余光海,盛光鳴,徐觀明,張元昊

(1.合肥工業(yè)大學 機械工程學院,安徽 合肥 230009;2.湖南綠色再生資源有限公司,湖南 長沙 410699)

在當今全球化的背景下,環(huán)境污染和資源短缺問題已經(jīng)變得日益嚴重。因此,再制造工程作為一種戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),具有顯著的資源節(jié)約和環(huán)境保護效果。我國工程機械的數(shù)量龐大,其中80%超過了保質(zhì)期,每年報廢量高達120萬臺。如何有效利用這些廢舊設(shè)備成為全面提高資源利用率的關(guān)鍵因素。金屬磁記憶檢測技術(shù)作為一種新興的無損檢測方法,在不損壞被測對象的前提下,利用材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常所引起的表面漏磁場變化來確定零件缺陷的位置和損傷程度。這一技術(shù)正在逐漸成為工程領(lǐng)域中重要的檢測手段之一。當前,隨著工業(yè)制造業(yè)的發(fā)展和技術(shù)水平的提高,金屬結(jié)構(gòu)件的安全性和可靠性要求也越來越高。因此,發(fā)展高效、準確、可靠的無損檢測技術(shù)對于確保工程結(jié)構(gòu)的安全運行具有至關(guān)重要的意義。

金屬磁記憶檢測技術(shù)作為一種新興的無損檢測方法,能夠在不損壞被測對象的前提下,利用材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常所引起的表面漏磁場變化來確定零件缺陷的位置和損傷程度。近些年,金屬磁記憶逐漸成為再制造毛坯損傷程度評估和修復質(zhì)量評價的常用手段,例如,Su H等通過對J-A模型的分析可以反映疲勞程度[1];Wang W等認為金屬磁記憶是一種新的被動無損應(yīng)力狀態(tài)評估方法,可用于鐵磁材料的早期損傷檢測[2];J.Juraszek介紹了一種利用自身剩余磁場識別鋼絲繩損傷的方法[3]。本文旨在詳細闡述金屬磁記憶檢測技術(shù)的工作原理和國內(nèi)外研究成果,梳理其面向再制造工程的應(yīng)用現(xiàn)狀,并結(jié)合具體的案例進行分析。通過對金屬磁記憶檢測技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀進行全面闡述,以期為該技術(shù)在再制造領(lǐng)域的應(yīng)用提供更多的思路和方法。

上述內(nèi)容總結(jié)了金屬磁記憶檢測技術(shù)在再制造工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀和一些具體的案例,這也是本綜述的主要內(nèi)容。隨著再制造產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和技術(shù)的不斷進步,金屬磁記憶檢測技術(shù)在再制造工程中的作用將會更加突出。希望通過對金屬磁記憶檢測技術(shù)的綜述,可以為該技術(shù)在再制造工程中的應(yīng)用提供更多的思路和方法,促進再制造產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展。

1 金屬磁記憶檢測的理論研究綜述

在鐵磁材料中,受應(yīng)力和環(huán)境磁場共同作用時,會產(chǎn)生力磁耦合效應(yīng),導致材料的磁化強度和幾何尺寸發(fā)生變化,即磁致伸縮效應(yīng)。這也涉及磁機械效應(yīng),即施加應(yīng)力會改變材料的磁化強度。金屬磁記憶檢測技術(shù)是一個涉及鐵磁學、力學和物理學等多方面知識的跨學科新興領(lǐng)域。其影響機制復雜,因此采集的磁信號較微弱,長期以來主要用于定性分析而難以準確用于定量研究,這在科學研究和工程應(yīng)用中受到限制。磁記憶檢測機理可以通過Jiles-Atherton磁機械效應(yīng)模型、能量守恒定律以及帶缺陷或應(yīng)力集中處的磁偶極子模型來理解。在鐵磁材料內(nèi)部存在許多磁疇和磁疇壁。在無外物理場作用下,這些磁疇和磁疇壁處于無規(guī)律的自由狀態(tài),宏觀上不顯磁性。但當鐵磁材料受到地磁場和應(yīng)力場的共同作用時,由于力磁耦合效應(yīng),微觀上材料內(nèi)部會產(chǎn)生磁疇壁的轉(zhuǎn)動和磁疇的定向移動,從而在宏觀上顯示出磁性。

