邱忠超，張衛(wèi)民，果 艷，于 霞

（北京理工大學(xué) 機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京 100081）

金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)是俄羅斯學(xué)者DUBOV A.A 于20世紀(jì)末發(fā)明的一種用于評(píng)價(jià)鐵磁構(gòu)件應(yīng)力集中的技術(shù)，并被認(rèn)為是目前唯一能夠進(jìn)行早期評(píng)估的無(wú)損檢測(cè)方法［1－2］。它以法向磁場(chǎng)過(guò)零點(diǎn)與磁場(chǎng)梯度K取最大值作為判據(jù)來(lái)判斷應(yīng)力集中區(qū)。但到目前為止，這種方法僅是定性檢測(cè)，并且由于磁記憶檢測(cè)屬于弱磁檢測(cè)，易受外界環(huán)境因素干擾［3］，依據(jù)檢測(cè)結(jié)果有時(shí)難以準(zhǔn)確判斷應(yīng)力集中區(qū)。這也成為該技術(shù)工程化推廣應(yīng)用的瓶頸。

筆者針對(duì)噪聲信號(hào)干擾問(wèn)題，提出了通過(guò)外加弱磁激勵(lì)來(lái)強(qiáng)化磁信號(hào)，提高檢測(cè)靈敏度，進(jìn)而改善檢測(cè)效果；分析靜拉伸過(guò)程中各階段磁場(chǎng)的變化規(guī)律，并從不同角度討論了導(dǎo)致磁場(chǎng)變化的原因；探討了不同拉伸階段磁場(chǎng)梯度K與應(yīng)力之間的相關(guān)性，為磁檢測(cè)技術(shù)在鐵磁材料損傷評(píng)估中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 檢測(cè)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

圖1為試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)框圖，靜拉伸試驗(yàn)分別在地磁場(chǎng)環(huán)境與外加弱磁場(chǎng)環(huán)境下進(jìn)行，其中，外加磁場(chǎng)通過(guò)通直流電的勵(lì)磁線圈與試件構(gòu)成閉合磁回路來(lái)實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)時(shí)，勵(lì)磁電流為0.01A，經(jīng)計(jì)算可得，此時(shí)試件中的磁感應(yīng)強(qiáng)度約為0.035T，而Q235鋼的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度約為2T［4］，因此所加外磁場(chǎng)屬于弱磁場(chǎng)激勵(lì)范圍。通過(guò)TSC－1M－4磁檢測(cè)儀測(cè)量試件表面磁場(chǎng)，并對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行相應(yīng)處理。

圖1 磁方法檢測(cè)系統(tǒng)框圖

1.2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為Q235鋼，將試件加工成光滑平板試件，厚度4 mm，尺寸如圖2 所示，選取其中三根進(jìn)行靜拉伸試驗(yàn)。試件加工后進(jìn)行去應(yīng)力退火，并且試驗(yàn)前利用TC－50退磁器進(jìn)行退磁處理，以消除加工過(guò)程中引入的殘余應(yīng)力與剩磁。沿試件中部100mm直線每5mm 設(shè)置一個(gè)點(diǎn)，共21個(gè)點(diǎn)。

圖2 試件尺寸示意

靜拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)千分表測(cè)量試件長(zhǎng)度變化。首先設(shè)定載荷到預(yù)定值，通過(guò)TSC－1M－4磁檢測(cè)儀沿試件表面自上而下原位測(cè)量試件表面各點(diǎn)處的法向磁場(chǎng)，同時(shí)記錄試件長(zhǎng)度變化。然后，試件被重新加載到更高的預(yù)定載荷，重復(fù)上述操作，直至試件發(fā)生斷裂。

2 試驗(yàn)結(jié)果

圖3為試件伸長(zhǎng)量隨拉伸載荷的變化曲線。當(dāng)載荷為0～14kN，試件屬于彈性變形階段；載荷14～20kN 間，試件屬于塑性變形階段；隨后進(jìn)入頸縮階段，最終試件斷裂。

