楊曉惠, 譚川東, 唐名杰, 周鵬伍, 唐義超, 劉艷軍

(西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都 610500)

油氣管道在國家經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和人們?nèi)粘Ｉ钪邪l(fā)揮著極其重要的作用。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，油氣管道的破壞主要源于各種微觀和宏觀的應(yīng)力集中[1]。其中，塑性變形被認(rèn)為是材料在破壞前必經(jīng)的一個(gè)特殊階段，可以看作是材料在應(yīng)力作用下的一種早期損傷狀態(tài)。因此，進(jìn)行管道的塑性變形檢測，可以實(shí)現(xiàn)對管道損傷的早期預(yù)警，以保證油氣運(yùn)輸管道高效安全的運(yùn)行。

20世紀(jì)末興起的金屬磁記憶檢測技術(shù)，是一種通過檢測鐵磁性材料在地磁場和應(yīng)力作用下的磁記憶信號(hào)，來發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中和缺陷損傷的無損檢測方法[2-3]。利用磁記憶檢測實(shí)現(xiàn)塑性變形診斷是一項(xiàng)新技術(shù)，目前對這一技術(shù)的研究還很有限。在試驗(yàn)研究方面，由于采用的檢測設(shè)備不同，磁記憶信號(hào)在不同變形階段的表現(xiàn)特征存在許多差異，磁場分量的選擇也有不同觀點(diǎn)。Dong等[4]研究了18CrNiWA鋼在彈塑性變形階段的磁記憶信號(hào)法向分量的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)斜率在屈服極限時(shí)達(dá)到最大值；易術(shù)春等[5]通過對Q345B鋼靜載拉伸實(shí)驗(yàn)研究，建立了法向磁場梯度指數(shù)與應(yīng)力的量化關(guān)系；李云飛等[6]研究了X80管線鋼拉伸載荷下的磁記憶信號(hào)的法向和切向分量特征，以及與塑性損傷程度之間的關(guān)系。目前，多數(shù)研究工作集中在拉伸載荷作用下法向磁場分量的特征研究，但對切向分量的研究鮮有報(bào)道。在磁記憶機(jī)理研究方面，利用J-A理論模型來描述彈性變形已得到廣泛認(rèn)可，但由于塑性變形對磁化的影響因素非常復(fù)雜，不同學(xué)者也提出了不同的理論模型。Sablik等[7]利用殘余應(yīng)力來替換作用應(yīng)力，對J-A模型進(jìn)行了改進(jìn)；Wang等[8]提出了磁有效場的塑性變形分量，得到非滯后磁化強(qiáng)度與塑性應(yīng)變之間的定量關(guān)系；劉清友等[9]在對比分析多種塑性變形磁化模型表達(dá)式的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出塑性變形的修正磁化模型。可見，塑性階段的力-磁定量關(guān)系目前尚無統(tǒng)一定論。

針對以上問題，本文通過X80管線鋼的靜載拉伸試驗(yàn)，得到在彈塑性變形狀態(tài)下試件表面的磁信號(hào)變化規(guī)律，研究了相應(yīng)的力磁耦合機(jī)理，建立了特征參數(shù)與應(yīng)力的量化關(guān)系，以期為塑性變形損傷的診斷和預(yù)測提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 金屬磁記憶檢測原理

金屬磁記憶檢測是以地磁場作為勵(lì)磁源的一種弱磁檢測技術(shù)，其基本原理是：在地磁場和外應(yīng)力的共同作用下，鐵磁構(gòu)件應(yīng)力集中區(qū)的內(nèi)部磁疇，發(fā)生具有磁致伸縮現(xiàn)象的磁疇晶格組織定向和不可逆的重新取向，并在應(yīng)力與變形集中區(qū)形成附加磁極[10]，宏觀顯示為構(gòu)件周圍磁場的異常，即應(yīng)力集中區(qū)的磁信號(hào)切向分量出現(xiàn)極值，法向分量改變符號(hào)且在異常區(qū)具有零值[11]，如圖1所示。由于金屬內(nèi)部存在內(nèi)耗效應(yīng)(粘彈性，位錯(cuò)內(nèi)耗等)，使得外應(yīng)力消除后，這種磁狀態(tài)的不可逆變化繼續(xù)保留。因此，通過對構(gòu)件表面磁場的檢測，可以對其應(yīng)力集中情況進(jìn)行定位和評(píng)價(jià)，從而達(dá)到早期診斷的目的。

