蘇三慶，胡敬余，王 威，郭 歡，馬小平

(西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055)

鋼材作為一種重要的建構(gòu)筑物材料，因其質(zhì)量輕、強度高、延性好等特點，被廣泛應(yīng)用于高層及大跨結(jié)構(gòu)中.但在實際工程中，由于受動、靜荷載作用以及環(huán)境因素影響，導致鋼結(jié)構(gòu)的突發(fā)性破壞事件屢屢發(fā)生.因此，對鋼結(jié)構(gòu)在服役期間的健康檢測及壽命評估就顯得尤為重要.

目前，應(yīng)用于建筑鋼結(jié)構(gòu)的無損檢測技術(shù)主要有超聲檢測[1]、磁粉檢測[2]、射線檢測[3]、渦流檢測[4]等.這些雖然比較成熟，但僅能夠識別較為明顯的宏觀缺陷，對未形成明顯物理不連續(xù)狀態(tài)的裂紋源以及微小裂紋還無法檢測.

20世紀90年代末，金屬磁記憶檢測技術(shù)被俄羅斯學者Doubov[5]提出.該技術(shù)具有如下優(yōu)點：(1)該技術(shù)能夠?qū)Σ牧蟽?nèi)部損傷以及微觀缺陷進行識別；(2)檢測前不需要清理被檢測構(gòu)件表面鐵銹油污，較為方便；(3)檢測時僅利用地球磁場作為激勵磁化場，不需要專門的磁化設(shè)備；(4)檢測傳感器與被檢構(gòu)件可直接接觸，也可具有一定提離值；(5)儀器設(shè)備體積小，操作簡便靈活[6].目前，大量國內(nèi)外學者對力-磁關(guān)系進行了試驗研究.董麗虹等[7]通過光滑板件的靜載拉伸試驗以及疲勞加載試驗對磁記憶檢測參量及影響因素進行了研究；邢海燕等[8]對焊縫與磁信號之間的關(guān)系進行了研究.梁志芳等[9]針對時間空間上焊接裂紋磁記憶信號的有效性進行了研究.以上學者雖然對彈-塑性狀態(tài)的磁記憶信號進行了分析研究，但對其加載過程中，不同應(yīng)力狀態(tài)下磁記憶信號的變化規(guī)律并沒有明確的定論，而鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷主要產(chǎn)生于屈服之后，并且在變形較小的情況下難以確定結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài).本文主要研究Q235鋼在不同應(yīng)力狀態(tài)下磁信號的關(guān)系規(guī)律，并對加載至不同狀態(tài)的試件進行金相分析，從微觀角度分析二者之間關(guān)系.

1 金屬磁記憶檢測的基本理論

磁記憶檢測技術(shù)的物理基礎(chǔ)源自磁彈性效應(yīng)和磁機械效應(yīng)、應(yīng)力集中區(qū)中位錯壁上磁疇邊界的固鎖效應(yīng)以及金屬天然磁化強度條件下組織和機械強度不均勻性造成的漏磁場效應(yīng)[10].鐵磁性材料在彈性應(yīng)力作用下的彈性效應(yīng)理論目前比較成熟.在無外應(yīng)力和外磁場作用下鐵磁晶體內(nèi)關(guān)于磁化狀態(tài)的自由能為

E=Ek+Ems+Eel

(1)

其中:Ek為磁晶體各項異性能；Ems為磁彈性能；Eel為彈性能.

當有外應(yīng)力或其內(nèi)部存在內(nèi)應(yīng)力時，總自由能應(yīng)加上由應(yīng)力引起的形變.

E=Ek+Ems+Eel+Eδ

(2)

其中，Eδ為材料受到外界應(yīng)力時產(chǎn)生的應(yīng)力能.

真實系統(tǒng)實際存在狀態(tài)總是使總能量達到最低，改變磁化矢量方向可以減小應(yīng)力能，從而使總自由能最小[11].應(yīng)力的存在會導致彈性能和磁彈性能的增加，而且為抵消應(yīng)力能，該區(qū)域由磁機械效應(yīng)作用引發(fā)的磁疇組織取向會發(fā)生不可逆改變，形成磁極，構(gòu)件表面產(chǎn)生漏磁場.應(yīng)力集中部位的漏磁場具有過零點性質(zhì)[12].金屬磁記憶檢測原理如圖1所示.