圖3 試件伸長(zhǎng)量隨載荷的變化曲線

圖4為試件在兩種不同磁場(chǎng)環(huán)境下法向磁場(chǎng)的分布圖。由圖4可知，兩種磁場(chǎng)環(huán)境下法向磁場(chǎng)匯聚于一點(diǎn)［5］，但“匯聚點(diǎn)”處的法向磁場(chǎng)不為零。因此，僅依據(jù)法向磁場(chǎng)過(guò)零點(diǎn)判斷應(yīng)力集中是無(wú)效的。在地磁場(chǎng)環(huán)境下，磁場(chǎng)強(qiáng)度為－50～350A·m－1，且“匯聚點(diǎn)”較分散；弱磁場(chǎng)激勵(lì)下磁場(chǎng)幅值增大至－200～550A·m－1，且“匯聚點(diǎn)”位置更集中。

圖4 試件在兩種磁場(chǎng)環(huán)境下的初始法向磁場(chǎng)分布

當(dāng)試件裝卡在拉伸機(jī)上后，試件與拉伸機(jī)組成了一個(gè)大的磁體。盡管裝卡前經(jīng)過(guò)退磁處理，但試件一旦裝卡到拉伸機(jī)上即被迅速磁化。所以，試件初始狀態(tài)總是不可避免地帶有剩磁Hpo（y），稱(chēng)為初始剩磁。為了分析僅由拉伸導(dǎo)致的試件表面磁場(chǎng)的變化規(guī)律，以未施加載荷時(shí)原位測(cè)量的初始剩磁Hpo（y）作為參考磁場(chǎng)，則拉伸造成的磁場(chǎng)變化ΔHpoi（y）為施加不同載荷時(shí)的法向磁場(chǎng)Hpi（y）減去初始剩磁［6］，即ΔHpi（y）＝Hpi（y）－Hpo（y）。圖5為試件在兩種磁場(chǎng)環(huán)境下的法向磁場(chǎng)ΔHp（y）的分布圖。

由圖5可知，地磁場(chǎng)環(huán)境下磁場(chǎng)過(guò)零點(diǎn)位置比較分散，根據(jù)法向磁場(chǎng)過(guò)零點(diǎn)判據(jù)難以準(zhǔn)確判斷應(yīng)力集中位置；然而，弱磁場(chǎng)激勵(lì)下過(guò)零點(diǎn)位置集中，并且規(guī)律性更強(qiáng)，法向磁場(chǎng)過(guò)零點(diǎn)位置集中在L為0mm處，與試件的應(yīng)力集中位置相一致。由此說(shuō)明，弱磁激勵(lì)能夠減小噪聲信號(hào)干擾，能有效改善檢測(cè)效果。

圖5 試件在兩種磁場(chǎng)環(huán)境下的法向磁場(chǎng)ΔHP（y）分布

3 分析與討論

盡管試驗(yàn)過(guò)程中，每組試件表面法向磁場(chǎng)不盡相同，但總體變化趨勢(shì)一致，為了減小噪聲干擾，選取外加弱磁激勵(lì)環(huán)境下具有代表性的一組磁信號(hào)進(jìn)行分析。

3.1 彈性階段

圖6為試件在彈性階段的法向磁場(chǎng)ΔHP（y）分布圖。法向磁場(chǎng)沿試件表面呈線性分布，初始階段磁場(chǎng)逐漸增大，載荷為7kN 時(shí)達(dá)最大值，之后緩慢減小，即在載荷為7kN 處發(fā)生了應(yīng)力磁化反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

