王 威，易術(shù)春，蘇三慶，蘭 艷

（西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，西安 710055）

無(wú)損檢測(cè)是在不損傷被測(cè)對(duì)象內(nèi)部結(jié)構(gòu)和實(shí)用性能的情況下，應(yīng)用多種物理原理和化學(xué)現(xiàn)象，對(duì)各種工程材料、零部件和結(jié)構(gòu)件進(jìn)行有效的檢驗(yàn)和測(cè)試，從而評(píng)估被測(cè)對(duì)象的完整性和安全性．然而，常規(guī)的磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)只能檢測(cè)出已經(jīng)成形的宏觀缺陷，無(wú)法對(duì)早期的隱性損傷進(jìn)行檢測(cè)[1-3]．且常規(guī)的磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是以外加的強(qiáng)磁場(chǎng)為激勵(lì)源，將被測(cè)對(duì)象磁化到磁飽和狀態(tài)，在實(shí)際工程應(yīng)用中具有一定的局限性．金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)是一項(xiàng)新興的無(wú)損檢測(cè)方法，以地磁場(chǎng)為激勵(lì)源，測(cè)量的是應(yīng)力引起的殘余磁場(chǎng)，能夠?qū)﹁F磁材料的應(yīng)力集中、早期損傷及損傷程度等進(jìn)行診斷，防止構(gòu)件的突發(fā)性失效，是迄今為止對(duì)鐵磁構(gòu)件進(jìn)行早期診斷唯一行之有效的無(wú)損檢測(cè)新方法[4-5]．且由于其操作簡(jiǎn)單、方便和不需要對(duì)被測(cè)構(gòu)件進(jìn)行清理、人工磁化以及貼附傳感器等，被廣泛應(yīng)用于石油、化工和機(jī)械等領(lǐng)域．

自金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)被提出以來(lái)，便受到各國(guó)學(xué)者的普遍重視．Yamamoto等[6]觀測(cè)了鐵磁構(gòu)件在弱磁場(chǎng)和應(yīng)力共同作用下磁疇組織的變化；黃松嶺等[7]檢測(cè)了在地磁場(chǎng)的作用下ASTM1020鋼板磁信號(hào)的變化，研究了磁記憶檢測(cè)中地磁場(chǎng)的作用；任吉林等[8]對(duì)40Cr鋼進(jìn)行高周疲勞試驗(yàn)，研究了疲勞損傷及應(yīng)力集中對(duì)法向漏磁信號(hào)的影響規(guī)律，并將李薩如圖引入磁記憶檢測(cè)中．然而，磁記憶檢測(cè)在建筑鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用卻少有研究，加之建筑鋼構(gòu)件的材性、受力方式及工作環(huán)境與上述設(shè)備明顯不同，故不能將其他領(lǐng)域現(xiàn)有磁記憶理論直接應(yīng)用于建筑鋼結(jié)構(gòu)中[9]．本文通過(guò)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)中常用的 Q345B光滑試件和人工預(yù)制淺槽試件進(jìn)行靜載拉伸試驗(yàn)，采集規(guī)定路徑上的法向漏磁場(chǎng)值，研究了不同應(yīng)力狀態(tài)下磁記憶信號(hào)的變化規(guī)律，建立了磁信號(hào)特征參量與應(yīng)力之間的量化關(guān)系，為磁記憶檢測(cè)技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中的應(yīng)用打下基礎(chǔ)．

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料選用鋼結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用的 Q345B結(jié)構(gòu)鋼，其力學(xué)性能指標(biāo)規(guī)定值如表1所示．

為更好的觀測(cè)應(yīng)力集中區(qū)磁記憶信號(hào)的變化特征，本文采用的拉伸試件為光滑試件和人工預(yù)制淺槽缺口試件．試件利用線切割機(jī)進(jìn)行加工，同時(shí)，為了保證試件的斷裂位置位于檢測(cè)范圍內(nèi)，將中央的檢測(cè)區(qū)域面積適當(dāng)減小，以增大此區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力．為符合工程實(shí)際情況，試件未進(jìn)行去應(yīng)力退火處理．實(shí)驗(yàn)前在試件的正面測(cè)試范圍內(nèi)畫好檢測(cè)線，檢測(cè)線長(zhǎng)度為100 mm．試件的具體尺寸如圖1所示．

表1 Q345鋼試件力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of Q345 steel specimen

