構(gòu)件低周疲勞損傷的金屬磁記憶檢測試驗(yàn)研究

劉昌奎, 陳 星, 張 兵, 任吉林, 董世運(yùn), 陶春虎

(1.北京航空材料研究院中航工業(yè)失效分析中心,北京 100095;2.南昌航空大學(xué),南昌 330063;3.裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 1000722）

構(gòu)件低周疲勞損傷的金屬磁記憶檢測試驗(yàn)研究

劉昌奎1, 陳 星1, 張 兵1, 任吉林2, 董世運(yùn)3, 陶春虎1

(1.北京航空材料研究院中航工業(yè)失效分析中心,北京 100095;2.南昌航空大學(xué),南昌 330063;3.裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 1000722）

對 18CrNi4A鋼缺口試件在三級應(yīng)力水平下進(jìn)行了低周疲勞試驗(yàn)和磁記憶信號檢測,研究應(yīng)力集中、疲勞損傷及疲勞應(yīng)力對磁信號的影響規(guī)律。結(jié)果表明,利用磁信號Hp(y）曲線突變特征和磁信號梯度K曲線異變峰特征可表征試件損傷位置;采用 H′p(y）=Hp(y）N-Hp(y）0的磁信號處理方式,磁信號H′p(y）曲線過零點(diǎn)與試件斷裂位置重合,處理后的磁信號過零法可更有效的表征試件損傷位置;磁信號梯度Kmax值隨疲勞損傷程度的增加而逐漸增加,反映了構(gòu)件疲勞損傷程度,可表征試件疲勞損傷程度;磁信號與疲勞應(yīng)力水平存在強(qiáng)烈的相關(guān)性,應(yīng)力水平越大,磁信號值也越大。

金屬磁記憶;應(yīng)力集中;疲勞損傷;低周疲勞;磁信號

金屬磁記憶技術(shù)(MMM）是由俄羅斯學(xué)者Doubov于 1997年提出的一種新的損傷檢測及表征方法,其基本原理是處于地磁環(huán)境下的鐵磁構(gòu)件受工作載荷的作用,其內(nèi)部會(huì)發(fā)生具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向的和不可逆的重新取向,并在應(yīng)力與變形集中區(qū)形成的漏磁場切向分量 Hp(x）具有最大值,法向分量 Hp(y）改變符號且具有零值點(diǎn),這種磁狀態(tài)的不可逆變化在工作載荷消除后繼續(xù)保留,從而通過漏磁場法向分量 Hp(y）的測定,便可推斷工件的應(yīng)力集中和損傷部位[1,2]。

疲勞破壞是航空關(guān)鍵構(gòu)件失效的主要形式之一,據(jù)統(tǒng)計(jì) 70%～80%是屬于疲勞斷裂失效,危害性很大。傳統(tǒng)的無損檢測方法可有效檢測已發(fā)展成形的宏觀缺陷,避免工程應(yīng)用中各種危害性事故的發(fā)生。但是,對于在役金屬設(shè)備及構(gòu)件的疲勞早期損傷,特別是尚未形成微裂紋的隱性損傷,難以實(shí)施有效的評價(jià)。

金屬磁記憶技術(shù)因具有對金屬鐵磁構(gòu)件疲勞損傷進(jìn)行早期檢測及表征的潛力而受到國內(nèi)外學(xué)者極大關(guān)注,并開展了較多地研究工作[3～7]。但是,由于發(fā)展時(shí)間較短,目前國內(nèi)對金屬磁記憶技術(shù)的研究主要集中在磁記憶理論機(jī)理、磁變化規(guī)律、信號處理等方面。而對于構(gòu)件低周疲勞損傷磁記憶檢測方面的研究開展較少。

