賈 東，孫 樂，陳勇梅，牛 偉

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900）

X80管線鋼拉伸載荷作用下磁記憶效應(yīng)

賈 東，孫 樂，陳勇梅，牛 偉

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900）

為研究X80管線鋼的金屬磁記憶效應(yīng)，通過不同載荷水平的板材拉伸加-卸載以及離線磁場測量，結(jié)合多項式擬合與矢量分析，得到試件表面磁場長度方向分量極值、法向分量梯度值以及合成矢量的變化規(guī)律，并根據(jù)應(yīng)力等效磁化模型對其進行解釋。研究結(jié)果表明：在加載環(huán)境磁場和拉伸載荷的耦合作用下，磁場長度方向分量極值和法向分量梯度值均呈現(xiàn)出單調(diào)遞增的變化規(guī)律，而磁場矢量會發(fā)生反轉(zhuǎn)。當(dāng)載荷在20kN以內(nèi)時，長度方向分量極值和法向分量梯度值均隨載荷幅值增加而緩慢增加，磁場矢量大小及其與長度方向的夾角隨載荷增加而緩慢減?。欢?dāng)載荷大于20kN時，長度方向分量極值、法向分量梯度值以及磁場矢量大小均呈線性增加趨勢，磁場矢量方向發(fā)生反向并逐漸趨于恒定。

金屬磁記憶效應(yīng)；應(yīng)力磁化；磁場矢量；X80管線鋼；拉伸載荷

0 引 言

俄羅斯Doubov教授[1]提出的金屬磁記憶檢測技術(shù)是近年來逐漸興起的一種重要的無損檢測方法，通過鐵磁構(gòu)件磁化后保留下來的磁信號檢測來評價其應(yīng)力集中和缺陷狀態(tài)。磁記憶檢測方法的理論基礎(chǔ)是鐵磁材料的磁機械效應(yīng)，不少專家學(xué)者也開展了相關(guān)研究。在國外，Jiles等[2-3]針對鐵磁材料的應(yīng)力磁化效應(yīng)開展了大量深入的研究，并給出了相應(yīng)的應(yīng)力磁化模型；Wilson等[4]通過拉伸加載后的剩余磁場對試件的應(yīng)力進行測量；Roslpsz等[5]分析了循環(huán)加載下磁場法向及切線分量的變化特征，并給出了磁場信號與應(yīng)力狀態(tài)之間的對應(yīng)關(guān)系。在國內(nèi)，王正道等[6-7]在Jiles的力磁耦合模型基礎(chǔ)上開展了新的理論研究，并對拉壓應(yīng)力在應(yīng)力磁化作用上的區(qū)別進行了解釋；徐濱士等[8-9]研究了金屬磁記憶的產(chǎn)生機理，分析了鐵磁構(gòu)件循環(huán)拉伸載荷下的磁場分量的變化規(guī)律；徐明秀等[10]分析了金屬磁記憶過程的微觀機制。

作為油氣管道最為常用的管線鋼材，X80管線鋼被廣泛應(yīng)用于油氣輸運的各類管線，其安全狀態(tài)的準確檢測對國家能源安全和經(jīng)濟有著重要意義?？紤]到油氣管道運營過程中主要受拉伸載荷作用，本文以X80管線鋼板材試件為對象，通過不同載荷水平的加-卸載拉伸實驗研究其應(yīng)力磁化效應(yīng)，為管線鋼的磁記憶檢測提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 實驗方法

1.1 材料參數(shù)及試件設(shè)計

實驗采用的材料為X80管線鋼，其彈性模量約為190GPa，泊松比為0.3，屈服強度約為550MPa。為避免幾何效應(yīng)對試件磁場分布的影響，這里采用規(guī)則的無缺陷長方形板材試件進行單軸拉伸加載實驗，試件的長度、寬度和厚度分別為500mm×50mm×5mm。

1.2 實驗加載及測試方案

通過材料試驗機INSTRON 5988對試件沿豎直方向進行拉伸加載，試件加載方向與南北方向垂直，表面法向與南北方向平行?？紤]到延性金屬塑性變形時會發(fā)生頸縮現(xiàn)象，導(dǎo)致試件出現(xiàn)不可逆的幾何形變，所以這里根據(jù)X80管線鋼的材料參數(shù)，為保證試件在彈性范圍內(nèi)進行加載，設(shè)定載荷值分別為0，10，20，40，60，80，100，120 kN共8種不同的實驗加載條件，具體加載方式如圖1所示。