圖1 試件尺寸及檢測(cè)線位置Fig.1 Size of specimen and arrangement of measured lines

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

拉伸試驗(yàn)在WAW-2000D電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，其主要技術(shù)參數(shù)：最大試驗(yàn)力為2 000 kN，試驗(yàn)力示值相對(duì)誤差≤±1%．磁記憶信號(hào)檢測(cè)設(shè)備選用高精度的WT10B型數(shù)字高斯計(jì)，其主要技術(shù)參數(shù)：量程范圍：0～200 mT，基本誤差：± 2%，分辨率：0.01 mT．

試驗(yàn)開(kāi)始前，分別對(duì)光滑試件和淺槽試件進(jìn)行軸向拉伸，發(fā)現(xiàn)光滑試件和淺槽試件分別加載到96 kN和85 kN時(shí)發(fā)生屈服，加載到120 kN和110 kN時(shí)出現(xiàn)明顯的頸縮現(xiàn)象．為了更好地觀察試件從彈性階段過(guò)渡到塑性階段過(guò)程中磁記憶信號(hào)的變化特征，采取分級(jí)加載的方式，并在屈服強(qiáng)度處進(jìn)行細(xì)化．光滑試件的加載等級(jí)為：0、40、70、80、90、96、100、110、120 kN；淺槽試件的加載等級(jí)為：0、20、40、60、80、85、90、100、110 kN．當(dāng)載荷達(dá)到預(yù)先設(shè)定值時(shí)，采用WT10B數(shù)字高斯計(jì)進(jìn)行在線檢測(cè)．檢測(cè)時(shí)，沿著檢測(cè)線從左至右逐點(diǎn)依次檢測(cè)，探頭垂直并緊貼于試件表面．

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化

加載完成后，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，發(fā)現(xiàn)每組試件都具有較好的一致性，特別是同一試件中，兩條測(cè)量線上的漏磁場(chǎng)值基本相同，為減小檢測(cè)誤差，同一試件的檢測(cè)結(jié)果取兩條檢測(cè)線上檢測(cè)數(shù)據(jù)的平均值．由于加載裝置的夾具也屬于鐵磁材料，會(huì)對(duì)試件端頭的磁場(chǎng)產(chǎn)生影響，因此，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，去除試件兩端各兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)．

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同應(yīng)力對(duì)磁記憶信號(hào)的影響

試件加載之前，在線測(cè)量試件表面的初始漏磁信號(hào)，測(cè)量結(jié)果如圖2所示．由圖2可知，由于試件未進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，且加工過(guò)程中產(chǎn)生了殘余應(yīng)力．初始時(shí)就有較大的磁信號(hào)，且曲線均有較大的波動(dòng)，法向分量過(guò)零點(diǎn)的位置與試件的斷裂位置不相符，即初始磁信號(hào)不能對(duì)試件的應(yīng)力集中進(jìn)行判斷．

圖2 初始階段法向分量磁場(chǎng)強(qiáng)度值Fig.2 Normal component of magnetic field intensity values in initial stage

圖3 彈性階段法向分量磁場(chǎng)強(qiáng)度值Fig.3 Normal component of magnetic field intensity values in elastic stage

圖4 塑性階段法向分量磁場(chǎng)強(qiáng)度值Fig.4 Normal component of magnetic field intensity values in plastic stage

圖3為彈性階段，試件表面磁場(chǎng)強(qiáng)度的法向分量分布曲線．由圖3可知，試件表面的磁信號(hào)與初始磁信號(hào)有很大差異，磁信號(hào)曲線出現(xiàn)過(guò)零點(diǎn)現(xiàn)象，并沿加載方向近似為一條斜直線且保持穩(wěn)定，并隨著載荷的增加，磁信號(hào)法向分量逐漸增大．這是由于應(yīng)力的存在使得磁彈性能逐漸增大，為了使試件總的自由能趨于最小，在試件內(nèi)部的位錯(cuò)聚集處，磁疇必將發(fā)生運(yùn)動(dòng)，彈性應(yīng)力的存在能有效促進(jìn)磁疇沿著最大拉應(yīng)力方向取向，從而增大了試件的空間漏磁場(chǎng)[10]．

圖4為塑性階段，試件表面磁場(chǎng)強(qiáng)度的法向分量分布曲線．由圖4可知，磁場(chǎng)分布曲線在試件的最終斷裂處附近出現(xiàn)小幅波動(dòng)現(xiàn)象，表現(xiàn)出一定的非線性變化．這是由于塑性階段，試件內(nèi)部的磁場(chǎng)組織的變向和分隔作用，使得試件表面漏磁場(chǎng)發(fā)生了畸變，進(jìn)而表現(xiàn)出一定的非線性變化．這與Doubov所提出的應(yīng)力集中區(qū)磁場(chǎng)法向分量具有“峰-峰值”的現(xiàn)象，具有一定的偏差．