圖1 金屬磁記憶檢測技術(shù)檢測原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of detection principle of metal magnetic memory detection technology

2 試驗方案

2.1 試驗設(shè)計

本試驗采用廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的Q235鋼.加工制作6個試件，分別編號為S-1、S-2、S-3、S-4、S-5、S-6.試件尺寸如圖2所示.檢測區(qū)域長60 mm，檢測點間距為15 mm，每個試件有一條檢測線，檢測線有5個檢測點，檢測點以中間檢測點為0 mm，向左依次為-15 mm，-30 mm；向右依次為15 mm,30 mm.其試件基本屬性見表1.

圖2 Q235試件及檢測點(單位:mm)Fig.2 Q235 specimen and detection point (Unit: mm)

2.2 試驗儀器及方法

利用DNS300電子萬能試驗機對板件進行靜載拉伸試驗，其主要技術(shù)參數(shù)為：最大試驗力300 kN，試驗空間寬度0～600 mm，試驗橫梁行程1 200 mm，力測量精度±0.5%，變形測量精度±0.5%.

磁記憶信號測量設(shè)備采用愛德森EMS-2003智能磁記憶/渦流檢測儀，探頭使用磁記憶雙通道筆式探頭(EPEMS/B2)，設(shè)置為內(nèi)時鐘模式，顯示模式為數(shù)字顯示.CH1顯示數(shù)據(jù)為大地磁場，CH2數(shù)據(jù)為試件表面磁信號值，選擇背景磁場為減CH1，如圖3所示即為實際磁信號值.

圖3 加載設(shè)備及測量設(shè)備Fig.3 Loading equipment and detection system

為了探究試件在不同應(yīng)力狀態(tài)法向磁信號的變化，S-1只檢測初始狀態(tài)下的磁信號法向分量Hp(y)值，S-2檢測彈性及之前狀態(tài)下Hp(y)值，S-3檢測塑性及之前狀態(tài)下Hp(y)值，S-4檢測強化及之前狀態(tài)Hp(y)值，S-5用于檢測頸縮后及之前狀態(tài)Hp(y)值.具體檢測方式如表2所示.

表2 法向磁信號檢測方式

注：“√”表示對應(yīng)板件在該狀態(tài)時采集法向磁信號

試驗過程中對試件進行離位檢測，試件南北放置，從南到北逐點檢測.筆式探頭垂直于試件表面，探頭端部接觸試件，保證其提離值不變.

最后，將加載至不同狀態(tài)的試件切割打磨進行金相分析，從微觀角度分析磁信號變化與微觀結(jié)構(gòu)變化之間的聯(lián)系.

3 試驗結(jié)果分析

3.1 零載

如圖4所示，為試件在零載狀態(tài)下法向磁信號變化曲線.可以看出，各板件磁信號法向分量Hp(y)波動范圍較小，數(shù)值范圍為-28～22 A·m-1，與參考文獻[13]所示零載狀態(tài)下磁信號法向分量Hp(y)相比，離散性較小，但無明顯規(guī)律出現(xiàn).其原因可能是試件在零載狀態(tài)時，試件表面法向磁信號受其加工制造過程中試件內(nèi)部所產(chǎn)生的剩磁場影響.

圖4 零載狀態(tài)試件法向磁信號變化曲線Fig.4 Normal magnetic signal curve at initial stage

3.2 彈性狀態(tài)

如圖5所示，為S-2～S-6在彈性狀態(tài)法向磁信號的變化曲線.可以看出，各板件Hp(y)信號值均過零點，Hp(y)值以各自零值點為界，左正右負，從左向右遞減，兩端Hp(y)數(shù)值絕對值較大，試件中間部位Hp(y)數(shù)值較小.鐵磁性材料本身作為一個弱磁體，可以將其簡單看作為一個具有南極和北極的磁鐵，磁鐵磁感應(yīng)強度的強弱主要決定于磁感線的密集程度，在磁鐵外部磁感應(yīng)強度是兩端強中間弱，與試驗結(jié)果有相似之處.圖5中S-3～S-6法向磁信號沿長度方向呈線性遞減.S-2的Hp(y)值較S-3～S-6波動較大，但總體趨勢仍然為左正右負，從左向右逐漸減小.試件受到荷載作用后，內(nèi)部的磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生定向的不可逆變化，隨著磁疇結(jié)構(gòu)定向移動的完成，磁信號由之前的無規(guī)律性變得統(tǒng)一，并有“捏攏”現(xiàn)象出現(xiàn).