圖1 實驗加載過程

在實驗加載前，對板材試件進行退火處理，盡量消除試件中由于加工制造產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，然后采用消磁器對沿東西方向放置的試件進行消磁處理，得到待加載的實驗試件。將試件沿南北方向水平放置于地磁場環(huán)境中，在2 mm的提離高度下，采用Bartington磁通門傳感器對試件中部（300mm以內(nèi)）表面中心軸線由南向北每隔10mm進行一次數(shù)據(jù)采集（如圖2所示），獲取試件表面中心軸線在未加載情況下的磁場分量。

圖2 試件表面磁場測量

然后通過試驗機以恒定速率將試件加載到設(shè)定載荷點，并保載2min，再進行卸載并取下試件，將試件放置于地磁場環(huán)境下進行離線測量，獲取試件表面中心軸線在不同拉伸載荷作用后的磁場分量。

2 實驗結(jié)果

2.1 加載和測量時的環(huán)境磁場

由于試驗機夾持裝置存在鐵磁構(gòu)件，且在工作載荷作用下發(fā)生了磁化，所以試件加載環(huán)境磁場并不均勻，如圖3（a）所示。而對于試件離線測量時的環(huán)境磁場，由于周圍無其他磁源影響，所以其磁場基本為恒定磁場，如圖3（b）所示。

2.2 試件表面磁場分布

由于試件為長方形板材構(gòu)型，加載、測量時寬度方向（Y方向）的環(huán)境磁場分量趨于0且試件沿南北方向放置，拉伸載荷對試件寬度方向（Y方向）的磁場分量影響較小，所以這里主要分析試件的長度方向（X方向）及法向（Z方向）磁場分量在不同載荷水平作用后試件表面中心軸線上磁場分布，如圖4所示。

由測量結(jié)果可以看出，X80管線鋼在拉伸載荷作用下的磁記憶效應(yīng)非常明顯，隨著載荷的增加，試件長度方向磁場分量整體大小和法向磁場分量的斜率都不斷增大。

圖3 環(huán)境磁場分布

3 分析與討論

3.1 拉伸加載對磁場分量的影響

對于放置于外磁場環(huán)境中的鐵磁試件，其周圍空間磁場是由環(huán)境磁場和鐵磁試件引起的附加磁場兩部分組成，所以為了更好地分析拉伸加載對試件本身磁場分布的影響，利用矢量疊加原理得到去除環(huán)境磁場后的長度方向和法向磁場分量，如圖5所示。

從試件測量區(qū)域磁場分量的分布形式上看，在不同拉伸載荷作用后，沿試件中心軸線的表面磁場長度方向分量均有極值特征，法向分量均呈現(xiàn)出三次曲線分布形式且所有曲線均過零點。所以這里分別采用二次和三次多項式函數(shù)對長度方向分量和法向分量進行擬合，并以擬合后的二次函數(shù)極值和三次函數(shù)一次項系數(shù)為參考，分析拉伸載荷作用后磁場長度方向分量極值和法向分量梯度的影響，如圖6所示。

通過分析發(fā)現(xiàn)，拉伸載荷對試件表面中心軸線磁場的長度方向分量極值和法向分量梯度的影響規(guī)律是一致的。當(dāng)拉伸載荷在20kN以內(nèi)時，長度方向分量極值和法向分量梯度值均小于0；而當(dāng)拉伸載荷大于20 kN時，長度方向分量極值和法向分量梯度值接近或大于0，且隨載荷的進一步增加而呈近似線性增長的規(guī)律。

圖4 試件表面磁場分布

3.2 拉伸加載對磁場分布的影響

通過前面的分析可知，試件引起的附加磁場矢量可近似看作由長度方向及法向磁場分量組成，所以此處定義試件表面中心軸線上任意一點處的附加磁場矢量大小和方向為

式中：H——附加磁場矢量；

圖5 不同載荷作用后的磁場分量分布

α——附加磁場矢量與中心軸線的夾角。

根據(jù)上述公式可以計算得到試件測量區(qū)域在地磁場環(huán)境下的附加磁場矢量分布規(guī)律，如圖7所示。

從圖中可以看出，不同拉伸加載作用后，試件表面中心軸線上磁場矢量的大小均呈現(xiàn)出兩端大中間小的分布規(guī)律，磁場矢量與中心軸線的夾角也呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，且該夾角值在軸線中心附近趨于零，其磁場矢量分布具有明顯的反對稱性。所以考慮到磁場矢量幅值分布的對稱性，這里以中心軸線上的測量起點和終點處幅值的平均值為參考，進一步分析磁場矢量幅值在拉伸加載后的磁記憶效應(yīng)，以測量軸線起點、中心和終點處磁場矢量與中心軸線的夾角為參考，分析磁場矢量方向在拉伸載荷作用后的磁記憶效應(yīng)，如圖8所示。

