祖瑞麗，任尚坤，段振霞，趙珍燕

（南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330063)

磁場(chǎng)對(duì)鐵磁試件力磁耦合關(guān)系的影響研究

祖瑞麗，任尚坤，段振霞，趙珍燕

（南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330063)

為研究磁場(chǎng)對(duì)鐵磁試件力磁信號(hào)分布規(guī)律的影響，對(duì)不同附加環(huán)境磁場(chǎng)下的45#鋼試件進(jìn)行靜載拉伸試驗(yàn)，檢測(cè)試件表面的磁記憶信號(hào)B的大小，并對(duì)試件在不同附加環(huán)境磁場(chǎng)下的力磁耦合關(guān)系進(jìn)行分析討論。試驗(yàn)結(jié)果表明：在磁場(chǎng)環(huán)境作用下B隨應(yīng)力增大而增大，在屈服點(diǎn)附近達(dá)到最大值，此后各點(diǎn)B值基本保持穩(wěn)定；附加環(huán)境磁場(chǎng)并未改變力磁信號(hào)的變化規(guī)律，但可增加磁記憶信號(hào)的大小數(shù)值，且磁化狀態(tài)變化量D隨著附加環(huán)境磁場(chǎng)的增大而增大，當(dāng)H為240A/m時(shí)達(dá)到最大，隨后開始減??；在塑性變形階段，力磁信號(hào)表現(xiàn)為先減小后增大的磁化反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。故附加環(huán)境磁場(chǎng)不影響金屬磁記憶技術(shù)的定性評(píng)價(jià)，但影響定量評(píng)價(jià)，因此可用磁記憶檢測(cè)技術(shù)來(lái)判斷鐵磁試件的力磁耦合特征，對(duì)金屬磁記憶定量檢測(cè)的進(jìn)一步研究具有重要意義。

無(wú)損檢測(cè)；附加環(huán)境磁場(chǎng)；力磁耦合關(guān)系；磁化狀態(tài)變化量；定量檢測(cè)

0 引 言

金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)是利用鐵磁材料的力磁效應(yīng)，對(duì)鐵磁試件上以應(yīng)力集中為特征的危險(xiǎn)區(qū)域的自發(fā)漏磁場(chǎng)進(jìn)行分析[1-2]，進(jìn)而通過(guò)對(duì)受載試件的損傷程度進(jìn)行早期診斷并可靠評(píng)價(jià)，預(yù)防災(zāi)難事故的發(fā)生，是一種新型且綠色環(huán)保的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[3-4]，具有傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。金屬磁記憶效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是鐵磁性構(gòu)件在弱磁場(chǎng)（地磁場(chǎng))下的力磁耦合效應(yīng)，屬于弱磁場(chǎng)信號(hào)[5]，容易受人為因素（在線或離線檢測(cè)、提離高度)和外界磁場(chǎng)環(huán)境的干擾，因此只有確定各個(gè)因素對(duì)磁記憶信號(hào)的影響，并有效排除各種因素的干擾，才能利用磁記憶信號(hào)來(lái)評(píng)價(jià)應(yīng)力集中區(qū)的損傷程度，提出有效的判據(jù)和評(píng)價(jià)參數(shù)，并對(duì)鐵磁構(gòu)件所處的應(yīng)力狀態(tài)和變形階段進(jìn)行綜合分析[6-8]，以便在構(gòu)件被破壞或存在潛在性危險(xiǎn)之前實(shí)現(xiàn)早期診斷。