圖5 彈性狀態(tài)試件法向磁信號變化曲線Fig.5 Normal magnetic signal curve at elastic stage

3.3 塑性狀態(tài)和強化狀態(tài)

如圖6所示，為S-3～S-6在塑性狀態(tài)時法向磁信號變化曲線.可以看出，法向磁信號值的波動有所增加，不同板件之間離散性也相對于彈性狀態(tài)有所增大.各板件Hp(y)零值點分布不集中，S-3和S-6零值點在0 mm附近，S-4和S-5的Hp(y)零值點距離0 mm較遠.但是由圖7可以看出，進入強化狀態(tài)后S-4和S-5 的Hp(y)零值點回歸到0 mm附近，S-4～S-6號板件表現(xiàn)出較好的線性.

圖6 塑性狀態(tài)試件法向磁信號變化曲線Fig.6 The normal magnetic signal curve at plastic stage

圖7 強化狀態(tài)試件法向磁信號變化曲線Fig.7 Normal magnetic signal curve at hardening stage

3.4 頸縮狀態(tài)和破壞狀態(tài)

如圖8所示，S-5、S-6頸縮狀態(tài)法向磁信號變化曲線，可以看出，S-5和 S-6在頸縮狀態(tài)依然呈現(xiàn)出較好的線性，Hp(y)零值點在試件中心附近.圖9為S-6在斷裂狀態(tài)下的法向磁信號變化曲線，可以看出，斷裂破壞狀態(tài)Hp(y)波動性增大，零值點由試件中心附近移至A位置，與斷裂位置基本吻合.S-6具體斷裂位置如圖10所示.

圖8 頸縮狀態(tài)試件法向磁信號變化曲線Fig.8 Normal magnetic signal curve at necking stage

圖9 破壞狀態(tài)試件法向磁信號變化曲線Fig.9 Normal magnetic signal curve at fracture stage

圖10 S-6件斷裂位置Fig.10 Fracture position of Specimen 6

3.5 磁信號全過程分析

試驗中，S-5、S-6經(jīng)歷了從零載到頸縮全過程，其不同狀態(tài)下的法向磁信號如圖11和圖12所示.可以看出，自零載開始，一直到頸縮狀態(tài)，法向磁信號曲線基本成線性變化，Hp(y)零值點在0 mm附近.且在頸縮狀態(tài)之前，隨著荷載的增加，Hp(y)值曲線以零值點為中心呈現(xiàn)順時針旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象.6號試件斷裂后，Hp(y)零值點由試件中心附近移至A位置，與斷裂位置基本吻合.對于早期損傷部位的判斷，基于法向磁信號過零點的損傷辨別方法效果不佳.但是該判別方法對宏觀破壞表征效果較好.

圖11 5號板件不同狀態(tài)法向磁信號變化曲線Fig.11 Normal magnetic signal curve at different stages of Specimen 5

圖12 6號板件不同應(yīng)力狀態(tài)法向磁信號變化曲線Fig.12 Normal magnetic signal curve at different stages of Specimen 6

圖13 不同應(yīng)力狀態(tài)磁場梯度K的絕對值Fig.13 Gradient curve of normal magnetic signal at different stages

圖13所示為S-5、S-6在不同狀態(tài)磁信號法向分量的梯度值，不考慮S-6的斷裂破壞狀態(tài).可以明顯的看出，隨著試件由零載狀態(tài)加載至頸縮狀態(tài)，梯度值的絕對值逐漸增大；從彈性狀態(tài)到塑性狀態(tài)梯度值變化幅度較小，只增大了約47%；從塑性狀態(tài)到強化狀態(tài)梯度值變化幅度迅速增大，增大了約128%；又在強化狀態(tài)到頸縮狀態(tài)迅速變緩，幾乎呈水平狀態(tài)，僅增大了4%左右.如果將Hp(y)曲線近似看作一條直線，則K值表示其斜率.雖然有些測點的Hp(y)值會有一些波動，但是直線的斜率的性質(zhì)比較穩(wěn)定，隨著荷載的增加，斜率的絕對值一直在增大.