圖6 長度方向磁場極值及法向分量磁場梯度的變化

從圖中可以看出，在不同載荷水平的拉伸加載作用后，磁場矢量均有不同程度的變化，當(dāng)拉伸加載從20kN增加至40kN時，磁場矢量的幅值及方向均發(fā)生了明顯的反轉(zhuǎn)。其中磁場矢量幅值在20kN以內(nèi)時變化并不明顯，且逐漸減小，而在20kN拉伸加載后磁場矢量幅值呈現(xiàn)出明顯的遞增趨勢；在環(huán)境磁場較強的端部和較弱的中部測量區(qū)域，磁場矢量與中心軸線夾角的絕對值在20kN以內(nèi)時均呈緩慢減小的趨勢，然后隨著載荷的進一步增加逐漸趨于一恒定值，其方向與磁場矢量初始方向相反。所以，在磁場矢量發(fā)生反轉(zhuǎn)后，應(yīng)力磁化對磁場矢量幅值的影響十分明顯，且表現(xiàn)為線性增加特征，而對磁場矢量方向影響不大。

3.3 加載環(huán)境磁場下的拉伸應(yīng)力磁化

圖7 不同拉伸載荷作用后的磁場矢量分布

圖8 磁場矢量在拉伸載荷作用后的變化

根據(jù)磁致伸縮的逆效應(yīng)，在彈性應(yīng)力和環(huán)境磁場的共同作用下，鐵磁性材料內(nèi)部的磁疇將發(fā)生可逆和不可逆的改變。所以在本實驗中的每一次拉伸載荷作用后，盡管試件的應(yīng)力發(fā)生了回復(fù)，但磁疇的不可逆變化卻被保留了下來，表現(xiàn)為試件磁場的變化。根據(jù)應(yīng)力等效磁場理論[11]，在外磁場作用下，拉伸應(yīng)力引起的等效磁場Hσ可以描述為

式中：σ——加載應(yīng)力；

μ0——真空磁導(dǎo)率；

λ——磁致伸縮系數(shù)；

M——磁化強度；

θ——加載應(yīng)力與環(huán)境磁場矢量之間的夾角；

ν——泊松比。

該等效磁場中的磁致伸縮系數(shù)[12]可近似表示為

根據(jù)Kuruzar等[13]的研究數(shù)據(jù)，式中的γ1（0）、γ1′（0）可分別取為7×10-18m2/A2、-1×10-25m2/（A2·Pa）。將該數(shù)據(jù)代入上述式（3）、式（4）中可得：

所以應(yīng)力引起的等效磁場與試件初始磁場的關(guān)系是由f（σ）g（θ）項來決定的，當(dāng)f（σ）和g（θ）符號相同時，拉伸應(yīng)力引起的等效磁場與試件初始磁場方向一致，會對初始磁場進行加強；反之，當(dāng)f（σ）和g（θ）符號相反時，拉伸應(yīng)力引起的等效磁場與試件初始磁場方向相反，會對初始磁場進行削弱。結(jié)合X80管線鋼材料參數(shù)計算可知，上述公式存在影響函數(shù)f（σ）和g（θ）符號的臨界值分別為σ0=70 MPa（對應(yīng)拉伸載荷為17.5kN）和θ0=61.3°。在本實驗中，加載環(huán)境磁場矢量在試件表面中心軸線上并不保持恒定，有著明顯的分布效應(yīng)，在測量區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)出兩端大中間小的磁場矢量分布形式，如圖9所示。

圖9 試件加載時的力磁耦合環(huán)境

所以，在拉伸加載過程中，試件中心軸線上各測量點處的磁化作用并不相同，在測量區(qū)域的兩端應(yīng)力磁化作用較強，中心區(qū)域應(yīng)力磁化作用較弱。在應(yīng)力磁化較強的區(qū)域（-60～110mm以外的區(qū)域），環(huán)境磁場矢量與拉應(yīng)力夾角|θ|＞θ0，所以在拉伸載荷較?。?7.5 kN以內(nèi)）時，f（σ）g（θ）＜0，應(yīng)力磁化將導(dǎo)致初始磁場強度減??；在拉伸載荷較大（17.5kN以上）時，f（σ）g（θ）＞0，應(yīng)力磁化將導(dǎo)致初始磁場強度增大。所以，在本實驗拉伸載荷作用下，試件磁場矢量幅值表現(xiàn)為先減小后增大的變化規(guī)律，與上述理論預(yù)測的結(jié)果是基本相符的。

