黃海鴻 劉儒軍 張 曦 劉志峰

合肥工業(yè)大學，合肥，230009

0 引言

中國汽車工業(yè)協(xié)會發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2010年中國汽車產(chǎn)銷量迅猛增加，雙雙突破1800萬輛。目前，市場上沖壓焊接式橋殼因其制造工藝簡單、材料利用率高、廢品率低及制造成本低等優(yōu)點而得到廣泛應用。受汽車使用年限的限制，報廢量與日俱增，巨大的再制造價值引起人們極大關(guān)注。再制造檢測是決定零部件能否再制造的關(guān)鍵步驟，金屬磁記憶檢測作為一種新型無損檢測技術(shù)［1］，因?qū)?gòu)件失效和疲勞損傷具有早期診斷的能力而受到了極大關(guān)注。鐵磁性物質(zhì)在地磁場與外應力的共同作用下，應力和變形集中區(qū)磁疇狀態(tài)發(fā)生不可逆變化，在材料表面突變的漏磁信號以“磁記憶”的形式記錄下來，可通過磁記憶信號的法向分量Hp（y）和切向分量Hp（x）以及磁記憶信號法向分量梯度K來表征材料的損傷程度。

為探討磁記憶現(xiàn)象的本質(zhì)，實現(xiàn)磁記憶檢測工業(yè)化應用，國內(nèi)外學者進行了大量的實驗及應用研究。文獻［2-6］研究了不同材料的光滑及缺口拉伸試樣在不同載荷下彈性階段及塑性變形階段磁記憶信號的變化規(guī)律，采用磁記憶信號法向分量Hp（y）及其梯度K來表征拉伸不同階段材料應力集中和損傷狀況；張衛(wèi)民等［7］研究了螺紋連接在拉伸載荷過程中的磁記憶信號變化規(guī)律，結(jié)合有限元方法探討了磁記憶信號與彈塑性變形之間的關(guān)系；文獻［8-9］將磁記憶檢測應用于壓力容器、曲軸、儲氣罐等設(shè)備的無損檢測。雖然眾多學者進行了大量的實驗研究，但都是圍繞著具體材料或結(jié)構(gòu)件進行的單一檢測。不同材料的內(nèi)部組織、熱處理方法、性能，以及結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點、加載及檢測環(huán)境等因素都會對檢測結(jié)果產(chǎn)生重要影響，因此，需要建立一個從材料評估到結(jié)構(gòu)件檢測的復合流程。

汽車驅(qū)動橋殼材料510L鋼（原16MnL鋼）韌性較好，經(jīng)過一定服役期后出現(xiàn)局部應力集中及小損傷，隨著塑性變形會發(fā)生微裂紋和微孔洞的形核和進一步擴展［10］，因此橋殼損傷區(qū)及變形量的檢測是決定其能否再制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文通過對510L鋼材料的拉伸試樣進行磁記憶檢測，揭示試樣不同拉伸階段材料應變量與磁記憶信號法向分量Hp（y）及其梯度K的變化規(guī)律；在結(jié)合拉伸試樣應變量與磁記憶信號特征量關(guān)系的基礎(chǔ)上，研究磁記憶信號特征量與橋殼結(jié)構(gòu)件變形量的關(guān)系，為評估橋殼損傷提供依據(jù)，建立從材料評估到結(jié)構(gòu)件檢測一體化的廢舊驅(qū)動橋殼再制造檢測方法。

1 510L鋼的拉伸磁記憶檢測

1.1 試驗材料及設(shè)備

510L鋼的化學成分見表1。試驗取樣按照GB2975-1998及GB／T3273-2005標準，板材沿垂直于軋制方向采用線切割截取，并按GB／T228-2002加工標準拉伸試樣，試樣形狀尺寸見圖1。在試樣中央檢測區(qū)沿試樣長度方向標記1號、2號、3號三條平行檢測線，線間距為4.5mm，檢測沿這三條線從左到右進行。在MTS810型液壓伺服疲勞試驗機上進行拉伸試驗，其載荷傳感器精度高于0.5%，靜態(tài)載荷誤差為±0.5%；采用EMS2000＋型智能磁記憶檢測儀檢測試樣表面的磁記憶信號，兩通道筆式探頭裝夾在非鐵磁性電控移動臺上，檢測步距為1mm，背景磁場抑制，大地磁場校準。