1.1 磁機械效應(yīng)理論研究進展

在1984年,Jiles和Artherton基于已有的疇旋轉(zhuǎn)和疇壁理論,通過考慮各種能量項,進一步推導出鐵磁材料的狀態(tài)方程。對該微分方程進行求解顯示了鐵磁回滯的基本特征,并解釋了應(yīng)力對磁化的影響。隨后的1995年,Jiles提出了“接近原理”,研究了鐵磁材料在施加單軸應(yīng)力時磁化強度的變化情況,并建立了鐵磁材料的J-A模型理論[4]。

Wang G等[5]對鐵磁材料在應(yīng)力作用下的磁記憶效應(yīng)進行了系統(tǒng)的理論和實驗研究。他們通過能量平衡理論分析了應(yīng)力與磁特性之間的關(guān)系,并計算了力磁耦合過程中的電子能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度和原子磁矩。研究結(jié)果表明,在應(yīng)力作用下,鐵磁材料的磁特性會減弱,磁記憶信號強度隨應(yīng)力的增加呈線性降低。

圖1所示為單軸、等雙軸、靜壓和純剪切應(yīng)力狀態(tài)下無外加磁場的磁致伸縮應(yīng)變隨應(yīng)力變化的情況。圖1中,u、e、h和s分別表示單軸、等雙軸、靜壓和純剪切等應(yīng)力狀態(tài)。雖然已經(jīng)提出了多軸應(yīng)力下鐵磁材料磁致伸縮應(yīng)變的解析模型,但是需要指出該模型存在較強的預設(shè),并且在各向異性或高均質(zhì)情況下存在較大的局限性。另外,Zhang P等學者基于磁疇理論和接近定律,提出了一種各向異性非線性磁力學本構(gòu)關(guān)系,并詳細討論了環(huán)境磁場與應(yīng)力方向不同引起的角度效應(yīng)。這項研究有助于鐵磁材料缺陷尺寸與反演研究[6]。

圖1 無外加磁場下的磁致伸縮應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系

1.2 磁偶極子理論模型研究進展

在恒定和已知方向的磁場中,鐵磁材料試樣通常會優(yōu)先通過磁通量,但當存在缺陷時,磁通量會泄漏并在缺陷周圍形成漏磁場。這種漏磁現(xiàn)象提供了關(guān)于表面斷裂缺陷的重要信息。在高壓載荷和地磁場的作用下,鐵磁試樣的磁疇可以有規(guī)律地定向,產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)和應(yīng)變集中區(qū)自發(fā)磁化區(qū)域。即使在釋放載荷后,這些自發(fā)磁化區(qū)域也會產(chǎn)生漏磁信號。圖2所示為應(yīng)力集中引起的金屬磁記憶信號,目前金屬磁記憶檢測的主要研究方法是磁偶極子理論,該理論可以成功解釋缺陷表面產(chǎn)生的漏磁場,并分析缺陷形狀參數(shù)對漏磁場信號的影響。根據(jù)磁偶極子理論,在地磁場和外載荷的作用下,鐵磁材料試件出現(xiàn)裂紋損傷時,會在裂紋兩端表面形成極性相反的磁荷,形成極性相反的磁極,因此可以利用磁偶極子理論獲得不同表面裂紋產(chǎn)生的磁信號的解析解。

