董麗虹，薛 楠，徐濱士，王慧鵬，董世運(yùn)

(裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100072)

具有中國特色的再制造是將廢舊產(chǎn)品通過專業(yè)化恢復(fù)或升級改造，使其性能不低于新品的制造過程［1-3］。再制造已列入我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，在各行業(yè)獲得迅速發(fā)展，再制造產(chǎn)品質(zhì)量問題成為工程界關(guān)注的焦點(diǎn)［4］，依靠先進(jìn)無損檢測技術(shù)監(jiān)控再制造質(zhì)量成為再制造產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵［5］。

金屬磁記憶技術(shù)是一種可以發(fā)現(xiàn)鐵磁材料應(yīng)力集中部位的先進(jìn)無損檢測方法，在早期損傷診斷方面極具潛力。磁記憶技術(shù)能夠發(fā)現(xiàn)鐵磁材料裂紋萌生前的隱性損傷，為管道、壓力容器、主承載構(gòu)件的壽命評估提供理論依據(jù)，是進(jìn)行再制造質(zhì)量評價的重要無損檢測手段［6-10］。

金屬磁記憶技術(shù)在我國已經(jīng)歷十余年發(fā)展，雖然在工程領(lǐng)域取得一些成功的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，但磁記憶檢測機(jī)理仍未澄清，目前的磁機(jī)械效應(yīng)理論尚不能夠很好地解釋地磁場環(huán)境下應(yīng)力對鐵磁材料磁性產(chǎn)生的影響［11-12］，致使不同的工程領(lǐng)域難以制定有效的檢測評估標(biāo)準(zhǔn)，建立基于金屬磁記憶技術(shù)的鐵磁機(jī)械零件再制造壽命評估方法仍需深入探索。

文獻(xiàn)［13-14］通過對靜載拉伸和疲勞試驗(yàn)過程磁記憶信號的變化規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)外加應(yīng)力能夠改變鐵磁材料的宏觀磁性能，彈性變形范圍內(nèi)，隨應(yīng)力增大，鐵磁試件磁性增強(qiáng)。文獻(xiàn)［15-16］的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):在外加應(yīng)力作用下，預(yù)制缺陷部位磁狀態(tài)發(fā)生改變，出現(xiàn)磁極性的正負(fù)反轉(zhuǎn)。研究者雖然報道了這一現(xiàn)象，但尚無更深入的試驗(yàn)研究。磁極性反轉(zhuǎn)將影響磁記憶特征參量的處理分析，為提高金屬磁記憶技術(shù)進(jìn)行再制造壽命評估的可靠性，有必要深入研究應(yīng)力導(dǎo)致的磁極性反轉(zhuǎn)規(guī)律。

筆者通過對軸狀試件進(jìn)行靜載拉伸試驗(yàn)，研究應(yīng)力及加載方向?qū)Υ艠O性的影響，根據(jù)微磁學(xué)及力學(xué)理論分析磁極性反轉(zhuǎn)誘因，以推動金屬磁記憶技術(shù)機(jī)理研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用Q235鋼。Q235鋼屬于普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，主要化學(xué)成分為Fe和C，C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.14%～0.19%。該材料強(qiáng)度較低，但具有良好的塑性和韌性，一般以型材供應(yīng)，用來制造一般要求的機(jī)械零件及焊接件。

筆者采用Q235鋼圓柱靜載拉伸試件。沿圓柱軸線方向等間隔布置10個檢測點(diǎn)，檢測線總長度90 mm。試件尺寸及檢測點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 試件形狀及表面檢測點(diǎn)布置