為研究磁場(chǎng)法向分量過(guò)零點(diǎn)的位置與試件最終斷裂位置是否存在偏差，分別對(duì)光滑試件和淺槽試件過(guò)零點(diǎn)的位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表2所示．零點(diǎn)不在檢測(cè)點(diǎn)上時(shí)，采用線性內(nèi)插的方法確定其位置．光滑試件和淺槽試件的最終實(shí)際斷裂位置分別在30和40 mm處．

由表2可知，光滑試件磁場(chǎng)法向分量零點(diǎn)位置在不同應(yīng)力下并不唯一，出現(xiàn)了“漂移”現(xiàn)象，表現(xiàn)為隨著應(yīng)力的增大，零點(diǎn)位置逐漸向試件的最終斷裂位置移動(dòng)，并在400 MPa時(shí)已基本位于斷裂位置處．對(duì)于淺槽試件，由于淺槽缺陷的存在，試件中部有很大的應(yīng)力集中，在不同應(yīng)力下淺槽試件磁場(chǎng)法向分量零點(diǎn)位置唯一，且均出現(xiàn)在試件中部，與試件最終斷裂位置一致．因此，Doubov所提出的應(yīng)力集中區(qū)磁場(chǎng)法向分量過(guò)零點(diǎn)的現(xiàn)象，對(duì)于光滑試件，雖不能準(zhǔn)確的判斷應(yīng)力集中區(qū)，但仍具有一定的指導(dǎo)意義；對(duì)于淺槽試件具有很好的一致性，能準(zhǔn)確的判斷出應(yīng)力集中區(qū)．

表2 光滑試件和淺槽試件不同應(yīng)力下磁場(chǎng)零點(diǎn)位置Tab.2 Zero position of magnetic field under different tensile loads of smooth specimen and slotted specimen

2.2 不同應(yīng)力對(duì)磁記憶信號(hào)梯度值的影響

從磁偶極子模型可知，磁信號(hào)反映的是應(yīng)力集中區(qū)的自由漏磁場(chǎng)的積分場(chǎng)．對(duì)磁信號(hào)進(jìn)行微分，可以有效的排除外界恒定磁場(chǎng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾．本文采用基于離散數(shù)據(jù)的中心差分算法對(duì)磁信號(hào)法向分量進(jìn)行一階微分

式中： Ki為第i個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)法向分量梯度值；分別為第i個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)法向分量值和位置坐標(biāo)．

圖5和圖6分別給出了彈性階段和塑性階段，試件表面磁信號(hào)法向分量梯度值的分布曲線．在彈性階段，磁場(chǎng)梯度值隨應(yīng)力的增大而緩慢增大，光滑試件由于應(yīng)力集中不明顯，曲線的波動(dòng)整體較??；淺槽試件由于中部具有較大的應(yīng)力集中區(qū)，曲線的波動(dòng)整體較大，并在應(yīng)力集中部位出現(xiàn)“峰值”．在塑性階段，磁場(chǎng)梯度值隨應(yīng)力的增大而快速增大，光滑試件和淺槽試件均在應(yīng)力集中部位(最終斷裂處)出現(xiàn)“峰值”．

圖5 彈性階段法向分量磁場(chǎng)梯度值Fig.5 Normal component of magnetic field gradient values in elastic stage

圖6 塑性階段法向分量磁場(chǎng)梯度值Fig.6 Normal component of magnetic field gradient values in plastic stage

為研究磁場(chǎng)法向分量梯度最大值位置與試件最終斷裂位置是否存在偏差，分別對(duì)光滑試件和淺槽試件梯度最大值位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表3所示．

表3 光滑試件和淺槽試件不同應(yīng)力下梯度最大值位置Tab. 3 Position of maximum gradient under different tensile loads of smooth specimen and slotted specimen