圖2 應(yīng)力集中引起的金屬磁記憶信號

磁偶極子理論模型在材料科學和工程領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用,近年來相關(guān)研究取得了重要進展。以改進的解析三維漏磁模型為例[7],該模型通過使用2個參數(shù)描述法向量,成功實現(xiàn)了在更大范圍的缺陷形狀下對漏磁信號的近似分析。綜合這些研究結(jié)果,磁偶極子理論模型在實際工程和材料科學中的應(yīng)用前景十分廣闊,為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供了重要的理論基礎(chǔ)和實驗驗證。

2 金屬磁記憶檢測實驗研究

通過測量45冷軋鋼試樣確定位置的磁感應(yīng)強度與拉應(yīng)力之間的關(guān)系,從實驗中獲得了45冷軋鋼試樣在拉應(yīng)力下的應(yīng)力磁化關(guān)系,通過測量磁信號的特征可以評價試樣的應(yīng)力狀態(tài)和安全狀態(tài),普通碳素結(jié)構(gòu)鋼試樣示意圖如圖3所示。

圖3 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼試樣示意圖

針對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的腐蝕和疲勞損傷問題,磁偶極子理論模型被廣泛應(yīng)用于研究和實驗中。Zhou J等基于磁偶極子模型推導出了自漏磁信號法向分量的理論公式,為銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎強度與自漏磁信號關(guān)系的實驗研究奠定了基礎(chǔ),并提出了一種基于微磁傳感器的銹蝕鋼筋混凝土梁剩余彎曲強度評估新方法[8]。Xia R等利用磁偶極子模型對自有漏磁進行了理論計算,并結(jié)合實驗分析了不同腐蝕程度鋼絞線附近的磁信號[9],45個冷軋鋼試件在屈服點附近的漏磁與拉應(yīng)力的關(guān)系如圖4所示。他們提出了利用法拉第第一電解定律計算鋼材料腐蝕程度的方法,并通過水平和垂直掃描得到腐蝕區(qū)域的長度和范圍,為土木工程的無損檢測提供了新的手段。Zhang D等提出了磁力學模型研究鋼筋疲勞損傷與表面磁記憶信號之間的關(guān)系,并在拉伸疲勞試驗中測量了試樣的表面磁通密度,結(jié)果表明,磁通密度在疲勞過程中表現(xiàn)出3個階段,提出的模型能有效地描述鋼筋在疲勞過程中的磁化變化趨勢[10]。Wu J等研究了材料內(nèi)部缺陷的漏磁過程,并提出了一種由亥姆霍茲線圈磁化和高磁導率磁芯感應(yīng)線圈組成的高靈敏度漏磁檢測方法,增加了內(nèi)部缺陷的可探測深度,極大地提高了檢測深埋缺陷的能力[11]。這些研究為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的理論支持和實驗驗證,為工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測和無損檢測提供了新的方法和技術(shù)手段。

a) 硬化程度小時塑性變形狀態(tài)

磁偶極子理論模型研究專家們對金屬材料的磁性及其在應(yīng)力狀態(tài)下的變化進行了廣泛探討。首先,Z.Maazaz等[12]研究了塑性應(yīng)變對鐵素體-珠光鋼剩磁的影響,發(fā)現(xiàn)塑性應(yīng)變顯著降低了剩余磁化強度,但在外加應(yīng)力下會有恢復的趨勢。He G等[13]通過非接觸管道磁檢測技術(shù)建立了磁信號的數(shù)值模型,提出了新的參數(shù)來反映管道環(huán)焊縫的應(yīng)力狀態(tài),為管道檢測提供了科學依據(jù)。Tong K等[14]結(jié)合磁化理論,研究了弱磁激勵條件下鋼筋的力-磁耦合效應(yīng),并提出了新的思路用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的無損檢測。此外,Xia R等[15]提出了有初始腐蝕和無初始腐蝕的磁機械效應(yīng)的理論分析方法,為鐵磁材料的應(yīng)力-腐蝕耦合分析提供理論依據(jù)。Liu B等[16]提出了改進的磁力效應(yīng)模型并結(jié)合仿真分析對鋼絲繩損傷進行檢測,為鐵磁材料的損傷檢測提供了新方法。最后,Ge J等[17]研究了在逆彎曲置和應(yīng)力集中位置法向漏磁信號隨應(yīng)力的變化規(guī)律,并建立了磁性和力學性能之間的物理機制,為材料的損傷程度評估提供了新的參數(shù)和方法。這些研究為金屬材料在應(yīng)力狀態(tài)下的磁性變化和相關(guān)的無損檢測技術(shù)提供了重要的理論和實驗依據(jù),對工程和材料領(lǐng)域具有重要的指導意義。