1.2 試驗(yàn)方法

圓柱靜載拉伸試件在MTS810型液壓伺服試驗(yàn)機(jī)上試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)靜態(tài)誤差為±0.5%。試件分為2組，一組試件加載方向固定，即恒采用正向加載，拉伸過程中試件A端始終裝卡于試驗(yàn)機(jī)上夾頭內(nèi)，試件B端裝卡于試驗(yàn)機(jī)下夾頭內(nèi)。施加軸向拉伸應(yīng)力，到達(dá)預(yù)定應(yīng)力值后卸載取下試件，將試件沿南北方向放置在非磁性三維掃描平臺上，試件A端指向南，B端指向北，采用EMS-2003型金屬磁記憶檢測儀采集各測點(diǎn)法向分量磁信號。檢測結(jié)束后試件裝夾于試驗(yàn)機(jī)上，保持試件A端在上夾頭，試件B端在下夾頭，重新加載至更高載荷，重復(fù)上述檢測步驟，直至試件斷裂。另一組試件的加載方向不固定，正向和反向加載交叉進(jìn)行。反向加載時試件A端裝卡在下夾頭中，試件B端固定于上夾頭中。反向加載條件下的檢測方式同正向加載，仍為試件A端指向南，B端指向北。每級加載下采用EMS-2003磁記憶檢測儀采集試件表面10個測試點(diǎn)的法向分量Hp(y)磁信號。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 正向加載試件的磁極性變化規(guī)律

正向加載試件加載及檢測方式固定。軸向應(yīng)力作用在具有一定長徑比的軸狀鐵磁試件上，產(chǎn)生等效磁場Hσ磁化試件，試件將呈現(xiàn)變化的弱磁性，其宏觀磁性類似于條形磁鐵，試件一端表現(xiàn)為正的磁極性，另一端為負(fù)的磁極性，point1和point10兩個檢測點(diǎn)具有最為強(qiáng)烈的正負(fù)磁極性，試件中間檢測點(diǎn)磁極性最微弱。

圖2為正向加載方式下，試驗(yàn)過程中每級軸向應(yīng)力加載后兩端測點(diǎn)point 1和point 10的磁極性變化。采集的point 1和point 10測點(diǎn)的Hp(y)信號是鐵磁試件自發(fā)產(chǎn)生的弱磁信號，兩測點(diǎn)Hp(y)信號幅值差代表了軸狀試件檢測段在軸向應(yīng)力下呈現(xiàn)的最大正負(fù)磁極性。

圖2 正向加載試件的磁極性特征

由圖2可見:未加載前，point 1和point 10測點(diǎn)的Hp(y)信號幅值接近，表明初始狀態(tài)下軸狀試件未呈現(xiàn)明顯磁極性;隨著軸向應(yīng)力增大，兩測點(diǎn)的Hp(y)信號的幅值差增大(虛線所示)，表明軸向應(yīng)力作用下試件的磁性增強(qiáng);加載至270 MPa時，兩測點(diǎn)磁極性差值達(dá)到647 A/m，此時材料發(fā)生屈服;繼續(xù)加載，材料塑性變形增大，兩測點(diǎn)磁極性差值輕微下降，直至390 MPa試件斷裂，斷裂前386 MPa軸向應(yīng)力加載后檢測試件磁極性差值為590 A/m。

由上述試驗(yàn)現(xiàn)象可知:單一加載方向的試驗(yàn)條件下，試件在整個拉伸過程顯示相同的磁極性。磁極性幅值差在彈性變形階段持續(xù)增加，塑性變形階段略有下降。

2.2 正反向交替加載試件磁極性變化規(guī)律

正反向交替加載試件的檢測方式與正向加載試件相同，只是在預(yù)定的某一級應(yīng)力下分別進(jìn)行正向和反向加載，觀察試件反轉(zhuǎn)加載方向?qū)Υ艠O性的影響。圖3給出三級典型應(yīng)力下正反向加載后各測點(diǎn)Hp(y)信號幅值。第1級應(yīng)力6 MPa，第2級應(yīng)力133 MPa，這2級應(yīng)力均為彈性應(yīng)力，加載時試件發(fā)生彈性變形，卸載后變形恢復(fù)。第3級應(yīng)力380 MPa，接近試件的抗拉強(qiáng)度，在此應(yīng)力作用下試件發(fā)生不可恢復(fù)的塑性變形。加載順序?yàn)? MPa正向、6 MPa反向、133 MPa正向、133 MPa反向、380 MPa正向、380 MPa反向。