自磁記憶檢測(cè)技術(shù)興起以來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多專家學(xué)者都對(duì)該項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)做了大量的理論研究和儀器開發(fā)，并取得了卓越的貢獻(xiàn)[9-10]。JILES[11-12]通過(guò)對(duì)力磁效應(yīng)的深入研究，定義了磁機(jī)械效應(yīng)，提出了無(wú)磁滯磁化過(guò)程的接近定律，建立了著名的J-A模型；常福清等[13]從最小能量原理出發(fā)，采用拉格朗日乘法推導(dǎo)出了應(yīng)力-磁化率關(guān)系表達(dá)式；冷建成[14-15]通過(guò)對(duì)力磁信號(hào)的研究得出磁記憶信號(hào)與工作應(yīng)力之間具有相關(guān)性，但應(yīng)力與磁場(chǎng)的關(guān)系尚不明確。北京理工大學(xué)的邱忠超[16]、張衛(wèi)民等[17]通過(guò)對(duì)不同弱磁環(huán)境下的Q235平板試件進(jìn)行靜拉伸試驗(yàn)探討了試件在弱磁激勵(lì)下磁場(chǎng)梯度K與應(yīng)力之間的相關(guān)性；鐘力強(qiáng)等[18]對(duì)磁記憶信號(hào)的存在及測(cè)量與環(huán)境磁場(chǎng)的關(guān)系進(jìn)行了研究；任尚坤等[19]通過(guò)對(duì)鐵磁試件的力磁效應(yīng)分析得出環(huán)境磁場(chǎng)對(duì)力磁效應(yīng)的關(guān)系規(guī)律具有明確影響，并提出了應(yīng)力磁化反轉(zhuǎn)模型，但并未對(duì)外界磁環(huán)境對(duì)力磁耦合信號(hào)影響進(jìn)行具體分析。目前針對(duì)磁記憶檢測(cè)技術(shù)的研究，從基礎(chǔ)理論和應(yīng)用角度上還存在著許多問(wèn)題[20]：1)地磁場(chǎng)的存在是否是引起鐵磁性試件應(yīng)力集中的必要條件[19]；2)外界磁場(chǎng)環(huán)境對(duì)磁記憶信號(hào)有何具體影響；3)磁記憶檢測(cè)如何對(duì)被檢測(cè)對(duì)象的損傷情況進(jìn)行定量評(píng)價(jià)[4]。

本文針對(duì)問(wèn)題2)，對(duì)磁場(chǎng)對(duì)試件力磁耦合關(guān)系等問(wèn)題進(jìn)行研究和討論，以普通鐵磁材料45#鋼為研究對(duì)象，并對(duì)不同附加環(huán)境磁場(chǎng)下的45#鋼試件進(jìn)行靜載拉伸試驗(yàn)，通過(guò)分析試驗(yàn)結(jié)果，討論了外界附加環(huán)境磁場(chǎng)對(duì)鐵磁試件力磁耦合關(guān)系的影響分析，對(duì)磁記憶定量檢測(cè)的進(jìn)一步研究提供參考，并為金屬磁記憶實(shí)踐與工程應(yīng)用檢測(cè)提供重要依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

本試驗(yàn)材料選用45#鋼，具有較高的強(qiáng)度和較好的切削加工性，屬于常用的中碳調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼。材料的化學(xué)成分如表1所示。為確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，本次試驗(yàn)共制作了13根尺寸完全一樣的45#鋼圓棒，分別編號(hào)為 1#，2#，…，13#，結(jié)構(gòu)尺寸如圖 1 所示，試件的長(zhǎng)度120 mm，直徑10 mm，對(duì)加工后的試件進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，用以消除試件內(nèi)的殘余應(yīng)力。

表1 45#鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

圖1 45#鋼圓棒結(jié)構(gòu)尺寸圖（單位：mm)

圖2 螺線管實(shí)物圖

圖3 螺線管軸線上的磁場(chǎng)分布

圖4 螺線管內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流的關(guān)系

以螺線管電流磁場(chǎng)提供外加磁場(chǎng)，如圖2所示，螺線管直徑13 mm，漆包線絲徑0.67 mm，在塑料管上繞漆包線3層，每層160匝，螺線管長(zhǎng)度120mm，得到單位長(zhǎng)度內(nèi)匝數(shù)為4 000。對(duì)螺線管通直流電60 mA，圖3為螺線管軸線上的磁場(chǎng)分布，縱坐標(biāo)B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，L為軸線上的位移。從圖中可以看出，在20mm≤L≤100mm范圍內(nèi)，B基本不變，所以L在[20，100]范圍內(nèi)時(shí)，該螺線管所產(chǎn)生的磁場(chǎng)基本為勻強(qiáng)磁場(chǎng)。圖4為螺線管中心位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與電流I的關(guān)系，可以看出B與I基本呈線性關(guān)系，可擬合為直線B=0.312 3+0.049 6I，B隨I的增大而線性增大。當(dāng)I=0mA時(shí)，B=0.3123×10-4T，即是螺線管內(nèi)地磁場(chǎng)環(huán)境下的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