圖6 試件在彈性階段的法向磁場(chǎng)ΔHP（y）分布

磁化后的試件相當(dāng)于一個(gè)磁鐵，一端為S極而另一端為N 極，并且兩端的磁場(chǎng)對(duì)稱(chēng)分布。取測(cè)量線兩端點(diǎn)（1，21點(diǎn)）進(jìn)行分析，圖7為試件的兩端點(diǎn)位置處的磁場(chǎng)ΔHP（y）隨載荷的變化曲線。可以看出，兩端點(diǎn)處的法向磁場(chǎng)變化趨勢(shì)相反，并且關(guān)于直線對(duì)稱(chēng)；載荷為7kN時(shí)，同時(shí)出現(xiàn)磁化反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，經(jīng)計(jì)算此時(shí)端點(diǎn)處應(yīng)力為87.5MPa。

圖7 試件的兩端點(diǎn)位置處的法向磁場(chǎng)ΔHP（y）隨載荷的變化曲線

根據(jù)Jiles－Atherton 模 型［7］，單向應(yīng)力作用下恒定磁場(chǎng)環(huán)境中，試件的磁化強(qiáng)度M隨應(yīng)力的變化規(guī)律為：

式中：Man為在磁場(chǎng)H和應(yīng)力G共同作用下的非滯后磁化強(qiáng)度。

可見(jiàn)，磁化強(qiáng)度不僅與應(yīng)力σ有關(guān)，而且與（Man－M）有關(guān)，即與材料的初始磁狀態(tài)有關(guān)。

式（1）代入相應(yīng)參數(shù)可得磁化強(qiáng)度隨應(yīng)力的變化曲線，如圖8所示。彈性初期磁化強(qiáng)度隨應(yīng)力增加而增大，60 MPa時(shí)達(dá)最大值，之后磁場(chǎng)逐漸減小，磁場(chǎng)強(qiáng)度表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)。即彈性階段存在應(yīng)力磁化反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，且反轉(zhuǎn)位置與材料所受應(yīng)力、材料損傷程度和組織結(jié)構(gòu)變化狀況密切相關(guān)。

圖8 試件在地磁場(chǎng)下磁化強(qiáng)度隨應(yīng)力的變化曲線

從材料學(xué)角度看［8］，鐵磁材料受力時(shí)磁疇會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，即拉應(yīng)力使磁疇向平行于應(yīng)力方向轉(zhuǎn)動(dòng)，而壓應(yīng)力使磁疇向垂直于應(yīng)力方向轉(zhuǎn)動(dòng)。這種微觀結(jié)構(gòu)的變化會(huì)影響材料的宏觀磁性能，如矯頑力Hc與磁導(dǎo)率μ。根據(jù)應(yīng)力－磁導(dǎo)率模型，鐵磁試件在弱磁場(chǎng)和應(yīng)力的共同作用下，應(yīng)力使鐵磁材料磁導(dǎo)率發(fā)生改變，進(jìn)而使試件的磁化狀態(tài)變化，表現(xiàn)為應(yīng)力的磁化效應(yīng)。其本質(zhì)是應(yīng)力產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變起因于材料的原子滑移、磁疇壁移、晶界移動(dòng)、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變等，從而導(dǎo)致磁導(dǎo)率的變化。

研究表明，在弱磁場(chǎng)和單向載荷作用下，磁導(dǎo)率μ可表示為：

式中：μT為初始磁導(dǎo)率，和溫度T有關(guān)；b為材料常數(shù)，和材料結(jié)構(gòu)性質(zhì)有關(guān)；a0，a1，m，n均為載荷系數(shù)，具體數(shù)值取決于載荷方向和應(yīng)力值的情況。磁導(dǎo)率和應(yīng)力之間呈現(xiàn)冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)共同作用的復(fù)雜非線性關(guān)系。