圖3 正反向加載試件的測點(diǎn)Hp(y)信號分布

由圖3可見:正向加載和反向加載試件A、B兩端呈現(xiàn)的磁極性相反，正向加載A端為負(fù)極性，B端為正極性，反向加載磁極性與之相反。

未加載前，試件各測點(diǎn)初始信號幅值范圍位于地磁場量級(±40 A/m)，施加6 MPa正向應(yīng)力后，試件的宏觀磁性明顯增強(qiáng)，point1測點(diǎn)磁極性為負(fù)，point10測點(diǎn)磁極性為正，兩點(diǎn)磁極性幅值差絕對值達(dá)到206 A/m;隨后調(diào)轉(zhuǎn)試件的夾持方向，施加6 MPa的反向應(yīng)力，按照相同的檢測方式檢測，發(fā)現(xiàn)試件的磁極性反轉(zhuǎn)，point1測點(diǎn)磁極性為正，point10測點(diǎn)磁極性為負(fù)，兩點(diǎn)磁極性幅值差絕對值67 A/m。

133 MPa和380 MPa正反向順序加載后磁極性變化規(guī)律與6 MPa加載相同。三級應(yīng)力正反向順序加載后試件兩端測點(diǎn)磁極性幅值差絕對值如表1所示。

表1 試件三級正反向順序加載后磁極性幅值差

對試件進(jìn)行正向和反向順序加載，試件的磁極性發(fā)生逆轉(zhuǎn)。每一級應(yīng)力水平下，正向加載在前，反向加載在后，正向加載試件獲得的磁極性幅值差絕對值大于反向加載。

2.3 正反向加載次數(shù)及加載順序的影響

為深入分析正反向加載后磁極性反轉(zhuǎn)影響因素，在單一方向加載過程中增加同一應(yīng)力的反復(fù)加載次數(shù)，并且調(diào)換正反加載順序，研究試件磁極性的變化。

圖4給出先經(jīng)一輪6 MPa正向和反向順序加載，再經(jīng)3次6 MPa正向加載條件下試件各測點(diǎn)的Hp(y)信號變化。圖4顯示第1次6 MPa正向加載后，試件獲得的磁極性最強(qiáng)。隨后的一次反向加載使試件磁極性反轉(zhuǎn)，試件呈現(xiàn)較正向加載弱的磁極性特征。第2次6 MPa正向加載雖然再次逆轉(zhuǎn)試件的磁極性，但其磁極性受反向加載影響，幅值差明顯小于第1次正向加載。第3次正向加載使試件磁極性繼續(xù)增強(qiáng)，但仍未達(dá)到第1次正向加載后的幅值。第4次正向加載獲得的磁極性幅值差與第3次正向加載基本重疊。后續(xù)如繼續(xù)正向加載相同軸向應(yīng)力，試件各測點(diǎn)信號仍與第4次正向加載基本重疊，接近但是仍完全未達(dá)到第1次正向加載試件獲得的磁極性。

圖4 加載次數(shù)對試件磁極性的影響

由圖4可知:某一應(yīng)力水平下，經(jīng)歷一輪反向加載，試件磁極性發(fā)生反轉(zhuǎn)后，即便在同一應(yīng)力水平下多次重復(fù)正向加載，仍不能完全恢復(fù)到第1次正向加載的磁極性水平。

為進(jìn)一步明確加載順序?qū)υ嚰艠O性的影響，設(shè)計試驗(yàn)在133 MPa進(jìn)行先正向后反向一輪順序加載后，提高應(yīng)力水平，改變加載順序，在380 MPa應(yīng)力條件下先反向重復(fù)3次加載，再正向380 MPa加載，獲得的試件磁極性變化如圖5所示。

