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(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

1 引 言

鋼絲繩在礦山、建筑等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。作為一種柔性構(gòu)件，在拉伸提升過程中受力復(fù)雜，并不僅僅承受拉力的作用，在連接節(jié)點(diǎn)及路徑轉(zhuǎn)換處還有可能承受扭轉(zhuǎn)、彎折剪力等作用，鋼絲繩內(nèi)部單絲之間也存在摩擦、擠壓等受力狀況[1]。鋼絲繩大都采用多次冷拔的低碳鋼絲制造，拉伸破壞時(shí)表現(xiàn)為突然的斷絲及脫股，以及承載力的急劇下降。鋼絲繩在受力破壞前期并沒有明顯預(yù)兆，破壞突然，因此有必要對(duì)工作中鋼絲繩的承載能力進(jìn)行評(píng)估，對(duì)其破壞部位進(jìn)行預(yù)判。

鋼絲繩無損檢測(cè)技術(shù)中，電磁檢測(cè)是最為有效的方法，這種檢測(cè)技術(shù)采用外加勵(lì)磁的方法，對(duì)鋼絲繩進(jìn)行漏磁檢測(cè)，能有效發(fā)現(xiàn)鋼絲繩內(nèi)部的斷絲及截面損失狀況[2-3]。但是針對(duì)鋼絲繩破壞迅速無明顯征兆的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的電磁檢測(cè)并不能進(jìn)行早期的預(yù)警，無法發(fā)現(xiàn)鋼絲繩的薄弱部位，而磁記憶檢測(cè)技術(shù)作為一種新型的檢測(cè)手段，在無外加激勵(lì)磁場(chǎng)的情況下，基于鐵磁體的磁致伸縮效應(yīng)，能對(duì)鋼絲內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)也能對(duì)薄弱部位進(jìn)行預(yù)判，是一種具有預(yù)警作用的無損檢測(cè)技術(shù)。

2 金屬磁記憶檢測(cè)原理

磁記憶檢測(cè)技術(shù)以地磁場(chǎng)作為勵(lì)磁源，無需外加磁場(chǎng)，是一種弱磁檢測(cè)[3]，并且，磁記憶信號(hào)隨著鐵磁體應(yīng)力應(yīng)變的變化而變化，因此，該種檢測(cè)技術(shù)與損傷的形狀、方向有關(guān)，與鐵磁體的受力情況也存在直接的關(guān)系。

鐵磁體內(nèi)部根據(jù)磁矩的方向分化成一個(gè)個(gè)微小的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域其磁矩取向相同，這樣一個(gè)特定的區(qū)域稱為磁疇，在無荷載或者無外加磁場(chǎng)的情況下磁疇的取向沒有規(guī)律，宏觀上表現(xiàn)為鐵磁體不顯示磁性。當(dāng)有外加磁場(chǎng)時(shí)，磁疇磁矩取向變得統(tǒng)一，此時(shí)的鐵磁體便顯示磁性。當(dāng)鐵磁體承受荷載時(shí)，表現(xiàn)出一定的壓磁性，磁疇的取向與拉力方向一致，與壓力方向垂直[4-8]。以拉應(yīng)力為例，若僅受拉力無外加磁場(chǎng)時(shí)磁疇的取向與拉力方向夾角可能為0°也可能為180°，這兩個(gè)取向的概率都為50%，鐵磁體不顯示磁性。磁疇的取向介于外加磁場(chǎng)與拉力方向之間，此時(shí)鐵磁體便顯示磁性。此外，在應(yīng)力作用下，鐵磁體內(nèi)部的疇壁發(fā)生移動(dòng)，磁矩方向出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，磁疇由雜亂的隨機(jī)分布向統(tǒng)一的取向發(fā)展。

鋼絲繩的漏磁檢測(cè)基本是強(qiáng)磁檢測(cè)，具有準(zhǔn)確率高、效果好的優(yōu)點(diǎn)，但只能檢測(cè)出已發(fā)展成形的損傷，不能反映鋼絲繩的工作應(yīng)力。因此，有必要把磁記憶檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于鋼絲繩領(lǐng)域，開展探索性的研究。據(jù)此，本文以單絲為研究對(duì)象，針對(duì)單絲拉伸缺損磁記憶信號(hào)進(jìn)行試驗(yàn)，以此作為后續(xù)整繩研究的基礎(chǔ)。