3 金屬磁記憶檢測損傷評價

S.Kolokolnikov等[18]在研究中討論了基于金屬磁記憶法的焊接試樣焊后熱處理前后應(yīng)力狀態(tài)的變化,指出在弱地磁場作用下焊接過程中形成自漏磁的磁場強度與焊接接頭應(yīng)力狀態(tài)變化之間的關(guān)系,并提出了利用磁記憶法快速檢測焊接接頭應(yīng)力狀態(tài)不均勻區(qū)的方法。另外,S.Kotake[19]從力學角度和實驗結(jié)果討論了塑性變形對鐵磁性金屬剩余磁化的影響,提出了利用測量無磁場下試件殘余磁化強度的降低來檢測試樣在拉應(yīng)力或壓應(yīng)力作用下是否發(fā)生額外塑性變形的方法。S.Gontarz等[20]發(fā)展了被動磁性方法診斷模型,用于確定結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和作用力狀態(tài),強調(diào)了通過將動力學引入系統(tǒng),在分析受檢物體磁場隨其作用力的變化以及分析結(jié)構(gòu)的整體作用力時,必須考慮一些參數(shù)。Yao K等[21]采用金屬磁記憶(MMM)方法評估了鐵磁材料在非鐵磁和鐵磁壓頭作用下的接觸損傷,建立了早期接觸損傷準則并提取評價參數(shù)。A.Arifin等[22]基于磁性金屬記憶法的鐵磁鋼疲勞壽命估算中評估失效時的材料參數(shù),即收縮值,通過早期疲勞載荷下的收縮值對漏磁特征進行評估,實驗和分析表明,金屬磁記憶方法的估計值在實際循環(huán)數(shù)范圍內(nèi),說明該方法在早期定位疲勞裂紋位置以及估計部件疲勞壽命的能力。C.Abarkane等[23]驗證了金屬磁記憶技術(shù)在金屬阻尼器定量損傷評估中的應(yīng)用,并通過實驗驗證了該指數(shù)用于量化狹縫板阻尼器在循環(huán)荷載作用下的損傷,強調(diào)了擬議的金屬磁記憶損傷指數(shù)的相關(guān)性。Huang H等[24]研究了基于磁記憶合金技術(shù)進行拆卸損傷評估的可行性,并提出了拆卸損傷評估方法,具體研究了軸與葉輪過盈配合接頭的拆卸,應(yīng)力集中和塑性變形刺激了磁疇的變化,導致表面自發(fā)磁場的畸變和金屬磁記憶信號的感應(yīng)。

He M等[25]的研究基于等效磁極化法和有限元邊界元混合方法,提出了一種考慮鐵磁材料非線性和磁滯特性的非線性漏磁檢測信號數(shù)值模擬方法。結(jié)果顯示,非線性漏磁檢測信號的失真主要受材料的剩磁系數(shù)影響,而剩磁系數(shù)會受到塑性變形等微損傷的顯著影響。此外,Wang H等[26]系統(tǒng)研究了焊接接頭在不同疲勞循環(huán)次數(shù)下拉壓疲勞全過程中金屬磁記憶信號的變化規(guī)律,結(jié)果顯示金屬磁記憶檢測是一種可行的評估在用焊接件疲勞應(yīng)力甚至剩余疲勞壽命的方法。這些研究為金屬磁記憶檢測技術(shù)的應(yīng)用提供了新的方法和實驗驗證,拓展了該技術(shù)在材料損傷評估、疲勞壽命估計和結(jié)構(gòu)性能評估等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