圖5 改變正反向加載順序試件弱磁性變化

試件在133 MPa反向加載基礎(chǔ)上繼續(xù)反向加載380 MPa，試件磁極性顯著增大。重復(fù)3次380 MPa的反向加載，各測點(diǎn)Hp(y)信號值重合，point 1和point 10測點(diǎn)的磁極性差絕對值達(dá)420 A/m。而后再進(jìn)行380 MPa的正向加載，試件獲得的磁極性顯著弱于反向加載，兩端測點(diǎn)磁極性差絕對值為326 A/m。

由圖5可以得到結(jié)論:不改變加載順序條件下，在同一方向上多次重復(fù)加載測點(diǎn)磁信號幅值基本不變;如先反向再正向加載，則反向加載獲得的磁極性顯著大于正向加載。

3 分析討論

目前學(xué)術(shù)界和工程界公認(rèn)產(chǎn)生磁記憶現(xiàn)象有2個主要因素:外加應(yīng)力和地磁場。外加應(yīng)力能夠產(chǎn)生等效磁場Hσ，地磁場在確定的經(jīng)度緯度條件下保持恒定。

試驗(yàn)機(jī)MTS加載時上夾頭固定不動，依靠下夾頭施加軸向拉伸應(yīng)力。試驗(yàn)過程中將試件調(diào)轉(zhuǎn)夾持方向，不改變試件在試驗(yàn)機(jī)上下夾頭內(nèi)垂直夾持的空間狀態(tài)。按照力學(xué)作用力和反作用力原理分析，正向和反向加載試件沿軸向都受到相同的應(yīng)力作用。夾持狀態(tài)下，軸向應(yīng)力產(chǎn)生的等效磁場Hσ相同，但由于試件夾持方向相反，在試件內(nèi)部引起相反的磁疇取向;試驗(yàn)時地磁場He相同，由于試件夾持方向相反，地磁場對試件磁極性產(chǎn)生相反方向的影響。試件夾持狀態(tài)下應(yīng)力及地磁場對試件磁極性影響如圖6所示。

圖6 加載時應(yīng)力與地磁場對試件磁性影響

檢測時試件已卸載，2種加載條件下試件的檢測方式相同。加載應(yīng)力等效磁場Hσ對試件磁極性的影響卸載后仍被保留，檢測時地磁場He對試件的影響相同。圖7為檢測時應(yīng)力及地磁場對試件磁極性影響。

圖7 檢測時應(yīng)力與地磁場對試件磁性影響

由于試驗(yàn)采集的信號均是在卸載狀態(tài)下測得，地磁場對2種加載方式的試件磁極性影響相同，地磁場信號微弱，可略去不計。正向和反向加載造成的試件不可恢復(fù)的磁極性差異主要由應(yīng)力導(dǎo)致。2種加載方式分別使試件磁疇結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相反的取向，因此兩端呈現(xiàn)相反的磁極性。

當(dāng)加載方向不變時，每級應(yīng)力能夠驅(qū)動的磁疇結(jié)構(gòu)數(shù)量一定，因此產(chǎn)生的磁極性幅值差絕對值一定，在該級載荷下即使多次重復(fù)加載，鐵磁材料的宏觀磁極性不變(見圖5重復(fù)反向加載)。

當(dāng)加載方向改變時，必須抵消前一輪加載方向誘發(fā)的相反磁疇結(jié)構(gòu)取向的影響，逆轉(zhuǎn)磁疇結(jié)構(gòu)的取向，如果2種加載方向施加的應(yīng)力值相等，即使多次重復(fù)加載，也只能使一些容易逆轉(zhuǎn)的磁疇結(jié)構(gòu)方向調(diào)轉(zhuǎn)，使試件的磁極性略有回升，但仍將有個別磁疇結(jié)構(gòu)的取向不能逆轉(zhuǎn)，最終獲得的試件宏觀磁極性較不改變加載方向呈現(xiàn)的磁極性弱(見圖4正反向順序加載)。