試驗(yàn)設(shè)備：WDW-100型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)，其主要參數(shù)：最大試驗(yàn)力100kN，測(cè)力示值誤差±（0.5%～1%)，加載速率0.3mm/min。LakeShore421型弱磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x（美國(guó)LakeShore公司)的測(cè)量范圍為0.001Gs～300kGs（1Gs=10-4T)、測(cè)量誤差±0.2%、分辨率 4%。

1.2 試驗(yàn)方法

首先將編號(hào)為13#的試件在室溫下進(jìn)行靜載拉伸，測(cè)定試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線，可得屈服強(qiáng)度為510MPa，抗拉強(qiáng)度為640MPa。在彈性階段采用5kN的加載梯度進(jìn)行加載試驗(yàn)記錄，在塑性階段采用2kN的加載梯度進(jìn)行加載試驗(yàn)。

對(duì)試件 1#和 2#、3#和 4#、5#和 6#、7#和 8#、9#和10#，分別套上螺線管（南北放置)，使其產(chǎn)生-60 A/m豎直向上的磁場(chǎng)，80，160，240，320 A/m 豎直向下的磁場(chǎng)以及不加外磁場(chǎng)的試件11#和12#（地磁場(chǎng))，將試件豎直放置在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行靜載拉伸試驗(yàn)，所用的加載速率為0.2mm/min。試驗(yàn)每加載到固定載荷時(shí)，卸載后取下工件，以東西方向放置在遠(yuǎn)離鐵磁性物體的水平臺(tái)上，用弱磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x測(cè)量13個(gè)固定點(diǎn)處法向漏磁場(chǎng)值大小。測(cè)定后將試件重新放置在試驗(yàn)機(jī)上加載更高預(yù)定載荷，重復(fù)以上操作，直至工件斷裂。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 環(huán)境磁場(chǎng)下的磁記憶信號(hào)

環(huán)境磁場(chǎng)包括地磁場(chǎng)和拉伸機(jī)夾具磁場(chǎng)，將環(huán)境磁場(chǎng)下的試件11#和12#在室溫下進(jìn)行靜載拉伸試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示。在彈性階段，當(dāng)拉應(yīng)力σ＜510 MPa時(shí)，隨著σ的不斷增大，各點(diǎn)的磁記憶信號(hào)逐漸增大。在應(yīng)力作用的初始階段，磁記憶信號(hào)隨應(yīng)力的變化較大，且隨應(yīng)力的進(jìn)一步增加，磁記憶信號(hào)的變化率逐步減小，第1點(diǎn)和第13點(diǎn)的漏磁場(chǎng)之差達(dá) ΔBmax=3.57×10-4T。 當(dāng) σ＞510MPa時(shí)，即在塑性階段，各點(diǎn)的磁記憶信號(hào)趨于穩(wěn)定，ΔBmax=3.708×10-4T。在屈服點(diǎn)附近至抗拉強(qiáng)度處，第1點(diǎn)和第13點(diǎn)的漏磁場(chǎng)之差最小可達(dá)到ΔBmin=3.513×10-4T，在抗拉強(qiáng)度處，第1點(diǎn)和第13點(diǎn)的漏磁場(chǎng)之差為ΔB=3.051×10-4T。