4 金屬磁記憶檢測影響因素研究

最近的研究成果表明,金屬磁記憶技術(shù)在材料領(lǐng)域的應(yīng)用有著廣闊的發(fā)展前景。Li J等[27]的研究重點是外加載荷對磁機械效應(yīng)的影響,特別是針對施加負載對體磁場和局部表面磁場的影響。在彈性變形階段,應(yīng)力對磁性的影響導致單軸各向異性的發(fā)展。然而,在塑性變形區(qū)域,根據(jù)磁塑性模型計算的磁化在塑性形變的初始階段表現(xiàn)出急劇變化,然后隨著塑性應(yīng)變的增加而緩慢降低。Su S等[28]提出了一種在不同速度條件下重建任意缺陷輪廓的有效方法,基于有限元模型,該方法能獲得更好的重建精度。該方法在無損檢測剖面重建的實際應(yīng)用中具有廣闊的前景。Shen Z等[29]的研究主要討論了表面斷裂裂紋的表面粗糙度與檢測信號之間的關(guān)系,分析了目前漏磁檢測中存在的粗糙度磁壓縮效應(yīng),將有助于對漏磁檢測進行定量評價。N.Sonntag等[30]的實驗表明,雜散場不僅是由磁彈性效應(yīng)形成的,而且不均勻的塑性變形形成了形貌,這是雜散磁場形成的主要原因之一。Li H等[31]的分析結(jié)果表明,不管應(yīng)力分布的形式如何,磁梯度隨著應(yīng)力的增加而增加,基于上述結(jié)論,提出了一種殘余磁場特性:磁場的二階導數(shù),這可以作為估計不連續(xù)結(jié)構(gòu)中最大應(yīng)力的統(tǒng)一定量標準。M.Moonesan等[32]的研究結(jié)果顯示,試樣殘余磁場與其對應(yīng)的應(yīng)力誘導磁場水平有較強的相關(guān)性,這對于金屬磁記憶技術(shù)在應(yīng)力評估中具有重要意義。Liu B等[33]的研究討論了裂紋尺寸對金屬磁記憶法應(yīng)力評估的影響,結(jié)果顯示溝槽位置與突變的關(guān)系,提供了一種新的方法來評估材料的應(yīng)力狀態(tài)。

Liu B等[34]的研究發(fā)現(xiàn),晶粒尺寸對金屬磁記憶技術(shù)評估應(yīng)力損傷有著顯著影響。實驗結(jié)果顯示,隨著晶粒尺寸的增大,磁場強度梯度略有減小,這是由于晶粒尺寸對變形能力的影響。同時,基于多項式函數(shù)確定了磁場強度梯度斜率與晶粒尺寸之間的關(guān)系。此外,Liu B等[35]還研究了外加磁場對磁記憶信號的影響,并采用有限元分析方法建立了X70管線鋼的磁力學模型,研究發(fā)現(xiàn)在地磁場作用下,應(yīng)力集中程度與磁記憶信號之間存在一對一的線性對應(yīng)關(guān)系。另外,外部磁場強度的變化也影響著磁場信號的表現(xiàn),從而對應(yīng)力集中區(qū)的磁信號產(chǎn)生影響。Xie Z等[36]的研究集中在磁場對鐵磁材料裂紋尖端應(yīng)力強度因子的影響上,推導出了裂紋尖端附近結(jié)構(gòu)變形引起的磁場擾動的半解析解,并定量評價了外加磁場對應(yīng)力強度因子的影響。這些研究為我們提供了一種新的方式來理解磁場對材料裂紋行為的影響。M.P.van der Horst等[37]的研究則集中在應(yīng)力誘導磁化對結(jié)構(gòu)鋼板應(yīng)力集中區(qū)自漏磁的影響,結(jié)果顯示,應(yīng)力誘導的磁化強度在真實疲勞裂紋的前沿可能比在橢圓孔的尖端大得多,對于漏磁信號低得多的短橢圓表面裂紋,應(yīng)力誘導磁化可能對缺陷附近的自漏磁信號有顯著影響。這些研究成果為金屬磁記憶技術(shù)的應(yīng)用提供了新的思路和方法,拓展了該技術(shù)在材料性能評估、應(yīng)力評估和缺陷檢測等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