圖1 磁記憶檢測原理圖

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的X80管線鋼，其主要化學(xué)成分如表1所示。通過拉伸性能測試，得到材料的力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。根據(jù)GB/T228.1-2010加工的標(biāo)準(zhǔn)板狀試件尺寸如圖2所示。為減少測量路徑和提離值對磁記憶信號(hào)的影響，在標(biāo)準(zhǔn)板狀試件上布置限位塊和掃描線。

表1 X80管線鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

圖2 檢測試件示意圖(單位：mm)

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

為避免試件在加工過程中造成的應(yīng)力集中對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，采用TC-3臺(tái)式退磁器對試件進(jìn)行退磁處理。靜載拉伸試驗(yàn)在MTS-809.25疲勞試驗(yàn)機(jī)上完成，采用逐級(jí)加載的方式進(jìn)行施載，達(dá)到預(yù)定值后，保載10 s再取下試件，用TSC-2M-8磁記憶檢測儀進(jìn)行試件表面磁場強(qiáng)度掃描，測試提離值保持2 mm不變，測試方向和地磁南北極方向垂直。依此重復(fù)，直至試件被拉斷。

3 試驗(yàn)結(jié)果

為了消除測試誤差，選用3組相同試樣，在相同測試條件下進(jìn)行了重復(fù)試驗(yàn)。通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，各試件的磁場分量信號(hào)，以及同一試件兩條掃描線上的磁場分量值均具有很高的相似度。因此，選取其中一個(gè)試件作為研究對象，其檢測結(jié)果取兩條掃描線上磁場分量值的平均值。

3.1 載荷與變形階段的關(guān)系

拉伸試件的載荷應(yīng)變曲線如圖3所示。在加載過程中，試樣經(jīng)歷了彈性變形-屈服-塑性變形的不同階段。根據(jù)載荷(F)-應(yīng)變(ε)曲線，可以初步確定拉伸載荷與變形階段的對應(yīng)關(guān)系。但在逐級(jí)加載試驗(yàn)中，反復(fù)加載將導(dǎo)致試件疲勞積累，使得屈服載荷發(fā)生變化，而無法準(zhǔn)確劃分變形階段。通過記錄拉伸試件加載時(shí)和卸載后的位移，可得到試件的載荷(F)-伸長量(ΔL)曲線，如圖4所示。

圖3 試件的載荷-應(yīng)變曲線

圖4 試件的載荷-伸長量曲線

試件伸長量隨載荷變化的過程明顯分成兩個(gè)階段：當(dāng)載荷F≤35 kN時(shí)，試件的總伸長量較小，卸載后的殘余伸長量幾乎為零，表現(xiàn)出彈性變形特征；當(dāng)載荷F≥42 kN時(shí)，試件的總伸長量和殘余伸長量均隨載荷的增加而顯著增大，表現(xiàn)出塑性變形特征。結(jié)合圖3和圖4的檢測結(jié)果，在彈性變形階段選取的拉伸載荷分別為5、10、20、30和35 kN；在塑性變形階段選取的拉伸載荷分別為42、44、50 和55 kN。

3.2 載荷對磁場分量的影響

3.2.1 彈性階段

對試件逐級(jí)加載至預(yù)定載荷，卸載后進(jìn)行磁記憶檢測，獲得了不同載荷下試件表面的磁場強(qiáng)度分布曲線。如圖5所示，在彈性變形階段，隨掃描位移量Lx的增加，磁記憶信號(hào)的法向分量H(y)和切向分量H(x)均表現(xiàn)為線性程度較好的直線。由于材料內(nèi)部應(yīng)力分布相對均勻，因此，各載荷作用下的磁場強(qiáng)度分布曲線具有相似特征。其中，法向分量H(y)表現(xiàn)為傾斜的直線，隨載荷的增加逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，逐漸變陡；切向分量H(x)表現(xiàn)為水平直線，隨載荷的增加逐漸下移。