3 試驗(yàn)方案

選用6×37異形三角股鋼絲繩為研究對(duì)象，拆取其中一股，選用單股最外層鋼絲為研究對(duì)象，鋼絲公稱直徑d=2.7mm，單絲有效拉伸長(zhǎng)度30cm，測(cè)區(qū)長(zhǎng)度20cm，每根鋼絲在距測(cè)區(qū)兩端各6cm部位處設(shè)置兩個(gè)缺口，缺口寬度1mm，缺口深度為0.2d，同時(shí)對(duì)3根鋼絲進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，分別編號(hào)為試件1、試件2、試件3，試驗(yàn)在材料拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。采用分級(jí)加載的方式，加載分級(jí)為2、4、5、6、7、8及9kN。試驗(yàn)開始前將鋼絲放入試驗(yàn)機(jī)兩端夾頭，在不加荷載情況下測(cè)量其初始磁場(chǎng)，每加一級(jí)荷載后進(jìn)行保載，以保證獲取鋼絲在受荷狀態(tài)下的磁記憶信號(hào)。

在測(cè)量區(qū)內(nèi)沿鋼絲縱向設(shè)置一條測(cè)線，線上共設(shè)29個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 (a)加密區(qū)測(cè)點(diǎn)布置圖；(b)缺陷分布位置；(c)缺陷深度及寬度Fig.1 (a) layout of measuring points in dense zones of defect, (b) distributed position of defect; (c) depth and width of defect

磁記憶信號(hào)采用EMS-2003磁記憶/渦流檢測(cè)儀，分辨率1A/m，量程±1000A/m，采用霍爾元件筆式探頭，儀器設(shè)為雙蹤內(nèi)時(shí)鐘，以大地磁場(chǎng)為校準(zhǔn)，頻道1顯示環(huán)境磁場(chǎng)，頻道2顯示綜合磁場(chǎng)，用頻道2數(shù)值減去頻道1數(shù)值得到鐵磁體表面磁場(chǎng),即磁記憶信號(hào)，從而達(dá)到屏蔽環(huán)境磁場(chǎng)的目的。本次試驗(yàn)通過設(shè)置儀器參數(shù)選項(xiàng)內(nèi)的-CH1來抑制地磁場(chǎng)，此時(shí)頻道1顯示為0，頻道2顯示數(shù)值即為濾掉環(huán)境磁場(chǎng)后，鐵磁體表面的磁記憶信號(hào)。每次測(cè)量前對(duì)探頭進(jìn)行歸一化處理，將連接的探頭與大地磁場(chǎng)進(jìn)行校準(zhǔn)，使儀器和探頭相互匹配以減小不必要的干擾，儀器設(shè)為數(shù)顯，測(cè)量時(shí)將筆式探頭端部緊貼試件表面以減小提離高度的影響，同時(shí)保持探頭垂直于鋼絲，每個(gè)測(cè)點(diǎn)讀取三次磁記憶信號(hào)數(shù)值。

4 試驗(yàn)全過程分析

三根鋼絲試驗(yàn)結(jié)果，在9～10kN之間拉斷，由于每根鋼絲的初始磁場(chǎng)各不相同，初始階段各鋼絲繩的磁記憶信號(hào)走勢(shì)有一定差別，但當(dāng)荷載增加到一定程度時(shí)，磁記憶信號(hào)曲線走勢(shì)趨于一致，尤其是在荷載達(dá)到5kN后，磁記憶信號(hào)曲線出現(xiàn)了明顯的波峰波谷。這表明，較大的應(yīng)力有摒除初始無規(guī)律磁信號(hào)干擾的作用。現(xiàn)選用現(xiàn)象最明顯的1號(hào)鋼絲繩試件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

加載從0kN開始直至9.58kN發(fā)生破壞，對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)的鋼絲抗拉強(qiáng)度為1673MPa。根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象，可將加載分為四個(gè)階段進(jìn)行分析：無荷載階段，對(duì)應(yīng)荷載為0kN；開始加載但波峰波谷不明顯階段，對(duì)應(yīng)荷載為2kN～4kN；波峰波谷形成并隨荷載的增加波峰與波谷位置移動(dòng)階段，對(duì)應(yīng)荷載為5kN～9kN；鋼絲拉斷后的矯頑力磁場(chǎng)，對(duì)應(yīng)荷載為9.58kN。

4.1 初始階段

將鋼絲繩夾于萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)的上下端口處。此時(shí)測(cè)量其表面的初始磁場(chǎng)，即零載荷下的表面磁記憶信號(hào)。測(cè)量結(jié)果如圖2所示。