4 結(jié)論

筆者針對加載方向、應(yīng)力大小導(dǎo)致的鐵磁試件磁極性反轉(zhuǎn)規(guī)律開展了試驗(yàn)研究。當(dāng)前后加載方向相同時，試件的磁極性不變，加載應(yīng)力大小決定試件磁極性的強(qiáng)弱。在加載方向相同、加載應(yīng)力相同的條件下，重復(fù)加載次數(shù)對試件的磁極性無影響。

當(dāng)前后加載方向改變時，試件將產(chǎn)生相反的磁極性。分析認(rèn)為:施加的反向應(yīng)力需要逆轉(zhuǎn)已形成的磁疇結(jié)構(gòu)取向，重復(fù)反向加載能夠驅(qū)動更多磁疇反轉(zhuǎn)，加載次數(shù)增多使反向磁極性略有增強(qiáng)，但不能恢復(fù)到首次正向加載的磁極性水平。

上述研究結(jié)果為對利用金屬磁記憶技術(shù)進(jìn)行再制造壽命評估提供理論依據(jù)。今后將進(jìn)一步深入研究應(yīng)力類型、幅值與磁極性的量化關(guān)系。

［1］ 徐濱士.再制造與循環(huán)經(jīng)濟(jì)［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.

［2］ 徐濱士.裝備再制造工程的理論與技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2007.

［3］ 徐濱士.綠色再制造工程的發(fā)展現(xiàn)狀和未來展望［J］.中國工程科學(xué)，2011，13(1):4-10.

［4］ 徐濱士，劉世參，史佩京.再制造工程的發(fā)展及推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化中的前沿問題［J］.中國表面工程，2008，21(1):1-6.

［5］ 徐濱士.中國再制造工程及其進(jìn)展［J］.中國表面工程，2010，23(2):1-6.

［6］ Dubov A A.Diagnostics of Boiler Tubes with Usage of Metalmagnetic Memory［M］.Moscow:Energoatomizdat，1995.

［7］ 冷建成，徐敏強(qiáng)，邢海燕，等.鐵磁構(gòu)件磁記憶檢測技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.材料工程，2010(11):88-93.

［8］ 張衛(wèi)民，Dubov A A，孫海濤，等.高強(qiáng)度鋼磨削時的金屬磁記憶現(xiàn)象初探［J］.兵工學(xué)報，2005，26(3):375-378.

［9］ 董麗虹，徐濱士，董世運(yùn)，等.金屬磁記憶技術(shù)用于再制造毛坯壽命評估初探［J］.中國表面工程，2010，23(2):106-111.

［10］ 董世運(yùn)，徐濱士，董麗虹，等.金屬磁記憶技術(shù)用于再制造毛坯壽命預(yù)測的試驗(yàn)研究［J］.中國表面工程，2006，19(5):71-75.

［11］ 李路明，王曉鳳，黃松嶺，等.磁記憶現(xiàn)象和地磁場的關(guān)系［J］.無損檢測，2003，25(8):387-389.

［12］ 王歡，康宜華.磁記憶現(xiàn)象與應(yīng)力場的關(guān)系［J］.2006，28(10):526-528.

［13］ 董麗虹，徐濱士，董世運(yùn)，等.拉伸及疲勞載荷對低碳鋼磁記憶信號的影響［J］.中國機(jī)械工程，2006，17(7):742-745.

［14］ 尹大偉，徐濱士，董世運(yùn)，等.中碳鋼疲勞試驗(yàn)的磁記憶檢測［J］. 機(jī)械工程學(xué)報，2007，43(3):60-65.

［15］ Dong L H，Xu B S，Dong S Y，et al.Monitoring Fatigue Crack Propagation of Ferromagnetic Materials with Spontaneous Abnormal Magnetic Signals［J］.International Journal of Fatigue，2008，30(9):1599-1605.

［16］ Li L M，Huang S L，Wang X F.Magnetic Field Abnormality Caused by Welding Residual Stress［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2003，26(1):385-391.