表1 試樣的化學成分

圖1 試樣及檢測線

1.2 試驗方法

根據(jù)GB／T228-2002《金屬材料室內(nèi)拉伸試驗方法》測定510L鋼的應力-應變曲線，見圖2，測得屈服強度σs＝485MPa、抗拉強度σb＝552MPa。參照應力-應變曲線，另取2組試樣，每組6根，常溫下緩慢加載，當達到規(guī)定應變量時停止加載，取下試樣按南北方向水平放置，按照檢測線進行磁記憶檢測。檢測時探頭移動方向保持一致，提離高度為1mm，移動速度為8mm／s。拉伸試驗前為消除試樣加工過程殘余應力等造成的表面不均勻剩磁，采用TC-2退磁器對試樣進行交流感應退磁處理，以凈化初始磁信號。

圖2 應力－應變曲線

1.3 塑性區(qū)磁記憶信號的分析

由圖2可知，材料在拉伸過程中經(jīng)歷了彈性、屈服、強化和頸縮4個階段。在試樣進入屈服階段以后，分別在應變ε為3.0%、3.7%、9.3%、14.3%、18.9%、22.1%后卸載，并按照標定路線進行磁記憶檢測。對比兩組試樣檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，第1組試樣的1號、2號檢測線在不同應變下的磁記憶信號分布見圖3。由圖3可知，1號、2號檢測線在不同應變量下磁記憶信號法向分量變化規(guī)律一致，這說明光滑試樣在拉伸載荷下為均勻塑性流動。下面以1號檢測線為例，揭示不同應變下磁記憶信號特征量變化規(guī)律。

圖3 試樣塑性階段不同應變下磁記憶信號

試樣1～6在塑性變形的不同階段，其磁記憶法向分量表現(xiàn)出一定的變化規(guī)律。在塑性變形初期，Hp（y）為斜線，隨著應變量的增大，Hp（y）有減小的趨勢；應變達到18.9% 時，Hp（y）值發(fā)生落差性的減小，并在30mm位置出現(xiàn)過零點；應變?yōu)?2.1% 時試樣出現(xiàn)頸縮，Hp（y）變化趨勢反轉(zhuǎn)。分析塑性變形初始階段磁信號規(guī)律：由于晶體在退磁狀態(tài)下的磁疇分布狀態(tài)強烈依賴于外應力、磁場熱處理和退磁的方式［11］，常溫下材料經(jīng)交流退磁后，在塑性區(qū)發(fā)生了不可逆變形，磁疇壁擴展合并，磁疇重新分布，在應力作用下試樣內(nèi)部能量得到重新分配，磁疇有序化排列。在塑性變形初始階段，材料的塑性流動呈均勻流動狀態(tài)，光滑試樣各截面應力差別不大，試樣沒有出現(xiàn)應力集中。當應變量繼續(xù)增大到出現(xiàn)頸縮時，Hp（y）則出現(xiàn)了變化趨勢反轉(zhuǎn)、過零點及數(shù)值發(fā)生較大變化等現(xiàn)象，主要原因是光滑試樣內(nèi)在缺陷或夾雜物處在大載荷下最先出現(xiàn)了損傷，并以強烈的漏磁信號形式在試樣表面體現(xiàn)出來。

為進一步研究磁記憶信號與應變的關(guān)系，使應力損傷量化，令磁記憶信號法向分量梯度K為

K是Hp（y）微分后的量化值，反映檢測線上每個點的磁記憶信號變化。提取試樣表面磁記憶信號法向分量梯度最大值Kmax，分析1號檢測線Kmax與應變量的關(guān)系，見表2。在塑性變形初始階段，隨應變量的增大，Kmax有增大的趨勢，但變化幅度較??；當繼續(xù)加載到試樣出現(xiàn)頸縮時，梯度Kmax出現(xiàn)明顯的增大。