圖2 初始階段(零載)磁記憶信號(hào)曲線Fig.2 Signal curve of magnetic memory in the initial phase

由圖可見：磁記憶信號(hào)曲線出現(xiàn)多個(gè)波峰波谷，0～70mm范圍內(nèi)磁信號(hào)的變化較為劇烈，70mm后趨于緩和，在缺陷位置60mm及140mm處并沒有特別明顯的波峰波谷現(xiàn)象，曲線呈無規(guī)律分布，這也體現(xiàn)了無應(yīng)力狀態(tài)下磁記憶信號(hào)的偶然性、隨機(jī)性。需要指出的是：設(shè)備的加載方向?yàn)樨Q向，當(dāng)試件豎向放置時(shí)，地磁場(chǎng)對(duì)豎向鐵磁體的勵(lì)磁規(guī)律并不同于水平放置的鐵磁體，因此本次試驗(yàn)更加有利于研究復(fù)雜勵(lì)磁環(huán)境下的磁記憶信號(hào)規(guī)律。

4.2 波峰波谷開始形成階段

磁記憶信號(hào)曲線發(fā)展到第二階段，包含兩個(gè)加載等級(jí)，分別為2kN和4kN。由于加密區(qū)測(cè)點(diǎn)太密，兩條磁記憶信號(hào)曲線放置于一幅圖中，加密區(qū)各點(diǎn)不好分辨，因此作圖時(shí)，采取各點(diǎn)等間距的方法，如圖3所示，橫坐標(biāo)不再表示距離，而是表示各點(diǎn)的序號(hào)n，即測(cè)量點(diǎn)位置編號(hào)。

從零載進(jìn)入加載階段后可以發(fā)現(xiàn)曲線出現(xiàn)較大的起伏，磁記憶信號(hào)曲線相較于零載條件下出現(xiàn)了大幅度的上移，即縱坐標(biāo)數(shù)值有所增加。同時(shí)，曲線并沒有出現(xiàn)明顯波谷，只是在兩條曲線中出現(xiàn)了一個(gè)波谷平臺(tái)，具體表現(xiàn)為：零載時(shí)在第4點(diǎn)處出現(xiàn)的波谷開始向右移動(dòng)，在2kN時(shí)波谷平臺(tái)出現(xiàn)在第5、6、7點(diǎn)處，在4kN時(shí)從7點(diǎn)到14點(diǎn)出現(xiàn)了一個(gè)較長(zhǎng)的波谷平臺(tái)。零載時(shí)在第16點(diǎn)出現(xiàn)的波峰，在荷載達(dá)到2kN時(shí)波峰出現(xiàn)在第15點(diǎn)處，當(dāng)荷載達(dá)到4kN時(shí)波峰出現(xiàn)在第19點(diǎn)處，波峰也出現(xiàn)了右移，不管是2kN還是4kN，磁記憶信號(hào)曲線沿長(zhǎng)度方向其數(shù)值都經(jīng)歷了一個(gè)先減小再增加，再減小再增加的起伏過程，但4kN時(shí)磁記憶曲線的增加與減小之間的幅值都小于2kN時(shí)的幅值，曲線也相對(duì)緩和，這說明，隨著應(yīng)力的增加磁疇的取向開始變得有序。波峰波谷基本形成并開始發(fā)展。

4.3 波峰波谷移動(dòng)階段

當(dāng)荷載加至5kN后，磁記憶信號(hào)曲線出現(xiàn)明顯的波峰波谷現(xiàn)象，曲線趨于穩(wěn)定，采取與第二階段同樣的處理方式，每個(gè)點(diǎn)的橫坐標(biāo)都設(shè)為等間距以方便觀察，如圖4所示。

圖4 波峰波谷移動(dòng)階段磁記憶信號(hào)曲線(n表示測(cè)點(diǎn)位置編號(hào))Fig.4 Signal curve of magnetic memory in the moving phase of peaks and valleys (The abscissa n represents the measuring point position number)

從圖中可以看出，當(dāng)荷載加至5kN后磁記憶信號(hào)曲線已經(jīng)形成了穩(wěn)定的波峰波谷形態(tài)，各級(jí)荷載下的曲線走勢(shì)相同，都經(jīng)歷了一個(gè)先減小后上升再減小的過程，各級(jí)曲線在后半段開始重疊。