圖5 彈性變形階段載荷對磁信號(hào)的影響

3.2.2 塑性階段

為進(jìn)一步研究X80管線鋼在塑性變形狀態(tài)下的磁記憶信號(hào)變化規(guī)律，分別檢測了試件逐級(jí)加載后的表面磁場強(qiáng)度。如圖6(a)所示，各載荷作用下的H(y)曲線團(tuán)聚在一起，隨著拉伸載荷的增加，其斜率略微減小，相比于彈性階段的磁信號(hào)出現(xiàn)了反轉(zhuǎn)現(xiàn)象；H(y)曲線在Lx=10～30 mm區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了不同程度的波動(dòng)。進(jìn)一步研究法向分量的梯度K(y)(圖6(b))，發(fā)現(xiàn)在該區(qū)域存在明顯的不均勻變化，說明此處存在磁場強(qiáng)度的畸變。如圖6(c)所示，切向分量H(x)在各載荷作用下的曲線近似于水平直線，隨著拉伸載荷的增加而逐漸上移，并在Lx=10～30 mm區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)明顯彎曲，其變形程度隨載荷的增加而增大。切向分量的梯度K(x)曲線在此范圍內(nèi)表現(xiàn)出過零點(diǎn)特征(圖6(d))。由Doubov教授的判據(jù)[3,11]可知，試件出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中情況。觀察試件表面發(fā)現(xiàn)，在Lx=10～30 mm區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)明顯的滑移線，這是塑性變形的應(yīng)變痕跡。上述試驗(yàn)現(xiàn)象說明，磁場強(qiáng)度分布曲線的畸變區(qū)域與試件的塑性變形區(qū)相對應(yīng)。

圖6 塑性變形階段載荷對磁信號(hào)及其梯度的影響

3.3 應(yīng)力與特征參數(shù)的關(guān)系

根據(jù)3組重復(fù)試驗(yàn)的檢測結(jié)果，分別提取磁場強(qiáng)度法向分量的斜率Ks(y)和切向分量的絕對值|H(x)|，繪制兩特征參數(shù)與拉應(yīng)力σ的關(guān)系曲線，結(jié)果如圖7、圖8所示。由圖7、圖8可以看出，Ks(y)和|H(x)|隨拉應(yīng)力σ的變化規(guī)律表現(xiàn)出相似的特征：彈性變形階段，兩個(gè)特征參數(shù)隨應(yīng)力的增加而快速增大；達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，二者均出現(xiàn)最大值；塑性變形階段，Ks(y)隨應(yīng)力的增加緩慢降低，而|H(x)|則隨應(yīng)力的變化急劇減小。其中，參數(shù)Ks(y)在彈塑性變形階段發(fā)生反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，與董世運(yùn)課題組[12]的研究結(jié)果一致。

圖7 Ks(y)與拉應(yīng)力的關(guān)系曲線

圖8 |H(x)|與拉應(yīng)力的關(guān)系曲線

通過對磁記憶信號(hào)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，建立了塑性變形損傷區(qū)Lx=10～30 mm范圍內(nèi)磁場分量梯度最大值Kmax與應(yīng)力σ的關(guān)系曲線，如圖9所示。

Kmax=max(|Ki|)

(1)

式中，Ki為第i個(gè)測試點(diǎn)的磁場分量梯度值。

由圖9可知，法向分量的Kmax(y)在彈性階段隨應(yīng)力的增加而快速增大；進(jìn)入塑性階段后，Kmax(y)的增大趨勢變緩；隨著應(yīng)力的進(jìn)一步增加，試件的應(yīng)力集中和變形程度加劇，Kmax(y)快速增大。這一變化趨勢與文獻(xiàn)[5]的檢測結(jié)果相似。切向分量的Kmax(x)在彈性階段隨應(yīng)力的增加而緩慢增大；進(jìn)入塑性階段后，Kmax(x)急劇增大。