表2 塑性階段不同應變量對應的梯度Kmax

分析Hp（y）的變化規(guī)律及Kmax值，發(fā)現(xiàn)兩者有共同的規(guī)律性。塑性變形初期Hp（y）為斜線，Kmax在波動的基礎(chǔ)上有小幅度的增大，兩者變化都不顯著；當出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象時，Hp（y）變化趨勢反轉(zhuǎn)且出現(xiàn)過零點，Kmax出現(xiàn)突變，試樣表面的磁記憶信號強烈。Hp（y）的變化規(guī)律及Kmax都與拉伸試樣的應變量有對應關(guān)系，并且規(guī)律相同，由此證明了磁記憶方法用于檢測510L鋼拉伸試樣應變損傷的可行性，為磁記憶方法應用于510L鋼廢舊驅(qū)動橋殼檢測提供了依據(jù)。

2 驅(qū)動橋殼的磁記憶檢測

2.1 橋殼危險區(qū)判斷

根據(jù)某車橋公司的汽車驅(qū)動橋臺架試驗數(shù)據(jù)，驅(qū)動橋殼最易損壞的位置為半軸套管與橋殼本體焊縫處、彈簧座與殼體圓弧過渡處，在焊縫處熔池凝固是非平衡結(jié)晶，冷卻速度快，結(jié)晶時化學成分不能及時擴散，導致在焊接后極易出現(xiàn)成分偏析現(xiàn)象［12-13］，在熔合區(qū)成分不均勻更為明顯；彈簧座與殼體圓弧過渡處則會在沖壓成形時出現(xiàn)材料的塑性變形，在車橋運行過程中成為斷裂危險區(qū)域，過渡弧外側(cè)受拉應力，內(nèi)側(cè)受壓應力。汽車在運行過程中，橋殼承受加載力、扭轉(zhuǎn)力，在疲勞載荷作用下兩處危險區(qū)最易出現(xiàn)塑性變形、應力集中甚至斷裂破壞現(xiàn)象。

2.2 橋殼檢測與分析

隨機抽取4根廢舊驅(qū)動橋殼，對半軸套管與橋殼本體焊縫處（檢測區(qū)A）、彈簧座與殼體圓弧過渡處（檢測區(qū)B）進行磁記憶檢測。檢測A區(qū)時，探頭垂直沿半軸套管母線方向在焊縫附近區(qū)域檢測；檢測B區(qū)時，探頭垂直沿橋殼軸向檢測。橋殼變形量的檢測通過測量橋殼高度差的方法測定，橋殼兩端半軸套管用支撐環(huán)支撐，旋轉(zhuǎn)橋殼，采用高度游標卡尺測量加強環(huán)中心點a的上下偏差，如圖4所示。

圖4 驅(qū)動橋殼檢測示意圖

檢測區(qū)A、B的Kmax測量結(jié)果見表3，1號～4號廢舊橋殼檢測區(qū)A沿橋殼母線檢測得到的梯度分布見圖5，檢測區(qū)B沿橋殼母線檢測得到的梯度分布見圖6。

表3 廢舊橋殼變形量與檢測區(qū)A、B磁場梯度Kmax對比

檢測顯示，3號廢舊驅(qū)動橋殼在檢測區(qū)A處，Hp（y）有較大變化，在熔合區(qū)有過零點，梯度Kmax最大（值為10.50×10-3A／mm2）；其他3個橋殼在檢測區(qū)A處的磁場強度有一定的波動，但波動范圍較小，變化平緩，K較小且沒有大的突變峰。檢測區(qū)B磁記憶檢測結(jié)果顯示，1號、2號、4號橋殼的梯度K沿檢測路徑表現(xiàn)出相似規(guī)律，即越靠近彈簧座磁記憶信號波形變化越大；而3號橋殼則沒有表現(xiàn)出大的跳躍性，在檢測過程中波形出現(xiàn)輕微的均勻跳動。

