楊 斌，李紅梅，孫海東，張安康，鐘開敏，王闖龍

(北方民族大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，銀川 750021)

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結(jié)構(gòu)不連續(xù)處應(yīng)力與磁記憶檢測(cè)信號(hào)的量化關(guān)系

楊 斌，李紅梅，孫海東，張安康，鐘開敏，王闖龍

(北方民族大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，銀川 750021)

磁記憶檢測(cè)技術(shù)被廣泛用來定性識(shí)別鐵磁性構(gòu)件中的應(yīng)力集中區(qū)，但由于受結(jié)構(gòu)不連續(xù)處漏磁場(chǎng)的影響，磁記憶檢測(cè)信號(hào)與應(yīng)力的定量關(guān)系仍需研究。通過制作結(jié)構(gòu)不連續(xù)鐵磁性材料試樣，對(duì)其施加不同程度的彈性應(yīng)力，再對(duì)不同應(yīng)力作用后試樣的剩磁場(chǎng)進(jìn)行了檢測(cè)，比對(duì)了應(yīng)力和磁記憶檢測(cè)信號(hào)特征參數(shù)的定量關(guān)系，明確了應(yīng)力對(duì)磁記憶檢測(cè)信號(hào)的量化作用。

結(jié)構(gòu)不連續(xù)；應(yīng)力；磁記憶檢測(cè)；量化關(guān)系

磁記憶檢測(cè)方法可快捷有效地檢測(cè)出構(gòu)件中宏觀缺陷出現(xiàn)前的應(yīng)力集中區(qū)，且該方法不需外加磁場(chǎng)磁化，不需表面處理，對(duì)受負(fù)載構(gòu)件的早期結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別具有極大的優(yōu)越性，極具工程應(yīng)用價(jià)值[1]。磁記憶檢測(cè)時(shí)，構(gòu)件在工作載荷和地磁場(chǎng)作用下，其內(nèi)部發(fā)生磁疇組織定向和不可逆的重新取向，在應(yīng)力集中區(qū)形成漏磁場(chǎng)；通過檢測(cè)漏磁場(chǎng)的法向分量，進(jìn)而確定構(gòu)件發(fā)生低載破壞前的應(yīng)力集中區(qū)位置。但該技術(shù)目前僅適用于鐵磁性構(gòu)件中應(yīng)力集中區(qū)位置的準(zhǔn)確查找，其物理作用機(jī)理和漏磁場(chǎng)與應(yīng)力的關(guān)系還不明確，制約其定量檢測(cè)應(yīng)力狀態(tài)。

近些年，國內(nèi)外學(xué)者們對(duì)力磁效應(yīng)問題進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和理論研究，JILES于1995年研究了應(yīng)力-磁場(chǎng)之間的數(shù)值關(guān)系,并建立了著名的J-A模型[2]。同年，JOHN[3]測(cè)量了在無外磁場(chǎng)條件下，應(yīng)力對(duì)試件表面剩磁場(chǎng)的影響，但只是定性地表明應(yīng)力與磁場(chǎng)之間存在相關(guān)性。哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷建成等[4]研究了磁記憶信號(hào)與應(yīng)力之間的關(guān)系，得出了磁記憶信號(hào)和工作應(yīng)力之間具有較好的相關(guān)性結(jié)論，但應(yīng)力和磁場(chǎng)的關(guān)聯(lián)尚不明晰。北京科技大學(xué)權(quán)大赫等[5]提出了貫穿所有變形階段的力磁耦合模型，研究了不同變形階段金屬磁記憶信號(hào)的變化,并進(jìn)行了有限元模擬，但沒有定量確定磁記憶特征參數(shù)與應(yīng)力的關(guān)系，且試驗(yàn)結(jié)果缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證。郭鵬舉等[6]研究了低碳鋼拉伸過程中表面磁信號(hào)的變化，給出了磁記憶信號(hào)隨拉伸應(yīng)力變化的規(guī)律，但應(yīng)力與表面磁場(chǎng)大小一一對(duì)應(yīng)關(guān)系不明確。

筆者以普通鐵磁材料Q235鋼為研究對(duì)象，利用其制作了人工缺陷試樣，對(duì)試樣施加不同程度的彈性應(yīng)力，分別測(cè)量其在不同應(yīng)力下的表面漏磁場(chǎng)信號(hào)，分析了表面漏磁信號(hào)與應(yīng)力的相關(guān)性，明確了磁記憶檢測(cè)特征參數(shù)與應(yīng)力的量化相關(guān)性。

1 試驗(yàn)過程

試樣選材為普通鐵磁材料Q235鋼，試樣制作的尺寸如圖1所示。試樣的長(zhǎng)、寬、高分別為193，28，15 mm。為實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)不連續(xù)處漏磁場(chǎng)的檢測(cè)，在試樣中間位置進(jìn)行人工切槽。槽的尺寸為：寬1 mm，深4 mm?？紤]到材料及試樣在加工制作過程中可能產(chǎn)生殘余應(yīng)力，對(duì)試樣進(jìn)行了去應(yīng)力退火處理。退火工藝為：加熱到500 ℃→保溫2 h→隨爐冷卻，消除了殘余應(yīng)力的影響。