圖9 Kmax與拉應(yīng)力的關(guān)系曲線

4 分析與討論

由上述試驗(yàn)現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)，在不同載荷作用下，磁記憶信號(hào)的變化趨勢具有明顯的不同，應(yīng)力對試件內(nèi)部磁疇和磁化矢量的變化情況影響如圖10所示。

4.1 彈性階段分析

在彈性變形階段，拉應(yīng)力將促使鐵磁材料內(nèi)磁疇組織重新排列和磁化矢量轉(zhuǎn)向，見圖10，表現(xiàn)為試件在應(yīng)力軸線方向上的均勻磁化，在地磁場作用下對外顯示磁性。因此，沿軸線方向檢測時(shí)，磁場強(qiáng)度法向分量H(y)過零點(diǎn)，表現(xiàn)為傾斜的直線，而切向分量H(x)為水平直線。

圖10 應(yīng)力對磁疇的影響示意圖

基于磁疇理論和疇壁運(yùn)動(dòng)建立的J-A模型認(rèn)為，單軸拉應(yīng)力對鐵磁性材料表面磁化強(qiáng)度的影響，相當(dāng)于對其內(nèi)部的磁疇結(jié)構(gòu)施加一個(gè)等效磁場[13]。彈性變形階段材料表面的有效磁場Htotal可表示為

Htotal=H+αM+Hσ

(2)

式中：H為外磁場；α為磁疇耦合系數(shù)；M為材料的實(shí)際磁化強(qiáng)度；Hσ為應(yīng)力產(chǎn)生的等效磁場，可表示為

(3)

式中:σ為外應(yīng)力；μ0為真空磁導(dǎo)率；λ為磁致伸縮系數(shù)，由于λ是M的偶函數(shù)[14]，所以當(dāng)M較小時(shí)，可令λ=bM2，b為材料的相關(guān)系數(shù)；θ為外應(yīng)力σ與外磁場H間的夾角；ν為泊松比。

令l2=cos2θ-νsin2θ，將式(3)帶入式(2)可得

(4)

由式(4)可知，在一定磁化強(qiáng)度下，外應(yīng)力越大，有效場越大，其磁記憶信號(hào)也越強(qiáng)。因此，當(dāng)拉伸載荷增加時(shí)，法向分量的斜率Ks(y)和切向分量的絕對值|H(x)|均增大。

4.2 塑性階段分析

管線鋼在制造過程中，其內(nèi)部難免存在雜質(zhì)和缺陷。在較大的塑性變形狀態(tài)下，這些缺陷區(qū)域內(nèi)原有的磁疇組織將發(fā)生部分破壞和分割，形成高磁阻區(qū)，使原本均勻的磁力線發(fā)生畸變。因此，磁記憶信號(hào)的法向和切向分量在局部塑性變形區(qū)均出現(xiàn)了異常波動(dòng)。另一方面，隨著塑性變形量增大，試件內(nèi)部的殘余應(yīng)力增加，位錯(cuò)密度迅速積累，阻礙了磁疇的有序化運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，塑性變形卸載后的殘余壓縮應(yīng)力，將驅(qū)使磁化矢量沿著壓應(yīng)力的垂直方向轉(zhuǎn)動(dòng)，見圖10。這些微觀結(jié)構(gòu)上的變化都將導(dǎo)致試件表面的磁場強(qiáng)度降低。

根據(jù)疇壁運(yùn)動(dòng)和位錯(cuò)釘扎理論，鐵磁性材料發(fā)生塑性變形后，其表面的有效場應(yīng)包括：外加磁場、殘余應(yīng)力場、塑性應(yīng)變場和退磁場4部分[15]。因此，塑性變形階段材料表面的有效磁場Htotal可表示為

(5)

在塑性階段卸載后，將會(huì)有殘余應(yīng)力留存，其磁性響應(yīng)特性與外加應(yīng)力等同，由式(3)得殘余應(yīng)力對有效場的影響，

(6)