將5kN到9kN各級(jí)荷載下波谷所在點(diǎn)的位置及對(duì)應(yīng)數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

從表1可見：荷載進(jìn)入5kN后，波谷位置始終位于第9點(diǎn)右側(cè)，隨著荷載的增加，不論是數(shù)值還是位置，規(guī)律性都不明顯，但波谷的位置與第9點(diǎn)的距離始終保持在10mm以內(nèi)。

表1 波谷位置及對(duì)應(yīng)磁記憶信號(hào)數(shù)值

同樣將5kN到9kN各級(jí)荷載下波峰所在點(diǎn)的位置及對(duì)應(yīng)數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表2所示。

表2 波峰位置及對(duì)應(yīng)磁記憶信號(hào)數(shù)值Table 2 Peaks position and corresponding numericalvalue of magnetic memory signal

表中可見：當(dāng)荷載進(jìn)入5kN后，波峰位置始終位于第21點(diǎn)左側(cè)，隨著荷載的增加，波峰開始向右移動(dòng)，并沒有出現(xiàn)像波谷位置一樣的跳躍現(xiàn)象。與波谷數(shù)值類似，波峰在數(shù)值上未表現(xiàn)出很強(qiáng)的規(guī)律性，但波峰數(shù)值間差值要遠(yuǎn)小于波谷各數(shù)值間的差值，這說明隨著荷載的增加，波峰處磁記憶信號(hào)數(shù)值較波谷處穩(wěn)定。

4.4 鋼絲拉斷后階段

荷載加至9.58kN，鋼絲被拉斷，斷點(diǎn)位于第21點(diǎn)處。磁信號(hào)隨測(cè)點(diǎn)位置的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 鋼絲拉斷后磁記憶信號(hào)曲線(n表示測(cè)點(diǎn)位置編號(hào))Fig.5 Signal curve of magnetic memory after steel wire tensile fracture (The abscissa n represents the measuring point position number)

由圖可見，鋼絲拉斷后波峰波谷發(fā)生反轉(zhuǎn)并有一定的位移，在斷點(diǎn)左右出現(xiàn)過零點(diǎn)現(xiàn)象，正負(fù)區(qū)域?qū)ΨQ較好，正負(fù)極值的絕對(duì)值發(fā)生較大的增長(zhǎng)，大約為400A/m。不同于拉斷前磁記憶信號(hào)數(shù)值大都為負(fù)值，以斷點(diǎn)為分界線，拉斷后磁記憶信號(hào)數(shù)值在正負(fù)區(qū)域的分布相差不大。這是由于拉斷后原來的一個(gè)鐵磁體變成兩個(gè)，新的磁極開始形成。由于拉斷后荷載消失，圖5顯示的磁記憶信號(hào)其實(shí)為鐵磁體的“矯頑力”。

5 分析與討論

5.1 理論分析

經(jīng)典的金屬磁記憶檢測(cè)理論認(rèn)為：在應(yīng)力集中或損傷處，磁記憶信號(hào)的切向分量出現(xiàn)最大值，而法向分量出現(xiàn)過零點(diǎn)現(xiàn)象。但從本文試驗(yàn)來看，所測(cè)兩缺陷處的法向磁記憶信號(hào)并沒有明顯的過零點(diǎn)現(xiàn)象，尤其是9點(diǎn)處的磁記憶信號(hào)在全部加載過程中都為負(fù)值，21點(diǎn)處也沒有明顯的過零點(diǎn)現(xiàn)象。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因?yàn)椋?/p>

1. 傳統(tǒng)的磁記憶檢測(cè)借鑒了漏磁檢測(cè)的一些理論。在漏磁檢測(cè)中法向的磁場(chǎng)分量表現(xiàn)為過零點(diǎn)，切向分量表現(xiàn)為極值。漏磁檢測(cè)一般借助外加磁場(chǎng)，并且少考慮應(yīng)力應(yīng)變對(duì)鐵磁體本身磁性的影響，該外加磁場(chǎng)一般通過纏繞于鋼絲的外加線圈實(shí)現(xiàn)。外加磁場(chǎng)的N、S極與鋼絲的縱向一致，在缺陷處的漏磁表現(xiàn)為法向?yàn)榱?、切向最大，但是，磁記憶檢測(cè)中沒有這種方向強(qiáng)度很大的外加磁場(chǎng)，對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)而言，鐵磁體的方向位置也各不相同。比如鋼絲：其縱向位置并不一定與地磁場(chǎng)平行，本次試驗(yàn)就采用豎向加載的方法，試件方向與地磁場(chǎng)垂直，加之磁記憶檢測(cè)技術(shù)的勵(lì)磁源是地磁場(chǎng)與環(huán)境磁場(chǎng)矢量合成的綜合磁場(chǎng)，其方向并非南北地磁方向，因此，傳統(tǒng)經(jīng)典的磁記憶判別方法不適用于本試驗(yàn)的檢測(cè)。