圖1 試樣的外形、尺寸及測(cè)量區(qū)域示意

在室溫條件下，用WDD-LCG-150力爾電子拉扭多功能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行彈性拉伸。試樣的拉伸方向?yàn)樵嚇娱L(zhǎng)度方向(定義為y方向)，加載速率為0.6 mm·min-1。試驗(yàn)采用隧道磁電阻(TMR)磁傳感器芯片對(duì)漏磁場(chǎng)法向分量Bz進(jìn)行測(cè)量，探頭垂直于試件表面裝卡，并固定在三維掃查臺(tái)的主軸上。掃查臺(tái)主軸帶動(dòng)探頭在與試樣表面平行的測(cè)量區(qū)域內(nèi)進(jìn)行Bz的掃描，掃查方向?yàn)樵嚇娱L(zhǎng)度方向。為減小意外誤差對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響，以及方便后續(xù)數(shù)據(jù)處理時(shí)降低噪聲，每次拉伸后，采用試樣寬度方向(x方向)間隔2 mm、沿著長(zhǎng)度方向?qū)z進(jìn)行掃查，總共掃查了14條Bz方向的信號(hào)。掃查探頭提離距離固定為3 mm，測(cè)量區(qū)域如圖1所示。

在試驗(yàn)開始前測(cè)量地磁場(chǎng)的信號(hào)，以消除地磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。且對(duì)試樣進(jìn)行第1次拉伸之前，采用消磁器對(duì)其進(jìn)行消磁處理，消除加載前試樣的磁化效果。拉伸試驗(yàn)采用載荷控制加載，試驗(yàn)中對(duì)試樣進(jìn)行了6次彈性拉伸，試樣彈性拉伸參數(shù)如表1所示。拉伸過程同時(shí)考慮了彎矩對(duì)試樣產(chǎn)生的正應(yīng)力作用，即總的應(yīng)力等于軸向加載載荷F產(chǎn)生的拉應(yīng)力σ1=F/S和軸向載荷在缺陷槽處產(chǎn)生的彎矩M對(duì)應(yīng)的正應(yīng)力σ2=M·y/Iz之和。以上，S為缺陷槽處截面積，y為槽底距離槽截面中性軸距離，Iz為槽截面慣性矩。加載過程中彈性應(yīng)力σ1與時(shí)間關(guān)系曲線如圖2所示。最大加載總應(yīng)力為120 MPa，小于Q235鋼的彈性極限值180～200 MPa。

圖2 彈性拉伸應(yīng)力與時(shí)間關(guān)系曲線

參數(shù)加載數(shù)/次123456實(shí)際施加載荷F/N3717．567432．0411149．614864．0818581．6422299．64載荷產(chǎn)生正應(yīng)力σ1/MPa7．9315．8723．8031．7439．6747．60彎矩產(chǎn)生拉應(yīng)力σ2/MPa12．0724．1336．248．2660．3372．40總應(yīng)力σ/MPa20406080100120

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 磁記憶檢測(cè)信號(hào)

對(duì)試樣施加不同的彈性載荷并卸載后，采用TMR線性探頭對(duì)結(jié)構(gòu)不連續(xù)處規(guī)定區(qū)域表面漏磁場(chǎng)的法向分量Bz進(jìn)行測(cè)量。對(duì)檢測(cè)Bz信號(hào)濾波后，取14列的平均值，并對(duì)槽中心左右-10～10 mm范圍內(nèi)的Bz信號(hào)進(jìn)行截取，不同應(yīng)力下測(cè)量路徑上磁場(chǎng)法向分量如圖3所示。由圖可知，在不同應(yīng)力下，試樣表面漏磁場(chǎng)法向分量Bz(y)在-0.25×10-4～0.2×10-4T之間，且在彈性變形階段，隨著應(yīng)力的增大，結(jié)構(gòu)不連續(xù)處表面漏磁場(chǎng)法向分量Bz也增大。

圖3 不同應(yīng)力下測(cè)量路徑上磁場(chǎng)法向分量曲線

圖4 不同應(yīng)力下測(cè)量路徑上磁場(chǎng)法向梯度曲線

圖5 不同應(yīng)力下測(cè)量路徑上磁場(chǎng)法向二階導(dǎo)數(shù)曲線

2.2 應(yīng)力與磁記憶檢測(cè)信號(hào)特征參數(shù)之間的定量關(guān)系

由以上試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著彈性拉伸應(yīng)力的增大，結(jié)構(gòu)不連續(xù)處表面磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸增大。為了更進(jìn)一步明確應(yīng)力與漏磁場(chǎng)之間的定量關(guān)系，以漏磁場(chǎng)法向分量Bz的特征參數(shù)定量表征試樣應(yīng)力集中的程度。試驗(yàn)提取了磁場(chǎng)法向強(qiáng)度的最大值與最小值之差，繪制了其與應(yīng)力的關(guān)系曲線。如圖6所示，表面磁感應(yīng)強(qiáng)度與應(yīng)力接近線性增長(zhǎng)的關(guān)系。拉伸應(yīng)力從20～120 MPa增大時(shí)，對(duì)應(yīng)幅值由0.35×10-4T遞增到0.418×10-4T，表明該曲線可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力的定量判定。