本工作針對缺口平板試件,進(jìn)行三級應(yīng)力水平低周疲勞試驗(yàn)和磁信號檢測,研究應(yīng)力集中、疲勞損傷及疲勞應(yīng)力對磁信號的影響規(guī)律,探討在低周疲勞條件下采用金屬磁記憶方法對構(gòu)件進(jìn)行疲勞損傷檢測的參數(shù)與判據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)選用 18CrNi4A鋼,該鋼經(jīng)淬火(810～830℃,1h,油冷）及低溫回火 (170～190℃,2h,空冷）后,具有良好的綜合性能,材料力學(xué)性能見表 1。疲勞試件形式及尺寸見圖 1,缺口應(yīng)力集中系數(shù) Kt=3。試件的初始磁信號受機(jī)械加工、熱處理狀態(tài)和運(yùn)輸條件等各種因素的影響較大,為了消除材料本身磁性對結(jié)果的影響,試驗(yàn)前對試件進(jìn)行感應(yīng)退磁處理。

表1 試驗(yàn)材料拉伸性能Table 1 Tensile properties of 18CrNi4A

圖1 Kt=3缺口疲勞試件尺寸及磁信號檢測線Fig.1 Scheme ofnotched fatigue specimens and testing lines ofMMM signals

疲勞試驗(yàn)前,利用 ANSYS軟件對試件在拉應(yīng)力作用下的應(yīng)力分布進(jìn)行彈塑性有限元分析,從而根據(jù)有限元分析結(jié)果對磁記憶檢測結(jié)果進(jìn)行力磁效應(yīng)分析。有限元分析選取拉應(yīng)力載荷為 64kN。

疲勞試驗(yàn)選用應(yīng)力控制,三級應(yīng)力水平,每級應(yīng)力各選擇兩試件進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。三級疲勞應(yīng)力最大值 Smax分別為 0.93σ0.2,0.76σ0.2,0.58σ0.2,正弦波形,應(yīng)力比 R=0.1,加載頻率 f=3。磁信號檢測跟蹤試件從未加載直至斷裂的整個(gè)過程的磁信號 Hp(y）的變化。檢測方式采用離線檢測,采用三維電控平移臺(tái)帶動(dòng)磁信號檢測探頭,以 10mm/s的移動(dòng)速率和 0.5mm提離高度,沿試件上所標(biāo)的三條檢測通道從 A(北）到 B(南）進(jìn)行。磁信號檢測通道長為 60mm,見圖 1虛線所示。疲勞裂紋萌生過程采用長焦距顯微鏡實(shí)時(shí)觀察。

疲勞試驗(yàn)在美國 MTS810型液壓伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,磁信號檢測采用 EMS2003型智能磁記憶檢測儀。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 受力狀態(tài)有限元分析

有限元分析得到的試件加載后表面應(yīng)力分布狀態(tài)如圖 2?？梢?疲勞加載后,2,3檢測通道中心對應(yīng)的缺口根部由于存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中,應(yīng)力最大,在疲勞應(yīng)力的作用下,該處將首先產(chǎn)生損傷并萌生疲勞裂紋。1檢測通道中心對應(yīng)處無明顯的應(yīng)力集中,應(yīng)力較小。

2.2 應(yīng)力集中對磁信號的影響

有限元分析結(jié)果表明,在疲勞應(yīng)力作用下,2,3通道中心所對應(yīng)的缺口根部應(yīng)力集中嚴(yán)重,因此,2,3通道和 1通道磁信號的差異,即體現(xiàn)了應(yīng)力集中程度不同對磁信號的影響。

圖2 有限元分析試件表面應(yīng)力分布Fig.2 Stress distribution of specimen by finite element analysis

圖3給出了疲勞加載前后 1～3通道磁信號 Hp(y）曲線變化特征,可見,疲勞循環(huán)加載前,無應(yīng)力集中的 1通道 Hp(y）曲線平滑,無突變特征,2,3通道 Hp(y）曲線在應(yīng)力集中嚴(yán)重的缺口根部存在幅度較小的突變特征,各通道 Hp(y）曲線均無過零點(diǎn)。疲勞加載后,各通道磁信號值均明顯改變,但 1通道Hp(y）曲線仍然平滑,無突變特征,2,3通道 Hp(y）曲線在缺口根部突變程度顯著增加,并且,各通道Hp(y）曲線均出現(xiàn)過零點(diǎn)。

