸線（化學(xué)成分如表1）,強度標(biāo)準值fptk=1 860MPa，張拉控制應(yīng)力 σcom=0.75fptk，彈性模量 E=1.95×105MPa。

試驗在室溫環(huán)境下進行，采用先張法施加預(yù)應(yīng)力，測試系統(tǒng)如圖2所示。測試系統(tǒng)對鋼鉸線進行分級加載，直至張拉控制應(yīng)力。Rollscan250磁彈儀采用電壓脈沖時域范圍內(nèi)的均方根來描述巴克豪森信號強弱變化，并以MP值表示噪聲強度大小。測量時，將磁彈儀的探頭固定于鋼絞線表面，測量方向與加載方向相同，調(diào)節(jié)儀器的磁化參數(shù)，使其輸出量MP的分辨率為最大。記錄張拉過程中巴克豪森噪聲輸出信號強度隨張拉力的變化,從而標(biāo)定出巴克豪森噪聲信號與應(yīng)力大小之間的關(guān)系曲線。

表1 鋼絞線化學(xué)成分

3 試驗檢測結(jié)果分析

巴克豪森效應(yīng)在測試系統(tǒng)傳感探頭產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為微伏量級,可通過調(diào)節(jié)磁彈儀可調(diào)節(jié)參數(shù)使有用信號得以放大，干擾信號得到抑制。本試驗取磁化參數(shù)為45，信號檢測頻率70～150 kHz（試驗發(fā)現(xiàn)，對應(yīng)力變化較敏感的MBN頻帶在50～150 kHz之間[7]），測量深度為0.07 mm，用數(shù)字存儲示波器記錄巴克豪森噪聲的波形，采樣時間為。測量時，將示波器的探頭接到儀器的信號輸出端和地線,調(diào)節(jié)示波器的時間、電壓調(diào)節(jié)旋鈕，觀測巴克豪森噪聲輸出信號。巴克豪森噪訊經(jīng)檢波后輸出給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),然后進行信號分析處理,測試顯示結(jié)果為幾個磁循環(huán)的巴克豪森信號的均方根值，即MP值。表2為試驗測試所獲得的巴克豪森噪聲強度MP值。

表2 巴克豪森噪聲強度測試數(shù)據(jù)

對表2所測得的數(shù)據(jù)進行回歸分析,根據(jù)離散點分布特征，選擇三次多項式作為回歸分析模型，因此實測鐵磁材料磁巴克豪噪聲強度MP值與張拉應(yīng)力的關(guān)系式為:

式中:Y—巴克豪森噪聲強度MP值；

X—預(yù)應(yīng)力筋張拉應(yīng)力；

a，b，c，d—由測試數(shù)據(jù)確定的回歸系數(shù)值。

圖3即為磁巴克豪森噪聲強度MP值隨預(yù)應(yīng)力筋張拉應(yīng)力變化曲線。由圖可知巴克豪森噪聲與應(yīng)力呈非線性關(guān)系，巴克豪森噪聲強度隨著張拉應(yīng)力的增大而增強。

4 結(jié)語

巴克豪森噪聲的強度不僅與構(gòu)件所受的應(yīng)力有關(guān)，而且與材料的組織狀態(tài)、硬度、晶粒尺寸及表面狀況有關(guān)[8]，采用磁彈性法測量鐵磁構(gòu)件中的應(yīng)力，必須進行標(biāo)定試驗。標(biāo)定試樣的材質(zhì)、組織狀態(tài)、晶粒度、表面硬度及表面狀態(tài)必須與將進行現(xiàn)場實測的鐵磁材料相同。本試驗中采用與現(xiàn)場預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中預(yù)應(yīng)力筋材質(zhì)一致的預(yù)應(yīng)力筋試樣，通過試驗研究確定巴克豪森噪聲與張拉應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系，得到同種顯微組織下巴克豪森噪聲強度與張拉應(yīng)力的標(biāo)定曲線。將現(xiàn)場實測預(yù)應(yīng)力筋中的巴克豪森噪聲強度值與標(biāo)定曲線進行對比,就可以實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力大小及分布的現(xiàn)場測量。

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