圖5 環(huán)境磁場(chǎng)下的力磁關(guān)系曲線

2.2 附加環(huán)境磁場(chǎng)對(duì)磁記憶信號(hào)的影響

分別將不同附加環(huán)境磁場(chǎng)下的試件1#和2#、3#和 4#、5#和 6#、7#和 8#、9#和 10#，在室溫下進(jìn)行靜載拉伸試驗(yàn)。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，試件 1#、3#、5#、7#、9#上各個(gè)點(diǎn)的力磁關(guān)系曲線，分別如圖 6（a)、圖 6（b)、圖 6（c)、圖 6（d)、圖 6（e)所示，分別對(duì)應(yīng) H 為-60 A/m（豎直向上)、80，160，240，320A/m（豎直向下)的附加環(huán)境磁場(chǎng)。從圖中可以看出，附加環(huán)境磁場(chǎng)并未改變?cè)嚰Υ抨P(guān)系的曲線變化趨勢(shì)，與環(huán)境磁場(chǎng)下的力磁關(guān)系的曲線變化趨勢(shì)一致，但隨著附加環(huán)境磁場(chǎng)的不斷增大，試件各個(gè)點(diǎn)的整體變化趨勢(shì)增大，即隨著應(yīng)力的增大，磁記憶信號(hào)逐漸增大?？梢?，附加環(huán)境磁場(chǎng)可使磁記憶信號(hào)增大。

圖6 不同附加環(huán)境磁場(chǎng)下的力磁關(guān)系曲線

1)如圖6（a)表示附加環(huán)境磁場(chǎng)為60A/m（豎直向上)的試件上各個(gè)點(diǎn)的力磁關(guān)系曲線，各個(gè)點(diǎn)的力磁關(guān)系的變化趨勢(shì)與環(huán)境磁場(chǎng)作用下的試件（圖5)基本保持一致。在彈性階段，當(dāng)σ為446MPa時(shí)，磁記憶信號(hào)的幅值達(dá)到最大，ΔBmax=7.90×10-4T，是環(huán)境磁場(chǎng)作用下磁記憶信號(hào)最大幅值的2.2倍，但磁記憶信號(hào)最大值出現(xiàn)在屈服強(qiáng)度的0.87倍處，此后磁記憶信號(hào)逐漸降低。在塑性變形階段，磁記憶信號(hào)基本保持穩(wěn)定，但磁記憶信號(hào)值ΔBmax=5.806×10-4T，大約為最大值的73%。在屈服點(diǎn)附近至抗拉強(qiáng)度處，第1點(diǎn)和第13點(diǎn)的漏磁場(chǎng)之差最小可達(dá)到ΔBmin=5.391×10-4T，在抗拉強(qiáng)度處，第1點(diǎn)和第13點(diǎn)的漏磁場(chǎng)之差為 ΔB=5.479×10-4T。

2)如圖6（b)中80 A/m（豎直向下)附加環(huán)境磁場(chǎng)下的各個(gè)點(diǎn)的力磁關(guān)系曲線所示，隨著拉應(yīng)力的增大，各個(gè)點(diǎn)的磁記憶信號(hào)逐漸增大。在彈性階段，當(dāng)σ為446 MPa時(shí)，磁記憶信號(hào)的幅值達(dá)到最大，ΔBmax=8.2×10-4T，是環(huán)境磁場(chǎng)作用下磁記憶信號(hào)最大幅值的2.3倍，且磁記憶信號(hào)最大值出現(xiàn)在屈服強(qiáng)度的0.87倍處，此后磁記憶信號(hào)逐漸降低。在塑性變形階段，當(dāng)σ從510 MPa增加到586 MPa時(shí)，從ΔBmax=7.484×10-4T 迅速減小到 0.052×10-4T，拐點(diǎn)出現(xiàn)在屈服強(qiáng)度的1.15倍處，是環(huán)境磁場(chǎng)作用下磁記憶信號(hào)最大幅值的0.015倍，但當(dāng)σ繼續(xù)增加到640MPa時(shí)，ΔBmax反向增大，此時(shí) ΔBmax=3.286×10-4T，大約為最大值的40%；在屈服點(diǎn)附近至抗拉強(qiáng)度處，第1點(diǎn)和第13點(diǎn)的漏磁場(chǎng)之差最小可達(dá)到ΔBmin=0.052×10-4T，在抗拉強(qiáng)度處，第1點(diǎn)和第13點(diǎn)的漏磁場(chǎng)之差為 ΔB=3.286×10-4T。