圖3 Smax=0.93σ0.2試件各通道磁信號變化Fig.3 MMM signal variation ofevery line in the process of fatigue testing

鐵磁材料在外載荷的作用下,內(nèi)部磁化強(qiáng)度方向發(fā)生變化,并基于材料內(nèi)部的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),空洞形核且長大,最后與疇壁一起聚合,使得在內(nèi)部應(yīng)力集中或損傷處形成磁荷,并在構(gòu)件表面形成漏磁場(磁信號）,從而在應(yīng)力集中或損傷處的力-磁效應(yīng)表現(xiàn)為漏磁場水平分量 Hp(x）具有最大值,而垂直分量Hp(y）改變符號并具有過零點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,在缺口根部應(yīng)力集中處(損傷處）,磁信號 Hp(y）曲線出現(xiàn)過零點(diǎn),與磁記憶檢測的基本原理一致[8]。另一方面,磁信號 Hp(y）曲線在應(yīng)力集中處(損傷處）還表現(xiàn)出突變的特征。

2.3 疲勞損傷程度對磁信號的影響

三級疲勞應(yīng)力水平下,各試件磁信號具有相同的變化規(guī)律。同時(shí),各試件的 2,3通道磁信號隨循環(huán)周次的變化規(guī)律相同。

圖4給出了 Smax=0.76σ0.2條件下試件 1,3通道磁信號隨循環(huán)周次的變化。由圖 4可見,不管是在無應(yīng)力集中的 1通道,還是在存在嚴(yán)重應(yīng)力集中的 3通道,經(jīng)過 1次循環(huán)后,試件磁信號即與初始磁信號有很大差異,磁信號最大值 Hp(y）max和最小值Hp(y）min絕對值均急劇增加,Hp(y）曲線出現(xiàn)過零點(diǎn)。在穩(wěn)定循環(huán)階段,磁信號隨疲勞循環(huán)周次增加無顯著改變,直至疲勞裂紋萌生后,Hp(y）max和 Hp(y）min絕對值逐漸增大,斷裂后發(fā)生激變,在斷口處形成正負(fù)磁極。圖 5給出 1,3通道 Hp(y）max值、Hp(y）min值和 Hp(y）sub(=Hp(y）max-Hp(y）min）與循環(huán)周次的關(guān)系?？梢?隨著疲勞損傷程度的增加,各通道 Hp(y）max,Hp(y）min和 Hp(y）sub的絕對值均逐漸增大。

圖4 Smax=0.76σ0.2試件 1、3通道磁信號隨循環(huán)周次變化 (a）1通道;(b）3通道Fig.4 MMM signal variation in the process of fatigue testing (a）1 line;(b）3 line

從磁信號過零點(diǎn)看,1,3通道過零點(diǎn)均與試件斷裂位置不完全吻合,存在一定距離的偏離,這一特征在無應(yīng)力集中的 1通道更為明顯。而這與目前磁記憶技術(shù)采用過零點(diǎn)判定應(yīng)力集中和損傷位置的評價(jià)準(zhǔn)則并不完全一致[9]。但是,通過不同循環(huán)周次磁信號 Hp(y）曲線出現(xiàn)過零點(diǎn)位置變化可知,隨著疲勞循環(huán)周次增加,過零點(diǎn)位置向試件斷裂處靠近(見圖 4）,由此可見,疲勞損傷越嚴(yán)重,磁信號過零點(diǎn)越能準(zhǔn)確的表征試件損傷位置。

圖5 Smax=0.93σ0.2試件 1,3通道磁信號 Hp(y）max,Hp(y）min及 Hp(y）sub值隨循環(huán)周次變化Fig.5 Variation of the MMM signal Hp(y）max,Hp(y）min andHp(y）sub in the process of fatigue testing

應(yīng)用磁信號梯度對試件的應(yīng)力集中和損傷狀態(tài)進(jìn)行評價(jià),梯度計(jì)算公式為:

式中:ΔHp(y）為磁信號檢測線上相鄰兩個(gè)檢測點(diǎn)間的 Hp(y）值之差;Δx為相鄰兩個(gè)磁信號檢測點(diǎn)間的距離。

三級應(yīng)力水平下,各試件磁信號梯度具有相同的變化規(guī)律。圖 6給出了 Smax=0.76σ0.2條件下試件 1,3通道磁信號梯度 K曲線。由圖 6可見,1通道 K曲線在試件缺口兩側(cè)對應(yīng)處存在多個(gè)波動(dòng)峰值,無明顯的異變峰值(最大磁信號梯度 Kmax值）。3通道 K曲線在試件缺口對應(yīng)處存在異變峰值(Kmax值）,Kmax值顯著增加。由此可見,磁信號梯度K曲線異變峰值出現(xiàn)位置可準(zhǔn)確表征試件損傷位置。

提取各檢測循環(huán)周次磁信號梯度 K曲線最大值 Kmax,得到 Kmax值隨循環(huán)周次變化關(guān)系,見圖 7。由圖 7可見,1通道 Kmax絕對值較小,并且在整個(gè)疲勞過程中變化不大;疲勞裂紋首先萌生的 3通道Kmax絕對值較大,并可分為三階段,第一階段為 Kmax絕對值快速增長階段,即在疲勞試驗(yàn)開始的 100周次左右,其值快速增大,這階段對應(yīng)材料的循環(huán)軟化階段;當(dāng)進(jìn)入材料穩(wěn)定循環(huán)階段后,Kmax絕對值基本保持穩(wěn)定,為第二階段;裂紋萌生后,Kmax絕對值逐漸增大,直至斷裂前的激增,為第三階段。由此可見,磁信號梯度 Kmax絕對值隨疲勞損傷程度的加劇而逐漸增加,反映了構(gòu)件損傷程度。因此,通過 Kmax值的變化特征,可準(zhǔn)確判定構(gòu)件損傷程度。

圖6 Smax=0.76σ0.2試件 1,3通道磁信號梯度 K曲線變化(4300周次） (a）1通道;(b）3通道Fig.6 Variation of the MMM signal K curve in the process of fatigue testing (a）1 line;(b）3 line

圖7 Smax=0.76σ0.2試件 1,3通道磁信號梯度 Kmax隨循環(huán)周次變化Fig.7 Variation of the MMM signal feature parameter Kmax in the process of fatigue testing

2.4 疲勞應(yīng)力對磁信號的影響

磁信號 Hp(y）sub值表征了磁信號的變化特征,圖 8給出了三級應(yīng)力水平下磁信號 Hp(y）sub值隨循環(huán)周次的關(guān)系。由圖 8可見,Hp(y）sub值大小與應(yīng)力水平存在強(qiáng)烈的相關(guān)性。應(yīng)力水平越大,Hp(y）sub值也越大,而同一級應(yīng)力水平下的 Hp(y）sub值基本相當(dāng)。并且,不同應(yīng)力水平下 Hp(y）sub值的差值與疲勞應(yīng)力差值呈正比。由此可見,磁信號 Hp(y）sub可準(zhǔn)確表征構(gòu)件的受力歷程。

圖8 各疲勞應(yīng)力水平下 Hp(y）sub值隨疲勞循環(huán)周次變化Fig.8 Variation of theMMM signal Hp(y）sub under three different fatigue stresses in the process of fatigue testing

疲勞應(yīng)力大小還強(qiáng)烈影響磁信號 Hp(y）曲線過零點(diǎn)位置,應(yīng)力越大,Hp(y）曲線過零點(diǎn)偏離試件斷裂位置越小,見圖 9。這與 Hp(y）曲線過零點(diǎn)位置與疲勞損傷程度相關(guān)具有一致性。

對磁信號 Hp(y）曲線按如下方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,得到處理后的磁信號 H′p(y）曲線。