由表3可知，只有在應(yīng)力為133.3 MPa時(shí)，梯度最大值位于20.0 mm處，其他應(yīng)力下，梯度最大值均位于30.0 mm處，即試件的最終斷裂處，可能是由于試件加載初期，應(yīng)力集中程度較小，且?jiàn)A具對(duì)試件端部產(chǎn)生了一定的影響．因此，光滑試件梯度最大值位置較過(guò)零點(diǎn)位置能更好的判斷應(yīng)力集中部位．對(duì)于淺槽試件，梯度最大值位置均在40.0 mm處，因此，對(duì)于已存在的應(yīng)力集中區(qū)，梯度最大值位置和過(guò)零點(diǎn)位置都能準(zhǔn)確判斷應(yīng)力集中部位．

通過(guò)對(duì)磁信號(hào)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，提取磁場(chǎng)梯度算術(shù)平均值對(duì)應(yīng)力的導(dǎo)數(shù)作為特征參量，并建立K′與應(yīng)力σ的關(guān)系曲線，如圖 7所示．其中 Kmean值由式(2)確定．

式中：n為檢測(cè)線上的檢測(cè)點(diǎn)數(shù)，即n=17．

由圖7可知，在彈性范圍內(nèi)，導(dǎo)數(shù)K′隨著應(yīng)力σ的增加而增大；當(dāng)應(yīng)力增加至屈服強(qiáng)度時(shí)，K′值出現(xiàn)最大值，其中光滑試件達(dá)到6.92×10-5，淺槽試件達(dá)到5.08×10-5，較初始階段分別增大了7.8倍和10.3倍；屈服以后，K′值隨應(yīng)力σ增加逐漸減?。虼?，可以提取特征參量K′，對(duì)試件是否進(jìn)入塑性階段進(jìn)行判定，且淺槽試件由于應(yīng)力集中程度更大，對(duì)K′值的變化更加敏感．

圖7 應(yīng)力σ與導(dǎo)數(shù)K′之間的曲線Fig.7 The relation curve of stress σ and derivative value K′

圖8 應(yīng)力σ與梯度之間的曲線Fig.8 The relation curve of stress σ and gradient

為更好的反映試件應(yīng)力集中程度，建立磁場(chǎng)梯度最大值的絕對(duì)值Kmax與應(yīng)力σ的關(guān)系曲線，如圖8所示．在彈性階段，隨著試件內(nèi)部應(yīng)力的增加，磁場(chǎng)梯度值緩慢增大；進(jìn)入塑性階段后，磁場(chǎng)梯度值急劇增大，當(dāng)試件出現(xiàn)明顯的頸縮現(xiàn)象時(shí)，其中光滑試件達(dá)到0.033，淺槽試件達(dá)到0.042，較初始階段分別增大了4.1倍和4.2倍．這是由于隨著載荷的增加，試件內(nèi)部應(yīng)力水平增大，在應(yīng)力集中部位由于磁機(jī)械效應(yīng)的作用使得材料表面漏磁場(chǎng)增強(qiáng)而導(dǎo)致的．采用指數(shù)增長(zhǎng)擬合函數(shù)式(3)對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合

光滑曲線：A=3.99×10-5，R0=0.0163，K0=0.0068，擬合度為 95.3%；缺陷試件：A=5.197×10-5，R0=0.014，K0=0.0105，擬合度為98.3%．結(jié)果表明，淺槽試件由于應(yīng)力集中程度更大，對(duì)值的變化更加敏感，且值可以用來(lái)表征試件的受力狀態(tài)，評(píng)估損傷程度，并能通過(guò)其量化關(guān)系反演材料的應(yīng)力狀態(tài)．

3 結(jié)論

(1) Doubov所提出的應(yīng)力集中區(qū)磁場(chǎng)法向分量過(guò)零點(diǎn)和梯度最大值，能較好的判斷應(yīng)力集中位置；但應(yīng)力集中區(qū)磁場(chǎng)法向分量出現(xiàn)“峰-峰值”，對(duì)于光滑和淺槽試件，均具有一定的偏差，不能作為早期損傷判斷的依據(jù)．

(2) 分析了磁場(chǎng)梯度特征參量K′隨應(yīng)力σ的變化特征，發(fā)現(xiàn)當(dāng)試件達(dá)到屈服極限時(shí)，K′出現(xiàn)最大值，可以提取K′值作為特征量，對(duì)試件是否進(jìn)入塑性階段進(jìn)行判定．

(3) 建立了磁場(chǎng)梯度最大值的絕對(duì)值與應(yīng)力σ的量化關(guān)系，可以利用來(lái)表征試件的受力狀態(tài)，并能通過(guò)其量化關(guān)系反演材料的應(yīng)力狀態(tài)，評(píng)估損傷程度．

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