3.6 金相分析

對零載狀態(tài)、彈性狀態(tài)、塑性狀態(tài)、強化狀態(tài)、頸縮狀態(tài)的試件金相組織進行分析.如圖14所示，為板件在各個狀態(tài)下的金相組織，Q235鋼材主要由鐵素體和珠光體組成，圖中白色部分為鐵素體，黑色部分為珠光體[14].由圖14(a)和圖14(e)比較可以看出，隨著荷載的增加，試件中的鐵素體由不規(guī)則形狀逐漸變?yōu)榧忓N形，且沿著受力方向逐漸被拉長.在此過程中，磁場梯度K的絕對值一直在增大.

圖14 不同應(yīng)力狀態(tài)下的金相組織Fig.14 Metallographic structures in different stress states

磁場和應(yīng)力對磁疇運動的影響如圖15所示，圖15(a)為無外部磁場時，應(yīng)力對磁疇運動的影響；圖15(b)為外部磁場激勵下，應(yīng)力對磁疇運動的影響.其中，H為外部磁場，σ為外應(yīng)力.

在外部磁場和外應(yīng)力共同作用下，磁疇組織沿外應(yīng)力方向發(fā)生不可逆的定向移動，隨著磁疇定向移動的完成，導致材料宏觀磁特性的不連續(xù)分布，即磁導率、矯頑力等磁特性參數(shù)發(fā)生改變，從而使構(gòu)件在應(yīng)力應(yīng)變集中及缺陷位置處的自發(fā)漏磁場信號產(chǎn)生變化.可見，外部磁場和荷載是產(chǎn)生磁記憶效應(yīng)必不可少的條件[15].在零載狀態(tài)，磁疇結(jié)構(gòu)取向雜亂無規(guī)則，因此磁信號在初始階段呈無規(guī)律的浮動，這與金相試驗得到的試件中的鐵素體在零載狀態(tài)下形狀不規(guī)則現(xiàn)象相似(如圖14(a)所示).實際上，零載狀態(tài)下所檢測到的磁信號主要為試件加工制造過程中內(nèi)部所產(chǎn)生的剩磁場.但隨著荷載的增加，試件所受外應(yīng)力增大，應(yīng)力所產(chǎn)生的有效場逐漸增大，以克服剩磁場使磁疇發(fā)生定向移動，因而磁信號曲線浮動較小，規(guī)律性增強.這與金相試驗得出的試件中的鐵素體隨著荷載的增加由不規(guī)則形狀逐漸沿受力方向變?yōu)榧忓N形的規(guī)律相似(如圖14(e)所示).由以上分析可見，鐵素體變化與磁疇變化之間可能存在一定的相關(guān)性.

圖15 磁場和應(yīng)力影響磁疇運動的示意圖Fig.15 Schematic representation of field and stress affecting the movement of magnetic domains

4 結(jié)論

(1)隨著荷載的增加，磁信號法向分量Hp(y)曲線基本按順時針旋轉(zhuǎn)，Hp(y)零值點位置在0 mm(中心位置)附近.

(2)Hp(y)零值點在頸縮狀態(tài)基本位于試件中心，未能準確的指示最終斷裂破壞位置.基于法向磁信號過零點的應(yīng)力集中區(qū)域判別依據(jù)并不能適用所有狀況.

(3)在試件由零載狀態(tài)加載至破壞過程中，磁場梯度值的絕對值逐漸增加.從彈性狀態(tài)到塑性狀態(tài)梯度值變化幅度較小，只增大了約47%；從塑性狀態(tài)到強化狀態(tài)，增加幅度明顯變大，增大了約128%；而強化狀態(tài)到頸縮狀態(tài)，增加幅度迅速變緩，僅增大了4%.

(4)隨著軸向拉伸荷載的增加，試件內(nèi)部微觀組織，如鐵素體由零載狀態(tài)下的不規(guī)則形狀沿受力方向變成紡錘形，在此過程中磁疇也會發(fā)生變化.因此，鐵素體變化和磁疇變化之間存在一定的相關(guān)性.