弱磁場(chǎng)一定時(shí)，應(yīng)力對(duì)磁導(dǎo)率的影響為：

對(duì)式（3）求導(dǎo)可得：

當(dāng)σ＜－m／n時(shí)，gt（σ）＞0，即磁導(dǎo)率μ隨應(yīng)力增加而增大。當(dāng)σ＞－m／n時(shí)，gt（σ）＜0，即磁導(dǎo)率μ隨應(yīng)力增加而減小。由此，磁化反轉(zhuǎn)位置為σ＝－m／n。其中，對(duì)于20鋼，根據(jù)式（4）對(duì)磁導(dǎo)率與應(yīng)力的關(guān)系曲線［9］進(jìn)行擬合，可得：m＝1.5425；n＝－0.0315。由此可知，20鋼在應(yīng)力σ＝50 MPa時(shí)發(fā)生應(yīng)力磁化反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

3.2 塑性階段

圖9為試件在塑性階段的表面法向磁場(chǎng)ΔHp（y）分布圖。塑性階段法向磁場(chǎng)沿試件表面分布比彈性階段更加復(fù)雜，但呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，在－15mm與15mm 處分別出現(xiàn)波峰與波谷。塑性階段初期保持磁化反轉(zhuǎn)，且磁場(chǎng)繼續(xù)減小直至越過(guò)零點(diǎn)，之后磁場(chǎng)沿初始磁場(chǎng)反方向繼續(xù)增大。塑性變形對(duì)磁化的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：①位錯(cuò)磁化效應(yīng)，微觀結(jié)構(gòu)變化影響疇壁運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而影響磁化。②微孔洞或微裂紋，形成“泄漏磁場(chǎng)”。

位錯(cuò)是材料內(nèi)應(yīng)力的主要來(lái)源，位錯(cuò)產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)通過(guò)磁彈性耦合與磁化相互作用。位錯(cuò)結(jié)構(gòu)在塑性階段不斷增殖，經(jīng)歷了孤立位錯(cuò)、位錯(cuò)纏結(jié)與位錯(cuò)胞幾個(gè)過(guò)程，且以釘扎點(diǎn)的形式阻礙疇壁的運(yùn)動(dòng)，使磁場(chǎng)減小。

圖9 試件在塑性階段的法向磁場(chǎng)ΔHp（y）分布

除位錯(cuò)外，材料內(nèi)部或表面萌生的微孔洞與微裂紋也會(huì)引起材料磁化不均勻。從磁荷的觀點(diǎn)來(lái)看［10］，漏磁場(chǎng)是磁荷在材料組織結(jié)構(gòu)不均勻處運(yùn)動(dòng)受阻產(chǎn)生堆積而引起的。由體磁荷密度：ρm＝－μ0M，均勻磁化體內(nèi)ΔM＝0，ρm＝0；若材料磁化不均勻，則ΔM≠0，ρm≠0，產(chǎn)生磁荷堆積，在材料外部形成漏磁場(chǎng)，且形成的漏磁場(chǎng)與初始磁場(chǎng)方向相反。

塑性階段初期，位錯(cuò)磁化起主導(dǎo)作用，微孔洞與微裂紋形成的漏磁場(chǎng)較小。隨著塑性階段的持續(xù)，微孔洞與微裂紋不斷萌生并擴(kuò)展，形成的漏磁場(chǎng)越來(lái)越大，后逐漸占主要地位，導(dǎo)致發(fā)生磁場(chǎng)極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。之后，隨著微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，漏磁場(chǎng)沿與初始磁場(chǎng)相反方向增大。

3.3 頸縮階段及斷裂

圖10為試件在頸縮階段及斷裂后的法向磁場(chǎng)ΔHP（y）分布圖，頸縮階段磁場(chǎng)沿初始磁場(chǎng)反方向不斷增大，直至斷裂。頸縮階段微孔洞與微裂紋擴(kuò)展形成宏觀裂紋，使得試件表面磁場(chǎng)不斷增大。斷裂后，將斷裂后的兩部分對(duì)接進(jìn)行原位測(cè)量發(fā)現(xiàn)，法向磁場(chǎng)急劇變化，增大約一個(gè)數(shù)量級(jí)。從某種角度看，斷口可以看作一個(gè)特殊的、非常大的宏觀裂紋。