式中:H′p(y）為處理后的磁信號值;Hp(y）N為第 N次疲勞循環(huán)磁信號值;Hp(y）0為未疲勞循環(huán)時(shí)磁信號值。

數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明,處理后,在不同的應(yīng)力集中程度和疲勞應(yīng)力水平下,磁信號過零點(diǎn)與試件斷裂位置基本完全重合,偏離距離很小。由此可見,采用該方法對磁信號進(jìn)行處理,磁信號過零點(diǎn)準(zhǔn)則判定應(yīng)力集中和損傷位置更為準(zhǔn)確有效,這與文獻(xiàn)[10]的研究結(jié)果一致。圖 10給出了 Smax=0.78σ0.2條件下試件磁信號處理后 1,3通道 H′p(y）曲線過零點(diǎn)位置。

3 結(jié)論

(1）疲勞循環(huán)后,在試件應(yīng)力集中和損傷處,磁信號 Hp(y）曲線存在突變特征。利用該突變特征,可表征試件損傷位置。

(2）疲勞循環(huán)后,磁信號 Hp(y）曲線出現(xiàn)過零點(diǎn),采用 H′p(y）=Hp(y）N-Hp(y）0的磁信號處理方式,磁信號 H′p(y）曲線過零點(diǎn)與試件斷裂位置重合。處理后的磁信號過零法可更有效的表征試件損 傷位置。

3 ）在試件疲勞損傷處,磁信號梯度 K曲線出現(xiàn)異變峰值(Kmax值）。利用異變峰特征,可表征試件損傷位置。

4 ）磁信號梯度 Kmax值隨疲勞損傷程度的增加而逐漸增加,反映了構(gòu)件疲勞損傷程度。磁信號梯度Kmax值的變化可表征試件疲勞損傷程度。

5 ）磁信號 Hp(y）sub值與疲勞應(yīng)力水平存在強(qiáng)烈的相關(guān)性,應(yīng)力水平越大,Hp(y）sub值也越大。磁信號 Hp(y）sub值可表征試件的受力歷程。

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Test Research on Low-Cycle Fatigue Damage of Parts by MetalMagnetic Memory Methods

LIUChang-kui1,CHEN Xing1,ZHANG Bing1,REN Ji-lin2,DONG Shi-yun3,TAO Chun-hu1
(1.AVIC Failure Analysis center,Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China;2.Nanchang hangkong university,Nanchang 330063,China;3.National Key Laboratory for Remanufacturing,Academy of Armord Forces Engineering,Beijing 100072,China）

Low-cycle fatigue tests of notched 18CrNi4A steel specimenswere carried out under three different fatigue stresses,andmetalmagnetic memory(MMM）signalswere detected.The effects of stress concentration,fatigue damage and fatigue stress on the MMM signalswere investigated.The results show that fatigue-damaged locations can be predicated effectively according to the mutational characters of theMMM signal Hp(y）curveand K curve.It is found that the zero-crossing points of the MMM signal H′p(y）curve(H′p(y）=Hp(y）N-Hp(y）0）have the same positionsas the fracture points,so it can be concluded that fatigue-damaged locations can be predicated more effectively by zero-crossing points.The absolute value of the MMM signal feature parameter Kmaxincreaseswith the aggravation of the fatigue damage.The fatigue damage can be assessed effectively by the value of Kmax.In addition,there is an inherent relationship between the fatigue stress and the MMM signal feature parameters Hp(y）max,Hp(y）minand Hp(y）sub;the larger the fatigue stress is,the larger the absolute values of the feature parameters are.

metalmagneticmemorymethods;stress concentration;fatigue damages;low-cycle fatigue;magnetic signal

10.3969/j.issn.1005-5053.2010.1.014

TG115.28

A

1005-5053(2010）01-0072-06

2009-08-21;

2009-10-12

北京航空材料研究院基金項(xiàng)目(KF74081701）;教育部無損檢測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(ZD 200729012）;國防科技工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)科研資助項(xiàng)目(2006036）

劉昌奎(1976—）,男,工程師,博士研究生,主要從事磁記憶檢測技術(shù)、材料損傷及失效分析研究,(E-mail）changkuiliu621@sohu.com。