4 結(jié)束語

1）不同拉伸載荷作用后，試件長度方向磁場分量表現(xiàn)出極值特征，法向磁場分量表現(xiàn)為過零點特征且相交于同一點。

2）拉伸載荷對長度方向磁場分量極值和法向磁場分量梯度的影響規(guī)律是一致的，在20kN以內(nèi)隨載荷增大而緩慢增加，在20 kN之后隨載荷增大呈近似線性增加的規(guī)律。

3）當(dāng)拉伸載荷大于20kN，試件表面磁場矢量發(fā)生了磁化反轉(zhuǎn)，此后隨著載荷的進一步增加，試件表面磁場矢量大小呈近似線性增加，磁場矢量方向逐漸趨于恒定。所以磁化反轉(zhuǎn)后的磁記憶效應(yīng)主要表現(xiàn)為磁場矢量大小的變化，矢量方向變化不大。

[1]DOUBOV A A.Physical base of the method of metal magnetic memory[J].Nondestructive Testing of Materials and Structures，2002（42）：1-5.

[2]JILES D C，ATHERTON D L.Theory of magnetization process in ferromagnets and its application to the magnetomechanical effect[J].Journal of Physics D Applied Physics，1984，17（6）：1265-1281.

[3]JILES D C，LI L.A new approach to modeling the magnetomechanical effect[J].Journal of Applied Physics，2004，95（11）：7058-7060.

[4]WILSON J W，TIAN G Y，BARRANS S.Residual magnetic field sensing for stress measurement[J].Sensors and Actuators A，2007，135（2）：381-387.

[5]ROSLPSZ M，GAWRILENKO P.Analysis of change in residual magnetic field in loaded notched samples[J]. NDT&E International，2008（41）：570-576.

[6]WANG Z D，YAO K，DENG B，et al.Theoretical studies of metal magnetic memory technique on magnetic flux leakage signals[J].NDT&E International，2010（43）：354-359.

[7]WANG Z D，DENG B，YAO K.Physical model of plastic deformation on magnetization in ferromagnetic materials[J].Journal of Applied Physics，2011，109（1）：1-6.

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

[9]DONG L H，XU B S，DONG S Y，et al.Variation of stress-induced magnetic signals during tensile testing of ferromagnetic steels[J].NDT&E International，2008（41）：184-189.

[10]XU M X，XU M Q，LI J W，et al.Metal magnetic memory field characterization at early fatigue damage based on modified Jiles-Atherton model[J].Journal of Central South University，2012，19（6）：1488-1496.

[11]YANG E，LI L M，CHEN X.Magnetic field aberration induced by cycle stress[J].Journal of Magnetism and Magnetic Material，2007，312（1）：72-77.

[12]LI L，JILES D C.Modeling of the magnetomechanical effect： application oftherayleigh law tothe stress domain[J].Journal of Applied Physics，2003，93（93）：8480-8482.

[13]KURUZAR M E，CULLITY B D.The magnetostriction of iron under tensile and compressive stress[J].International Journal of Magnetism，1971，1（4）：323-325.

（編輯：李妮）

The metal magnetic memory effect of X80 pipeline steel under tension load

JIA Dong，SUN Le，CHEN Yongmei，NIU Wei
（Institute of Systems Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China）

In order to study the metal magnetic memory effect of X80 pipeline steel，the tensile loading and unloading tests and off-line magnetic field measurement of plate specimen were carried out at different load levels.Combined with the polynomial fit and vector analysis，the variations of extreme value of longitudinal component，gradient value of normal component and magnetic field vector were obtained.According to the model for equivalent magnetization of stress，the evolution of magnetic field was explained.The results show that the variation of extreme value of longitudinal component of magnetic field is consistent with gradient value of normal component，and the magnetic field vector will be reversed under coupling effects of loading environmental magnetic field and tension load.When the load is less than 20 kN，the extreme value of longitudinal component and the gradient value of normal component increase slowly，but the amplitude of the magnetic field vector and the angle between the magnetic field vector and the tension axis decrease slowly. When the load is greater than 20 kN，the extreme value of longitudinal component，the gradient value of normal component and the amplitude of the magnetic field vector increase rapidly，and the direction of the magnetic field vector tends to be not changed.

metal magnetic memory effect;stress-magnetizing;magnetic field vector;X80 pipeline steel;tension load

A

：1674-5124（2017）01-0017-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.01.004

2016-05-20；

：2016-06-28

國家自然科學(xué)基金（11302206）；中國工程物理研究院科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金（2014B04021）

賈 東（1986-），男，四川綿陽市人，助理研究員，碩士，主要從事材料力學(xué)性能及力磁耦合效應(yīng)研究。