3)如圖6（c)中160A/m（豎直向下)附加環(huán)境磁場(chǎng)下的各個(gè)點(diǎn)的力磁關(guān)系曲線所示，各個(gè)點(diǎn)的力磁關(guān)系的變化趨勢(shì)與圖5保持一致，在彈性階段，當(dāng)σ為446 MPa時(shí)，磁記憶信號(hào)的幅值達(dá)到最大，ΔBmax=18.04×10-4T，是環(huán)境磁場(chǎng)作用下磁記憶信號(hào)最大幅值的5.05倍，且磁記憶信號(hào)最大值出現(xiàn)在屈服強(qiáng)度的0.87倍處，此后磁記憶信號(hào)趨于穩(wěn)定。在塑性變形階段，磁記憶信號(hào)基本保持穩(wěn)定，但信號(hào)值ΔBmax=12.804×10-4T，大約為最大值的71%。在屈服點(diǎn)附近至抗拉強(qiáng)度處，第1點(diǎn)和第13點(diǎn)的漏磁場(chǎng)之差最小可達(dá)到ΔBmin=11.778×10-4T，在抗拉強(qiáng)度處，第 1點(diǎn)和第13點(diǎn)的漏磁場(chǎng)之差為ΔB=11.347×10-4T。

4)如圖6（d)中240A/m（豎直向下)附加環(huán)境磁場(chǎng)下的各個(gè)點(diǎn)的力磁關(guān)系曲線所示，在彈性階段，當(dāng)σ為382MPa時(shí)，磁記憶信號(hào)的幅值達(dá)到最大，ΔBmax=27.74×10-4T，是環(huán)境磁場(chǎng)作用下磁記憶信號(hào)最大幅值的7.77倍，且磁記憶信號(hào)最大值出現(xiàn)在屈服強(qiáng)度的0.75 倍處，且當(dāng) 510MPa＞σ＞382MPa時(shí)，磁記憶信號(hào)在σ為446MPa時(shí)，即屈服強(qiáng)度的0.87倍處出現(xiàn)了拐點(diǎn)，拐點(diǎn)處ΔBmax=14.378×10-4T，是環(huán)境磁場(chǎng)作用下磁記憶信號(hào)最大幅值的4倍，此后磁記憶信號(hào)又逐漸增大。在塑性變形階段，磁記憶信號(hào)基本保持穩(wěn)定，但信號(hào)值ΔBmax=25.234×10-4T，大約為最大值的91%。在屈服點(diǎn)附近至抗拉強(qiáng)度處，第1點(diǎn)和第13點(diǎn)的漏磁場(chǎng)之差最小可達(dá)到ΔBmin=14.378×10-4T，在抗拉強(qiáng)度處，第1點(diǎn)和第13點(diǎn)的漏磁場(chǎng)之差為ΔB=23.863×10-4T。

5)如圖6（e)中320A/m（豎直向下)附加環(huán)境磁場(chǎng)下的各個(gè)點(diǎn)的力磁關(guān)系曲線所示，在彈性階段，當(dāng)σ為446MPa時(shí)，磁記憶信號(hào)的幅值達(dá)到最大，ΔBmax=26.7×10-4T，是環(huán)境磁場(chǎng)作用下磁記憶信號(hào)最大幅值的7.48倍，且磁記憶信號(hào)最大值出現(xiàn)在屈服強(qiáng)度的0.87倍處，此后磁記憶信號(hào)趨于穩(wěn)定。在塑性變形階段，當(dāng)σ從510MPa增加到561MPa時(shí)，ΔBmax迅速減小，從 27.141×10-4T 迅速減小到 8.217×10-4T，拐點(diǎn)出現(xiàn)在屈服強(qiáng)度的1.1倍處，是環(huán)境磁場(chǎng)作用下磁記憶信號(hào)最大幅值的2.3倍，但當(dāng)σ繼續(xù)增大到586MPa時(shí)，ΔBmax又反向增大，此時(shí) ΔBmax=20.132×10-4T，大約為最大值的75%。在屈服點(diǎn)附近至抗拉強(qiáng)度處，第1點(diǎn)和第13點(diǎn)的漏磁場(chǎng)之差最小可達(dá)到ΔBmin=8.217×10-4T，在抗拉強(qiáng)度處，第1點(diǎn)和第13點(diǎn)的漏磁場(chǎng)之差為 ΔB=17.136×10-4T。

