金屬磁記憶累積機(jī)理

王海濤 ,劉 平 ,田貴云,2,王 平,姚恩濤,楊雅榮,周德強(qiáng)

(1.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,南京 210016;2.紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)N EI 7RU,英國(guó))

傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法(如渦流、超聲等)只能檢測(cè)出已發(fā)展成形的缺陷,而不能發(fā)現(xiàn)和預(yù)測(cè)將要發(fā)生的缺陷,且對(duì)在役金屬設(shè)備及構(gòu)件的早期損傷,特別是尚未成形的隱性不連續(xù)性變化難以實(shí)施有效的評(píng)價(jià)[1]。1997 年由俄羅斯動(dòng)力診斷公司杜波夫教授提出的金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的不足。該技術(shù)借助于金屬內(nèi)部各種微觀缺陷和應(yīng)力分布在地球磁場(chǎng)中的“被動(dòng)”反應(yīng)特性,通過(guò)拾取鐵磁表面產(chǎn)生的固有漏磁場(chǎng)(SMFL)的分布來(lái)確定應(yīng)力集中的部位,因此真正具有對(duì)鐵磁性金屬構(gòu)件損傷進(jìn)行早期診斷的能力。由于金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)只能對(duì)鐵磁性試件存在的缺陷進(jìn)行定性評(píng)估,因此還需借助其它手段進(jìn)行定量。目前磁測(cè)殘余應(yīng)力法中,巴克豪森法是比較成熟的手段。它具有靈敏度高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。因此筆者在循環(huán)加載鐵磁試件前,首先利用巴克豪森法對(duì)應(yīng)力進(jìn)行定量,以驗(yàn)證金屬磁記憶技術(shù)檢出結(jié)果的可靠性,并為進(jìn)一步的試驗(yàn)提供說(shuō)明。

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)圖

1 試驗(yàn)平臺(tái)及相關(guān)設(shè)備

循環(huán)加載是在如圖1 所示的試驗(yàn)平臺(tái)上,進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。循環(huán)載荷等級(jí)分50,100,150,200,250,300,350,400 和475 N,同一載荷每循環(huán)加載20 次測(cè)量一次。

試件選用Q235 號(hào)鋼,試件尺寸為70 cm×3 cm×0.55 cm。根據(jù)力學(xué)理論,試件在A-B段上所受載荷是均勻分布。為了能在A-B段產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,根據(jù)帶偶極子模型,在試件中心開了一個(gè)小槽(0.1 cm×30 cm×0.2 cm)。

2 試驗(yàn)前處理

圖2 是循環(huán)加載前所檢測(cè)的試件上的殘余磁場(chǎng)的分布(未抵消地磁,未作濾波處理)。

圖2 加載前試件上金屬磁記憶信號(hào)

根據(jù)金屬磁記憶的循環(huán)累積機(jī)理和磁偶極子模型,檢出的垂直分量的峰-峰值應(yīng)該關(guān)于零點(diǎn)對(duì)稱,水平分量應(yīng)該關(guān)于中心對(duì)稱,而圖2 所示各分量并沒有出現(xiàn)理想的對(duì)稱波形,為進(jìn)一步的特征提取乃至定性帶來(lái)了干擾。而目前特征值提取都建立在標(biāo)準(zhǔn)波形的基礎(chǔ)之上,因此進(jìn)一步了解金屬磁記憶累積機(jī)理顯得相當(dāng)必要。實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中并不具備對(duì)試件先進(jìn)行均勻微觀組織和消除殘余磁場(chǎng)的條件,因此檢測(cè)出的金屬磁記憶信號(hào)記錄的很可能是裂紋尖端的應(yīng)力集中及其它缺口效應(yīng)造成的應(yīng)力集中導(dǎo)致的固有漏磁場(chǎng)的相互疊加。如要了解累積過(guò)程,就需要進(jìn)一步確定應(yīng)力集中的位置和消除相鄰缺陷間的干擾。為此,筆者首先對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行一階微分處理,處理后的波形如圖3 所示。

圖3 一階微分后金屬磁記憶信號(hào)

為了驗(yàn)證金屬磁記憶檢測(cè)結(jié)果的可靠性和為了解金屬磁記憶的累積過(guò)程,選擇使用磁巴克豪森法(M BN)進(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)[2] 表明,磁巴克豪森法噪聲信號(hào)的均方根和平均值與MBN 信號(hào)強(qiáng)度有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,為此提取M BN 信號(hào)的均方根和平均值作為特征值來(lái)標(biāo)定載荷與巴克豪森強(qiáng)度之間的關(guān)系。首先在尺寸、材質(zhì)相同的無(wú)缺陷試件上進(jìn)行試驗(yàn),得出MBN 信號(hào)強(qiáng)度與載荷的對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)試驗(yàn)擬合出來(lái)均方根與載荷對(duì)應(yīng)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式為:

殘差:0.003 337 16

平均值與載荷對(duì)應(yīng)關(guān)系為:

殘差:0.001 044 44

圖4 是MBN 信號(hào)強(qiáng)度與應(yīng)力對(duì)應(yīng)關(guān)系。零點(diǎn)位置為缺陷中心,正值為試件右段,負(fù)值為試件左段?？紤]磁化器尺寸和其它影響因素,選擇檢測(cè)范圍為[-12 cm ,12 cm] 。在缺陷中心,M BN 信號(hào)強(qiáng)度較小,可見缺陷對(duì)M BN 的信號(hào)具有一定的影響。在缺陷右端3 cm 位置和缺陷左端12 cm 的位置,應(yīng)力值明顯比較大。到目前為止,金屬磁記憶雖不能定量檢測(cè)出應(yīng)力的大小,但它可以檢測(cè)出應(yīng)力集中的狀態(tài)。