結(jié)果表明，在同一檢測環(huán)境下，不同變形量的廢舊橋殼與磁記憶特征信號表現(xiàn)出一定的相關(guān)性。3號廢舊橋殼在焊縫邊緣出現(xiàn)突變梯度Kmax（值為10.50×10-3A／mm2），而彈簧座附近磁信號變化平緩，表明該橋殼焊縫處最先出現(xiàn)了應力集中，為橋殼的易損壞區(qū)域，在疲勞載荷下?lián)p傷加深并最終演變?yōu)榇蟮淖冃危ń?mm）。在疲勞載荷下彈簧座處塑性變形情況更加嚴重，這是由于彈簧座與殼體圓弧過渡處沖壓成形時即存在塑性變形。1號、2號、4號廢舊橋殼梯度K的變化規(guī)律表明，越靠近彈簧座，應力集中現(xiàn)象越明顯，橋殼臺架試驗結(jié)果也表明此處是橋殼最易發(fā)生損傷的區(qū)域之一。

圖5 1～4號橋殼檢測區(qū)A梯度K

圖6 1號～4號橋殼檢測區(qū)B梯度K

2.3 驅(qū)動橋殼再制造的性能評估

對比光滑拉伸試樣與橋殼的磁記憶檢測，發(fā)現(xiàn)變形量與磁記憶特征信號具有相關(guān)性。當變形量較小時，材料均勻塑性變形，Hp（y）、K發(fā)生微小波動，無應力集中；當發(fā)生大的塑性變形時，材料漏磁信號增強，磁場梯度出現(xiàn)大的突變。

廢舊驅(qū)動橋殼的變形量及局部損傷程度都決定了其再制造性能，通過分析變形量與磁記憶信號特征量的關(guān)系可以表征和評估橋殼的再制造性能。廢舊驅(qū)動橋殼檢測流程見圖7。使用磁記憶檢測儀，快速地對橋殼半軸套管與橋殼焊縫處、彈簧座與殼體圓弧過渡處等危險部位進行檢測。當磁記憶信號法向分量Hp（y）變化平緩，梯度K在小范圍內(nèi)跳動時，判定橋殼無損傷，直接進入下一步再制造工序。當Hp（y）出現(xiàn)明顯的波峰波谷，K發(fā)生劇烈跳動（如 Kmax達到10.50×10-3A／mm2）時，判定橋殼出現(xiàn)損傷，并且還可能伴隨著橋殼的變形，可針對損傷區(qū)采用渦流等其他常規(guī)無損檢測方法進行驗證，確定損傷程度，確定橋殼損傷的再制造修復與加工方案；同時對橋殼實行變形量檢測，根據(jù)報廢標準對小變形橋殼進行矯正。橋殼經(jīng)過檢測、再制造修復和加工后，再進入測試程序，驗證經(jīng)過再制造的新橋殼是否具備進入下一個服役周期的性能。

圖7 驅(qū)動橋殼再制造檢測流程圖

3 結(jié)論

（1）光滑拉伸試樣及驅(qū)動橋殼的磁記憶信號特征量隨應變量的變化表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。Hp（y）分布與K值的變化規(guī)律相同，光滑拉伸試樣塑性變形初期，Hp（y）為斜線，Kmax變化微弱，隨應變量的增大有小幅增大；當出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象時，頸縮位置出現(xiàn)不均勻塑性流動，Hp（y）變化趨勢反轉(zhuǎn)且出現(xiàn)過零點，Kmax出現(xiàn)較大突變；驅(qū)動橋殼變形量較小時Kmax較小，變形量較大時Kmax也相應增大。從材料評估到結(jié)構(gòu)件檢測的一體化流程證明了磁記憶檢測方法用于廢舊驅(qū)動橋殼再制造檢測的可行性。

（2）通過Kmax可判別橋殼應力集中情況，由Kmax也可推導橋殼的變形程度，從而判別橋殼的整體損傷程度，確定橋殼的再制造性能。

（3）磁記憶方法采集的是弱磁信號，而弱磁信號易受到各種環(huán)境的影響，廢舊驅(qū)動橋殼的結(jié)構(gòu)、載荷、工況、殘余應力、變形量、環(huán)境磁場等因素非常復雜，目前還無法制訂統(tǒng)一的標準來定量分析工件損傷程度，所以還需要結(jié)合渦流、超聲等無損檢測手段進一步綜合評價廢舊驅(qū)動橋殼的再制造性能。

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