由以上分析可知，附加環(huán)境磁場(chǎng)可降低材料的屈服強(qiáng)度，即使屈服點(diǎn)前移，但附加環(huán)境磁場(chǎng)的大小并未改變屈服強(qiáng)度的大小。從微觀角度看，由位錯(cuò)萌生與增殖過(guò)程分析可知，是在非磁性摻雜引起的孔洞造成的釘扎作用影響下，晶體斷裂原本依附的晶格點(diǎn)而移動(dòng)到臨近的晶格點(diǎn)重新連接，最終晶格整體在某一晶格面出現(xiàn)階梯，這種不穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)必然決定了整體的不穩(wěn)定性[21]；從宏觀角度看，金屬鐵磁性材料內(nèi)部晶格的變化作為微觀缺陷往往在載荷作用下更易出現(xiàn)疲勞損傷甚至斷裂的現(xiàn)象，即屈服強(qiáng)度降低。晶格的階梯變化拉長(zhǎng)了滑移晶面上各個(gè)晶體之間的間距，因此，材料更易進(jìn)入塑性變形階段，因此位錯(cuò)的形成會(huì)影響鐵磁性材料的屈服強(qiáng)度。

現(xiàn)定義最大磁化狀態(tài)變化量Dmax=ΔBmax，由于試件材料的不均勻性，故取屈服點(diǎn)附近（446～535MPa)的最小磁化狀態(tài)變化量Dmin=ΔBmin，抗拉強(qiáng)度處的磁化狀態(tài)變化量為D，圖7為磁化狀態(tài)變化量D與環(huán)境磁場(chǎng)H的關(guān)系：

圖7 磁化狀態(tài)變化量D與環(huán)境磁場(chǎng)H的關(guān)系

在圖 7（a)中，當(dāng) H＜0A/m 時(shí)，Dmax反向增大，當(dāng)0A/m＜H＜240A/m 時(shí)，Dmax逐漸增大，但當(dāng) H＞240A/m時(shí)，Dmax則逐漸減小。在圖7（b)中，隨著附加磁場(chǎng)的增大，屈服點(diǎn)附近Dmin變化雖極不穩(wěn)定，但變化趨勢(shì)與Dmax大致相同；在圖7（c)中，抗拉強(qiáng)度處的磁化狀態(tài)變化量D規(guī)律與Dmax近似相同。故由此可進(jìn)一步得知，磁化狀態(tài)變化量隨著附加磁場(chǎng)的增大而增大，當(dāng)H=240A/m時(shí)，其磁化狀態(tài)變化量達(dá)到最大，隨后開始逐漸減小。

2.3 討論確定點(diǎn)處的力磁關(guān)系變化

為進(jìn)一步分析某一確定點(diǎn)處的力磁耦合關(guān)系，現(xiàn)單獨(dú)討論試件上第11個(gè)點(diǎn)的不同附加環(huán)境磁場(chǎng)下彈性階段的力磁變化關(guān)系。為保證試驗(yàn)結(jié)果的一致性，現(xiàn)僅討論σ＜382MPa時(shí)的力磁關(guān)系變化，如圖8所示。

圖8 第11個(gè)點(diǎn)不同附加環(huán)境磁場(chǎng)下彈性階段力磁變化關(guān)系

如圖所示，當(dāng)H為-60A/m的附加環(huán)境磁場(chǎng)和原始環(huán)境磁場(chǎng)下時(shí)，隨拉應(yīng)力的增大，B在負(fù)方向上不斷增大；當(dāng)附加環(huán)境磁場(chǎng)H=80 A/m、H=160 A/m、H=240A/m和H=320 A/m時(shí)，隨拉應(yīng)力σ的增大，B在正方向上不斷增大。但在相同拉應(yīng)力作用下，當(dāng)H＜240A/m時(shí)，隨H的增大，B不斷增大，且當(dāng)H=240A/m時(shí)，B為最大值，當(dāng)H＞240A/m，隨H的增大，B反而減小；故在相同附加環(huán)境磁場(chǎng)作用下，隨拉應(yīng)力σ的增大，B值（不考慮方向)不斷增大。