圖6 磁場(chǎng)法向分量峰峰值與應(yīng)力的關(guān)系

但也有試驗(yàn)表明[6]，在彈性拉伸應(yīng)力下，試件表面磁場(chǎng)強(qiáng)度隨拉伸應(yīng)力的增大而逐漸減小。對(duì)此研究者給出的解釋是,磁場(chǎng)強(qiáng)度隨外力的變化到底是增大還是減小與初始磁化強(qiáng)度有關(guān)[7]。當(dāng)初始磁化強(qiáng)度較大時(shí)，隨著拉伸應(yīng)力的增大，試樣表面磁場(chǎng)強(qiáng)度減小，應(yīng)力起到消磁作用。當(dāng)初始磁化強(qiáng)度較小時(shí)，表面磁場(chǎng)強(qiáng)度隨拉伸應(yīng)力的增大而增大，應(yīng)力促進(jìn)了磁化的進(jìn)行。這與試驗(yàn)相吻合，在試驗(yàn)之前，對(duì)試樣進(jìn)行消磁處理，試樣初始磁化強(qiáng)度較小，應(yīng)力導(dǎo)致了其磁化的加強(qiáng)。

圖7 磁場(chǎng)法向梯度與應(yīng)力的關(guān)系

圖8 磁場(chǎng)法向分量二階導(dǎo)數(shù)峰峰值與應(yīng)力的關(guān)系

為了獲取更多有關(guān)磁記憶檢測(cè)信號(hào)特征參數(shù)與應(yīng)力之間的關(guān)系，又提取了試樣結(jié)構(gòu)不連續(xù)處表面磁場(chǎng)法向梯度最大值、磁場(chǎng)法向分量二階導(dǎo)數(shù)的最大值與最小值的差，分別繪制出了其與應(yīng)力之間的關(guān)系曲線，如圖7，8所示。由圖可見，應(yīng)力由20～120 MPa遞增時(shí)，表面磁場(chǎng)法向梯度峰值呈較好的線性增加[8]，磁場(chǎng)法向分量二階導(dǎo)數(shù)的峰峰值整體上隨應(yīng)力的增大也呈增大的趨勢(shì)，明確了磁記憶信號(hào)特征參數(shù)與應(yīng)力之間的定量關(guān)系。其中，表面磁場(chǎng)法向梯度峰值與應(yīng)力的線性表征效果最佳，磁場(chǎng)法向分量二階導(dǎo)數(shù)的峰峰值較易受不確定因素影響。

3 結(jié)論

(1) 鐵磁性材料結(jié)構(gòu)不連續(xù)處應(yīng)力與磁記憶檢測(cè)信號(hào)的定量關(guān)系是存在的，由此證明了通過檢測(cè)材料表面的漏磁場(chǎng)信號(hào)，提取特征參數(shù)，就能夠識(shí)別其結(jié)構(gòu)不連續(xù)的位置、應(yīng)力的有無和應(yīng)力的大小。

(2) 應(yīng)力越大，漏磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度越大。也就是說隨著應(yīng)力的增大，材料被極化的強(qiáng)度也就越大。此外，應(yīng)力增大，漏磁場(chǎng)的法向梯度幅值、法向分量的二階導(dǎo)數(shù)峰峰值也隨之增大。

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Quantitative Relationship of Stress with Metal Magnetic Memory Testing Signal on Discontinuous Structure

YANG Bin, LI Hong-mei, SUN Hai-dong, ZHANG An-kang, ZHONG Kai-min, WANG Chuang-long

(School of Mechanical Engineering, Beifang University of Nationalities, Yinchuan 750021, China)

In engineering, stress concentration is the major factor leading to the discontinuities and destruction of the structure at a very low load. Meanwhile, the discontinuity of structure in turn easily leads to the gathering of stress concentration, accelerates the expansion of the scope of structural discontinuity and destruction. Thus, identification of stress on the discontinuous structure is essential to ensure the security of the structure. Magnetic memory testing technology is widely used to qualitatively identify the stress concentration zone in ferromagnetic structure. But owing to the leakage of the magnetic field in the discontinuous structure, the quantitative relationship between stress and magnetic memory testing signal has not yet been clear. Based on the above background, a ferromagnetic material specimen with discontinuous structure was made in the present study. Varying degrees of tensile elastic stress were applied into the specimen, and corresponding residual magnetic field signals of specimen were tested. Finally, the quantitative relationship between stress and the magnetic memory signal is compared. The quantitative effect of stress on magnetic memory signal is thus becomes clear.

Discontinuous structure；Stress；Magnetic memory testing；Quantitative relationship

2016-06-22

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51367001;51507005)

楊 斌(1987-),男，碩士研究生，主要從事高校實(shí)驗(yàn)室相關(guān)的工作。

李紅梅，E-mail:lihongmei@nun.edu.cn。

10.11973/wsjc201611009

TG115.28

A

1000-6656(2016)11-0041-04