式中σr為應(yīng)力卸載后，由于晶粒的各向異性、晶粒內(nèi)外的塑性變形等因素引起的殘余應(yīng)力。

試樣經(jīng)過塑性變形卸載后，材料內(nèi)部留存的塑性能也會(huì)產(chǎn)生一定的等效場分量，而這一部分能量可以和釘扎作用相聯(lián)系[16]。塑性變形產(chǎn)生的等效磁場為

(7)

式中:εp為塑性應(yīng)變量；系數(shù)k=b<∈π>/2μ0m；∈π為疇壁上的釘扎能，與材料屬性有關(guān)；m為磁疇磁矩。

殘余壓縮應(yīng)力作用下的磁化矢量方向與外加磁場方向相反，將導(dǎo)致明顯的退磁效應(yīng)?；谶@種現(xiàn)象，Schneider提出了應(yīng)力退磁因子[17]，表示為

(8)

式中:λs為飽和磁滯伸縮系數(shù)；Ms為飽和磁化強(qiáng)度；Bs為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。

將式(6)、(7)、(8)帶入式(5)中得

(9)

式(9)表明，隨著塑性變形量的增加，殘余應(yīng)力增大，有效場逐漸減小，磁記憶信號(hào)由強(qiáng)變?nèi)?。因此，隨著拉伸載荷的增加，法向分量斜率Ks(y)和切向分量的絕對值|H(x)|均減小。

4.3 特征參數(shù)分析

由上述的力磁耦合模型分析可得，當(dāng)材料由彈性變形向塑性變形轉(zhuǎn)變時(shí)，磁化強(qiáng)度由大變小，出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。特征參數(shù)Ks(y)和|H(x)|隨應(yīng)力的增加先增大后減小，其變化情況直觀地表現(xiàn)了材料的彈塑性轉(zhuǎn)變過程。但|H(x)|的極值特征更加明顯，隨應(yīng)力的變化更加顯著，說明|H(x)|與變形狀態(tài)之間存在較好的相關(guān)性。因此，可以利用|H(x)|的極大值，來判斷試件是否進(jìn)入塑性變形狀態(tài)。

隨著應(yīng)力的增加，磁場分量梯度最大值Kmax(y)和Kmax(x)分階段持續(xù)增大，其數(shù)值大小直接反映了試件的應(yīng)力集中狀態(tài)和塑性變形程度。特別是切向分量Kmax(x)在塑性階段隨應(yīng)力的增加而急劇增大，表明其對應(yīng)力的變化比法向分量更敏感。采用指數(shù)擬合法得到圖9中曲線Kmax(x)與應(yīng)力σ的量化關(guān)系.

Kmax(x)=0.164+0.003exp(-σ/112.248)

(10)

R2=0.989 54

(11)

式中R為擬合相關(guān)系數(shù)。

由式(10)可以看出，在試驗(yàn)條件下，X80管線鋼的應(yīng)力狀態(tài)與磁場切向分量梯度呈非線性的定量關(guān)系。這種關(guān)系在一定程度上可為X80管線鋼構(gòu)件塑性損傷的無損評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。

5 結(jié) 論

1)彈性階段磁場法向分量H(y)曲線近似為斜直線，切線分量H(x)為水平直線，隨著應(yīng)力的增加，H(y)的斜率和H(x)的絕對值均增大；塑性階段，兩者均減小。

2)建立了彈性階段的有效場力磁耦合模型，在此基礎(chǔ)上引入塑性應(yīng)變場和退磁場，建立了塑性階段的有效場力磁耦合模型。這些模型可以解釋磁信號(hào)發(fā)生反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。

3)切向分量對局部塑性變形的表征比法向分量更為敏感。以切向分量的絕對值|H(x)|為特征參數(shù)，其隨應(yīng)力變化的反轉(zhuǎn)變化趨勢，可作為識(shí)別彈塑性變形狀態(tài)的依據(jù)。

4)建立了切向磁場梯度最大值Kmax(x)與應(yīng)力σ的量化關(guān)系，利用Kmax(x)值可以表征試件的應(yīng)力集中程度。