圖9為圖8中第11個(gè)點(diǎn)彈性階段力磁耦合關(guān)系擬合直線的斜率K與環(huán)境磁場(chǎng)的關(guān)系，由此圖可更直觀地反映此規(guī)律，當(dāng)H＜240A/m時(shí)，K隨環(huán)境磁場(chǎng)的變化趨勢(shì)近似為一條直線，將其擬合成一條直線，如圖10所示，擬合直線公式為K=aH+b，此等式中的a和b都是與試件的材料、所加拉應(yīng)力和附加環(huán)境磁場(chǎng)有關(guān)的系數(shù)，a和b會(huì)隨它們改變而改變，在本次試驗(yàn)中，a=9.7875×10-5，b=-0.00121。

3 結(jié)束語(yǔ)

1)在應(yīng)力作用的初始階段，磁記憶信號(hào)隨應(yīng)力的變化較大；隨應(yīng)力的進(jìn)一步增加，磁記憶信號(hào)的變化率逐步減小，在屈服點(diǎn)附近達(dá)到最大值。進(jìn)入塑性階段，各點(diǎn)的磁記憶信號(hào)基本保持穩(wěn)定。

圖9 彈性階段斜率與環(huán)境磁場(chǎng)的變化關(guān)系

圖10 彈性階段斜率與環(huán)境磁場(chǎng)的擬合直線

2)附加環(huán)境磁場(chǎng)不會(huì)改變力磁信號(hào)的變化規(guī)律，但可增加磁記憶信號(hào)的大小數(shù)值，且磁化狀態(tài)變化量D隨著附加環(huán)境磁場(chǎng)的增大而增大，當(dāng)H為240A/m時(shí)，D達(dá)到最大，隨后D開始減小。故附加環(huán)境磁場(chǎng)不影響金屬磁記憶技術(shù)的定性評(píng)價(jià)，但影響定量評(píng)價(jià)，對(duì)金屬磁記憶檢測(cè)定量檢測(cè)的進(jìn)一步研究具有重要意義。

3)彈性變形階段，在拉應(yīng)力σ作用下，所有點(diǎn)的力磁變化趨勢(shì)整體呈“張開”的趨勢(shì)，相同附加環(huán)境磁場(chǎng)作用下，隨σ的增大，B值（不考慮方向)不斷增大，且基本成線性關(guān)系；但在塑性變形階段，力磁信號(hào)表現(xiàn)為先減小后增大的磁化反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。故用金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)可以有效地判斷磁場(chǎng)對(duì)力磁效應(yīng)的影響。

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

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

[3]任吉林，王東升，宋凱，等.應(yīng)力狀態(tài)對(duì)磁記憶信號(hào)的影響[J].航空學(xué)報(bào)，2007，28（3)：724-728.

[4]任吉林，劉海朝，宋凱.金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)的興起與發(fā)展[J].無(wú)損檢測(cè)，2016，38（11)：7-15.

[5]LENG J C， XING H Y， ZHOU G Q， et al.Dipole modellingof metalmagneticmemoryfor V-notched plates[J].Insight：Non-Destructive Testing and Condition Monitoring，2013，55（9)：498-503.

[6]LIORZOU F， PHELPS B， ATHRETON D L.Macroscopic models of magnetization[J].IEEE Transactions on Magnetics，2000，36（2)：418-428.

[7]LI C， DONG L， WANG H， et al.Metal magnetic memory technique used to predict the fatigue crack propagation behavior of 0.45%C steel[J].Journal of Magnetism&Magnetic Materials，2016（405)：150-157.

[8]KOLOKOLNIKOV E， DUBOV A， STEKLOV O.Assessment of welded joints stress-strain state inhomogeneity before and after post weld heat treatment based on the metal magnetic memory method[J].Welding in the World，2016，60（4)：1-8.

[9]DUBOV A A，KOLOKOLNIKOV M S.Assessment of the material state of oil and gas pipelines based on the metal magnetic memory method[J].Welding in the World，2012，56（3-4)：11-19.