2. 經(jīng)典的磁偶極子模型假定有一矩形槽，磁荷分布在槽的兩壁，形成帶磁偶極子，且兩側(cè)面密度大小相同方向相反，磁記憶信號(hào)就是由兩壁上磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量合成并積分后的結(jié)果。但這種理論無法確定由凹槽壁磁偶極子矢量合成后的磁場(chǎng)是否占主導(dǎo)地位，同時(shí)，由于本試驗(yàn)單絲的拉伸應(yīng)力與地磁場(chǎng)是異軸，凹槽壁帶磁偶極子的面密度會(huì)相差很大，與磁偶極子中假定面密度相等不符。因此用磁偶極子模型來解釋本試驗(yàn)具有一定的局限性。

3. 鐵磁構(gòu)件力-磁效應(yīng)的微觀模型認(rèn)為：鐵磁體在拉伸荷載作用下的宏觀變形是由各晶體的協(xié)調(diào)變形產(chǎn)生的。隨著荷載的增大，所有晶粒向同一穩(wěn)定方向發(fā)展，因此在拉應(yīng)力條件下，鐵磁體磁疇磁化矢量將平行于拉應(yīng)力方向。對(duì)于缺陷處，其橫截面積小，相同荷載條件下應(yīng)力就大，變形也相對(duì)較大，磁疇的翻轉(zhuǎn)更加統(tǒng)一[9]，表現(xiàn)出較強(qiáng)的磁性，磁信號(hào)出現(xiàn)極值。

4. 空洞理論認(rèn)為：任何鐵磁體都會(huì)存在雜質(zhì)，在荷載作用下按粒徑由大到小，在雜質(zhì)周圍會(huì)形成空洞，隨著荷載的增加，變形加大，這些空洞開始融合，空洞融合的過程也伴隨著磁疇壁的移動(dòng)與消失，隨著這一過程的進(jìn)行，磁疇取向趨于統(tǒng)一[10]。在缺陷處的應(yīng)力較大，變形較大，空洞的融合也大，磁疇的取向也更加統(tǒng)一?？斩淳酆锨坝捎诖艠O較多，方向雜亂，宏觀上不顯示磁性，當(dāng)拉應(yīng)力方向上的磁化矢量占據(jù)優(yōu)勢(shì)時(shí)即表現(xiàn)為有取向的宏觀磁化。

5.2 均值及標(biāo)準(zhǔn)差在判別中的應(yīng)用

由以上分析并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，單純的依靠法向分量過零點(diǎn)以及切向分量存在極值并不能給出確切的判別，不管是切向還是法向都是地磁與環(huán)境磁場(chǎng)矢量合成后的再分量，現(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型假設(shè)條件太過單一，與實(shí)際情況存在相當(dāng)大的差距，因此有必要尋找一些新的判別方法。

磁記憶檢測(cè)技術(shù)的一大特點(diǎn)就是磁記憶信號(hào)與應(yīng)力應(yīng)變存在一定的關(guān)系，從實(shí)驗(yàn)所得的磁記憶信號(hào)曲線可以看出：磁記憶信號(hào)存在一個(gè)發(fā)展過程，單純的討論某一荷載下的磁記憶信號(hào)意義不大。荷載的增加會(huì)引起磁記憶信號(hào)數(shù)值的變化，可以通過對(duì)相鄰荷載下的磁記憶信號(hào)做差值，并分析其均值與標(biāo)準(zhǔn)差，進(jìn)一步研究磁記憶信號(hào)隨荷載增加而變化的規(guī)律。

首先將荷載按照0、2、4、5、6、7、8及9kN對(duì)應(yīng)為1、2、3、4、5、6、7、8級(jí)荷載，將每級(jí)荷載下對(duì)應(yīng)的磁記憶信號(hào)減去其相鄰上級(jí)荷載下的磁記憶信號(hào)，如式(1)所示。