圖10 試件在頸縮階段與斷裂后的法向磁場(chǎng)ΔHp（y）分布

4 磁記憶定量化評(píng)估初步探討

下面討論外加弱磁激勵(lì)下，試件中間點(diǎn)（第11點(diǎn)）位置彈性與塑性階段時(shí)法向磁場(chǎng)及其梯度與應(yīng)力的相關(guān)性。由該點(diǎn)處的截面積S（40 mm2）可得不同載荷F下的應(yīng)力σ（σ＝F／S）。根據(jù)圖3可知，0～350 MPa為彈性階段，375～500 MPa 為塑性階段。

由試件中間點(diǎn)處的法向磁場(chǎng)梯度為：

式中：Δx為檢測(cè)中兩鄰近點(diǎn)間的距離，為5mm。

4.1 彈性階段

圖11為試件在彈性階段的法向磁場(chǎng)梯度K隨應(yīng)力的變化曲線。由圖可知，法向磁場(chǎng)梯度K隨應(yīng)力增加先增大后減小，呈‘⌒’形狀。對(duì)磁場(chǎng)梯度K與應(yīng)力σ進(jìn)行二階擬合，擬合曲線關(guān)系式為：K＝－3.379×10－4σ2＋0.117σ＋0.43。顯然，由于彈性階段存在應(yīng)力磁化反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，僅根據(jù)磁場(chǎng)梯度K只能定性判斷應(yīng)力，難以實(shí)現(xiàn)定量化評(píng)估。這在一定程度上限制了磁記憶檢測(cè)技術(shù)在工程實(shí)踐中的推廣應(yīng)用。

圖11 試件在彈性階段的法向磁場(chǎng)梯度K 隨應(yīng)力的變化曲線

4.2 塑性階段

圖12為試件在塑性階段的磁場(chǎng)梯度K隨應(yīng)力的變化關(guān)系。由圖可知，應(yīng)力由375 MPa增加到500MPa的過(guò)程中，磁場(chǎng)梯度K隨應(yīng)力增加而逐漸減小，且呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。擬合直線為：K＝－0.2σ＋78.711。根據(jù)梯度值K，可以定量評(píng)估塑性階段試件的損傷情況。

盡管彈性階段與塑性階段的擬合關(guān)系式比較粗糙，根據(jù)關(guān)系式并不能精確判斷應(yīng)力大小，且不同材料、不同試件形狀公式也不相同。但通過(guò)法向磁場(chǎng)梯度K可以判斷試件所屬拉伸過(guò)程的彈性階段或塑性階段，并可對(duì)塑性階段進(jìn)行定量化評(píng)估。在實(shí)際應(yīng)用中，可以采用此方法判斷被檢件是否發(fā)生屈服或局部出現(xiàn)彈性失效，從而達(dá)到無(wú)損檢測(cè)的目的。

圖12 試件在塑性階段的法向磁場(chǎng)梯度K 隨應(yīng)力σ的變化曲線

5 結(jié)論

（1）外加弱磁場(chǎng)激勵(lì)可以強(qiáng)化弱磁信號(hào)，有效減小噪聲干擾，提高檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度，改善檢測(cè)效果。

（2）靜拉伸過(guò)程中，試件在彈性階段發(fā)生應(yīng)力磁化反轉(zhuǎn)現(xiàn)象；塑性階段保持磁化反轉(zhuǎn)，且磁場(chǎng)越過(guò)零點(diǎn)后沿反方向增大；頸縮階段磁場(chǎng)沿反方向繼續(xù)增大，直至最終斷裂。

（3）由于存在應(yīng)力磁化反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在試件的彈性階段不能進(jìn)行定量化評(píng)估，但塑性階段磁場(chǎng)梯度與應(yīng)力呈線性關(guān)系，故可以對(duì)鐵磁材料損傷進(jìn)行定量化評(píng)估，判斷被檢件是否發(fā)生屈服或彈性失效。

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