[10]DUBOV A A.Principle features of metal magnetic memory method and inspection toolsascompared to known magnetic NDT methods[C]∥World Conference on Nondestructive Testing，2006：1034-1037.

[11]JILES D C，LI L.A new approach to modeling the magneto-mechanical effect[J].Journal of Applied Physics，2004，95（11)：7085-7060.

[12]JILES D C.Theory of the magnetomechanical effect[J].JournalofPhysicsD Applied Physics，1995，28 （8)：1537-1546.

[13]常福清，劉東旭，劉峰.鐵磁材料應(yīng)力-磁化性能的相關(guān)性[J].燕山大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，35（3)：277-282.

[14]冷建成.基于磁記憶技術(shù)的鐵磁性材料早期損傷診斷方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[15]冷建成，徐敏強(qiáng)，邢海燕.鐵磁構(gòu)件磁記憶檢測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展[J].材料工程，2010（11)：88-93.

[16]邱忠超，張衛(wèi)民，果艷，等.弱磁激勵(lì)下Q235鋼的磁記憶檢測(cè)[J].無(wú)損檢測(cè)，2014，36（11)：6-10.

[17]張衛(wèi)民，邱忠超，袁俊杰，等.關(guān)于利用金屬磁記憶方法進(jìn)行應(yīng)力定量化評(píng)價(jià)問(wèn)題的討論[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2015，51（8)：9-13.

[18]鐘力強(qiáng)，李路明.檢測(cè)環(huán)境磁場(chǎng)對(duì)磁記憶方法評(píng)價(jià)應(yīng)力集中的影響[C]∥第四屆十三省區(qū)市機(jī)械工程學(xué)會(huì)科技論壇暨2008海南機(jī)械科技論壇，2009.

[19]任尚坤，楊雅玲，林天華，等.環(huán)境磁場(chǎng)對(duì)20鋼應(yīng)力-磁效應(yīng)的影響[J].理化檢驗(yàn)（物理分冊(cè))，2008（8)：401-404.

[20]王正道，姚凱，沈愷，等.金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展及若干討論[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2012，27（2)：129-139.

[21]李喆.外界磁場(chǎng)對(duì)鐵磁性材料金屬磁記憶檢測(cè)影響的研究[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2015.

Study on the influence of magnetic field on force-magnetic coupling relationship of ferromagnetic specimen

ZU Ruili， REN Shangkun， DUAN Zhenxia， ZHAO Zhenyan
（Key Laboratory of Nondestructive Testing of Ministry of Education，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China)

In order to study the effect of magnetic field on the distribution law of force-magnetic signal in ferromagnetic specimen，static tensile test is carried out on 45#steel specimens under different additional environmental conditions to examine the size of the magnetic memory signal on the surface of the test specimen and analyze and discuss the force-magnetic coupling relationship of the specimen under different additional magnetic fields.The results show that，under the action of magnetic field，the magnetic memory signal B increases with the increase of stress， it reaches the maximum value near the yield point， and then the magnetic memory signal B is basically stable.The additional environmental magnetic field does not change the variation law of the force-magnetic signal，but it can increase the magnitude of the magnetic memory signal，and the change of the magnetization state D increases with the increase of the additional environmental magnetic field.It reaches the maximum value when H is 240A/m，and then begins to decrease.In the plastic deformation stage，the force-magnetic signal shows the magnetization reversal phenomenon that it decreases first and then increases.So the additional environmental magnetic field does not affect the qualitative evaluation of metal magnetic memory technology，but affects the quantitative evaluation.Therefore，magnetic memory detection technology can be used to judge the force-magnetic coupling characteristics of ferromagnetic specimen，which is of great significance for the further study of quantitative detection of metal magnetic memory.

nondestructive testing； additional environmental magnetic field； force-magnetic coupling relationship； magnetic state change； quantitative detection

A

1674-5124（2017）10-0127-07

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.10.025

2017-03-20；

2017-04-28

國(guó)家自然科學(xué)基金（51261023)

祖瑞麗（1993-)，女，河南商丘市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)榻饘俅庞洃洐z測(cè)。

（編輯：劉楊）