ΔHi(j,j-1)=Hp(y)ij-Hp(y)ij-1

(1)

式中：Hp(y)ij為第j級(jí)荷載下i點(diǎn)對(duì)應(yīng)的磁記憶信號(hào)數(shù)值，2≤j≤8。

然后將相鄰荷載相減所得的磁記憶信號(hào)差值求平均值，如式(2)所示。

(2)

(3)

由于9.58kN對(duì)應(yīng)的磁記憶數(shù)值是在試件被拉斷后，卸載條件下所得，此時(shí)的試件并不存在外加荷載，因此未計(jì)算9.58kN與9kN荷載條件下的磁記憶信號(hào)差值。將所得均值取絕對(duì)值，橫坐標(biāo)表示按荷載從大到小依次計(jì)算的順序，用ΔFn表示，縱坐標(biāo)表示磁場(chǎng)均值的絕對(duì)值，結(jié)果如圖6所示。

圖6 磁場(chǎng)增量均值曲線圖Fig.6 Magnetic field incremental mean curve

可將圖6曲線劃分為三個(gè)階段：

A階段：均值數(shù)值較小，并且有微小的回落，此時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載也較小，處于加載初期。在應(yīng)力應(yīng)變較小的情況下，磁疇壁的位移速率較小，磁疇的翻轉(zhuǎn)也相對(duì)較慢，由空洞理論可知，此時(shí)疇壁的位移帶動(dòng)空洞的融合才剛開始，鐵磁體并沒有表現(xiàn)出很強(qiáng)的磁性，其規(guī)律性并不明顯。

B階段：均值數(shù)值出現(xiàn)了一個(gè)急劇增加的過程，這說明隨著荷載的增加，磁記憶信號(hào)的增量也在增加，磁疇的翻轉(zhuǎn)加快，疇壁的移動(dòng)也在加快，空洞的融合使得疇壁開始消失，被疇壁分化的磁疇取向開始變得統(tǒng)一，這也充分說明應(yīng)力應(yīng)變的增加與磁記憶信號(hào)數(shù)值的變化確實(shí)存在聯(lián)系。

C階段：在C階段，增量均值開始減小，此時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變已經(jīng)相當(dāng)大，增量均值的減小說明此時(shí)的鐵磁體已經(jīng)接近磁化的飽和狀態(tài)，磁疇的翻轉(zhuǎn)已經(jīng)基本完成，疇壁的移動(dòng)也開始減慢。

圖7 一般鐵磁材料的磁化曲線Fig.7 Magnetization curve

根據(jù)以上分析，可以認(rèn)為：鐵磁體的受力過程其實(shí)就是一個(gè)磁化過程，不同于外加勵(lì)磁的磁化過程，這種磁化是由于應(yīng)力應(yīng)變的增加導(dǎo)致磁疇翻轉(zhuǎn)、疇壁移動(dòng)所致。圖7為一般鐵磁材料的磁化曲線圖。由圖7可以看出：增量均值曲線的A、B、C三個(gè)階段對(duì)應(yīng)著磁化曲線Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)階段。

為研究檢測(cè)線上29個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)增量的整體離散程度，建立了增量的標(biāo)準(zhǔn)差隨ΔFn的變化曲線，如圖8所示。由圖可見，磁場(chǎng)強(qiáng)度增量的標(biāo)準(zhǔn)差曲線呈階梯狀，總體趨勢(shì)呈下降狀態(tài)，與增量均值曲線一樣將增量標(biāo)準(zhǔn)差曲線劃分為 a、b、c三個(gè)階段，可以發(fā)現(xiàn)兩條曲線的分界點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。標(biāo)準(zhǔn)差作為反映整體離散程度的量值，其數(shù)值的減小說明磁記憶信號(hào)增量趨于穩(wěn)定。

圖8 磁場(chǎng)增量標(biāo)準(zhǔn)差曲線圖Fig.8 magnetic field incremental standard deviation curve

鋼絲單向受拉時(shí)，磁場(chǎng)沿縱向分布存在差異，相鄰荷載間的增量也存在差異，但隨著荷載的增加這種差異逐步減小，這說明，鋼絲長(zhǎng)度方向的磁疇翻轉(zhuǎn)以及疇壁位移的速率趨近統(tǒng)一。