5 結(jié)論與展望

根據(jù)近幾十年來磁記憶技術(shù)的研究進展,本文綜述了磁/應(yīng)力耦合效應(yīng)的理論研究、影響檢測信號的因素、損傷狀態(tài)的判斷標準和缺陷識別等方面,總結(jié)了金屬磁記憶技術(shù)的一些優(yōu)點和關(guān)鍵問題。然而,磁/應(yīng)力耦合模型的理論研究尚有待提升。目前的研究中,很少有模型能夠準確描述張力釋放和壓縮釋放過程中不同的磁化特征。因此,筆者提出了進一步優(yōu)化相關(guān)參數(shù)的建議,以使模型更加準確。筆者還認為可以加入溫度的影響來改進模型,并考慮更多的基本參數(shù)(如磁導率)來定量表征鐵磁材料的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。盡管人們進行了許多研究以探究磁場與應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力之間的關(guān)系,但仍存在諸多問題。在磁/應(yīng)力耦合模型中缺乏能夠準確描述張力釋放和壓縮釋放過程中不同磁化特征的模型。此外,基于金屬磁記憶方法的缺陷識別研究也相對少見,因為磁信號受應(yīng)力狀態(tài)、缺陷形狀、缺陷深度、材料類型等多種因素的耦合影響。

金屬磁記憶(MMM)是一種被動的磁性無損檢測技術(shù),可以高效簡便地評估鐵磁材料中的應(yīng)力集中和早期損傷,具有預測構(gòu)件壽命的潛力。然而,由于其相對較弱的磁信號和眾多干擾因素,以及鐵磁材料制造工藝和使用環(huán)境的差異,目前關(guān)于MMM技術(shù)能否準確表征殘余應(yīng)力和載荷大小仍存在爭議。因此,該技術(shù)目前主要用作初步定性確定可能存在缺陷位置的方法。作為一種新興的弱磁檢測方法,MMM仍面臨著多個尚未解決的問題,以充分發(fā)揮其在無損檢測方面的潛力。首先,金屬磁記憶的物理機理尚不明確,現(xiàn)有的磁-機械耦合模型僅適用于彈性階段單軸應(yīng)力作用下產(chǎn)生的磁場變化,無法解釋塑性變形和斷裂對材料磁性能的影響。其次,磁記憶檢測數(shù)據(jù)的準確性和可重復性需要改進,必須明確影響磁記憶信號的可控因素及其影響程度,并排除磁干擾因素,提高檢測的準確度。最后,為了實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)安全性的定量評估,需要建立材料損傷狀態(tài)與評價參數(shù)的量化關(guān)系,為受力狀態(tài)的反演做準備。

金屬磁記憶檢測信號的準確性和影響因素有待完善。磁記憶檢測技術(shù)的損傷評判標準依賴于磁信號以及特征值的變化規(guī)律,因此磁信號的準確性是一個關(guān)鍵問題。由于磁信號是一種弱磁信號,受外界環(huán)境因素和人為因素的影響較大,需要逐一明確磁信號的干擾因素以及影響程度,以確保提取的檢測信號的準確性。綜上所述,解決這些問題將有助于進一步完善金屬磁記憶檢測技術(shù)的可靠性和實用性,推動其在無損檢測和結(jié)構(gòu)安全性診斷方面的應(yīng)用。