不論是均值還是標(biāo)準(zhǔn)差都是以鋼絲整體受力、整體磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化為出發(fā)點(diǎn)，通過研究增量來避免單純的受力狀態(tài)下磁記憶信號(hào)沿鋼絲縱向分布不均帶來的影響，雖然獲取磁記憶信號(hào)的儀器有屏蔽環(huán)境磁場(chǎng)的作用，但這種屏蔽作用也存在很大誤差，通過增量的形式可以有效避免環(huán)境磁場(chǎng)帶來的干擾。

5.3 磁記憶檢測(cè)的判別方法

磁記憶信號(hào)的法向分量過零點(diǎn)，以及切向分量存在極值是磁記憶檢測(cè)手段的經(jīng)典判別方法，但是參考大量的文獻(xiàn)以及進(jìn)行試驗(yàn)后認(rèn)為這種判別方法并非行之有效。鐵磁體的磁記憶信號(hào)是一種與荷載變化相關(guān)的過程量，僅研究某一荷載下的數(shù)值不足以反映力與磁之間的變化關(guān)系。因此，引入磁記憶信號(hào)相鄰荷載下的增量并求其均值及標(biāo)準(zhǔn)差，可以更好地說明磁記憶信號(hào)的變化過程；采用對(duì)整個(gè)變化過程分段劃分的方法，能更加清晰地表達(dá)構(gòu)件的磁記憶信號(hào)增量及所受荷載的程度。

以本次試驗(yàn)為例介紹鋼絲的磁記憶判別方法：增量的均值曲線經(jīng)過了一個(gè)先上升后下降的過程，在這個(gè)過程中形成一個(gè)極大值，在這個(gè)極大值之前可以判斷鋼絲承載能力足夠，為安全狀態(tài)，當(dāng)越過這個(gè)極大值出現(xiàn)下降趨勢(shì)后，認(rèn)為鋼絲進(jìn)入其承載能力的極限階段，以這個(gè)極大值作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，不僅可以起到早期預(yù)警的作用，也可以為構(gòu)件的承載能力提供一定的安全空間。

同樣若以標(biāo)準(zhǔn)差為評(píng)判依據(jù)，可將標(biāo)準(zhǔn)差b 階段向 c階段發(fā)展的臨界值作為一個(gè)預(yù)警值，從本實(shí)驗(yàn)來看不管是根據(jù)均值曲線做出的判別還是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差曲線做出的判別，其對(duì)應(yīng)的荷載級(jí)別都是一樣的，這也說明了這種分階段進(jìn)行判別的方法具有很好的統(tǒng)一性及可靠性。

6 結(jié) 論

1.帶缺陷的鋼絲進(jìn)行單軸拉伸時(shí)，沿鋼絲縱向存在極值，即波峰波谷現(xiàn)象，缺陷位置處于極值點(diǎn)附近，并且隨著荷載增加，波峰波谷點(diǎn)向缺陷處移動(dòng)，在破壞的前一級(jí)荷載，波峰波谷恰好位于缺陷處，因此可通過峰值點(diǎn)的的位置對(duì)缺陷位置進(jìn)行判斷。

2.僅研究鋼絲繩某一荷載下的磁記憶分量不足以反映力與磁之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。引入相鄰荷載之間磁記憶信號(hào)增量值參數(shù)及鄰荷載間磁記憶信號(hào)增量標(biāo)準(zhǔn)差參數(shù)，并做出磁記憶信號(hào)的增量均值曲線以及增量標(biāo)準(zhǔn)差曲線，能實(shí)現(xiàn)利用磁場(chǎng)增量表征鋼絲繩應(yīng)力應(yīng)變的變化程度。

3.對(duì)于磁記憶信號(hào)的增量均值曲線可劃分為:初始階段A，遞增階段B，遞減階段C；而增量標(biāo)準(zhǔn)差曲線呈遞減的階梯狀，同樣也可劃分為a、b、c三個(gè)階段，這兩條曲線的三個(gè)階段與磁化曲線的三個(gè)階段存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，即從增量的角度表達(dá)了鐵磁體磁化時(shí)經(jīng)歷的初始階段、快速磁化階段、磁化飽和階段。

4.在磁場(chǎng)增量出現(xiàn)極大值之前，可以判斷鋼絲繩承載能力足夠，為安全狀態(tài)。當(dāng)磁場(chǎng)增量越過極大值并開始下降之后，可判定鋼絲繩進(jìn)入承載力極限狀態(tài)，通過極大值的測(cè)定可以提早預(yù)警鋼絲繩的危險(xiǎn)狀態(tài)。

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