圖4 MBN 信號(hào)強(qiáng)度分布曲線

通過(guò)巴克豪森法對(duì)應(yīng)力的定量,結(jié)合金屬磁記憶微分后的波形,均顯示原始試件上存在兩處應(yīng)力集中區(qū)。微分之后的曲線波形和原來(lái)的曲線波形有一定的差異且更能反映位置與磁記憶信號(hào)的對(duì)應(yīng)信息。以往的一系列試驗(yàn)表明,將微分技術(shù)引入對(duì)金屬磁記憶的信號(hào)處理中,在裂紋尖端區(qū)域金屬磁記憶信號(hào)會(huì)發(fā)生畸變,而往往此處即為應(yīng)力集中區(qū)。

3 循環(huán)加載試驗(yàn)

金屬磁記憶信號(hào)嚴(yán)格意義上講屬于不平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào),檢出的信號(hào)中很容易引進(jìn)一些短促的干擾信號(hào)和無(wú)意義的野值點(diǎn)。為了消除干擾,首先選用漢寧窗進(jìn)行數(shù)字平滑以剔除數(shù)據(jù)中可能出現(xiàn)的干擾,其次應(yīng)用小波去噪技術(shù)分析金屬磁記憶信號(hào),去除高頻噪聲以提高信噪比。但從試驗(yàn)?zāi)康某霭l(fā)和為了了解循環(huán)加載中磁場(chǎng)的累積過(guò)程,筆者更關(guān)注的是磁記憶信號(hào)的幅值和整體波形的變化。

根據(jù)試驗(yàn)平臺(tái)和試件材料屬性參數(shù),計(jì)算得出施加載荷達(dá)425 N 時(shí),試件進(jìn)入屈服狀態(tài)。試驗(yàn)中循環(huán)加載分別在彈性范圍和塑性范圍兩個(gè)階段進(jìn)行,試驗(yàn)所得各檢測(cè)曲線均是將試件東西擺放,按照同一路徑(A-B)進(jìn)行檢測(cè)。由于是手動(dòng)移動(dòng)檢測(cè)探頭,不能保證移動(dòng)速度均勻且缺乏定位手段,因此以下各圖并不反映具體某點(diǎn)在不同載荷下的磁場(chǎng)變化趨勢(shì)。

圖5 峰-峰值與載荷對(duì)應(yīng)曲線

圖6 循環(huán)加載在彈性范圍內(nèi)的磁記憶信號(hào)

3.1 彈性范圍

圖5 為峰-峰值與對(duì)應(yīng)載荷曲線。彈性范圍內(nèi)循環(huán)加載部分檢測(cè)曲線如圖6 所示。根據(jù)循環(huán)加載試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)出如下幾條規(guī)律:

(1)圖5 顯示,信號(hào)波形的峰-峰值隨著加載次數(shù)和載荷的增大而減小。基于四點(diǎn)彎曲加載平臺(tái),結(jié)合文獻(xiàn)[3]應(yīng)力能公式可知,金屬磁記憶信號(hào)與壓應(yīng)力成反比,隨著載荷和循環(huán)次數(shù)的增大,起測(cè)點(diǎn)的幅值會(huì)有所減小。

(2)同一載荷下,通過(guò)增大循環(huán)次數(shù),金屬磁記憶信號(hào)的峰-峰值有變小的趨勢(shì),體現(xiàn)出金屬磁記憶的累積效應(yīng);當(dāng)載荷增大,增大循環(huán)次數(shù),金屬磁記憶的累積效應(yīng)相對(duì)較小載荷條件下的累積效應(yīng)更明顯?；诒驹囼?yàn)平臺(tái),無(wú)論在大載荷還是小載荷條件下,金屬磁記憶信號(hào)的整體波形基本保持不變。

(3)在不同載荷和增加循環(huán)次數(shù)的條件下,金屬磁記憶信號(hào)的正峰值(右半段)下降趨勢(shì)比較緩慢,而負(fù)峰值(左半段)的下降趨勢(shì)相當(dāng)明顯。從金屬磁記憶的檢測(cè)曲線結(jié)合MBN 檢測(cè)曲線可以看出,試件的右半段應(yīng)力分布比較均勻而左半段應(yīng)力分布比較雜亂,因此可以合理地推斷試件右半段的微觀組織分布相對(duì)比較均勻,而左半段則位錯(cuò)密度相對(duì)較高。當(dāng)加載在彈性范圍之內(nèi),根據(jù)磁記憶的能量躍遷原理,可以作出如下解釋:

動(dòng)態(tài)應(yīng)力的存在,根據(jù)磁機(jī)械效應(yīng),會(huì)使試件產(chǎn)生一部分形變,從而提高內(nèi)部應(yīng)力能。

為了減小總的自由能,會(huì)通過(guò)磁致伸縮和磁疇壁的翻轉(zhuǎn)來(lái)提高磁彈性能,從而達(dá)到能量最小,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。對(duì)于內(nèi)部微觀組織分布均勻且加載在彈性范圍之內(nèi)的鐵磁體,當(dāng)外力撤除之后會(huì)恢復(fù)形變,應(yīng)力能的減小會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)磁彈性能的減小。而對(duì)于結(jié)構(gòu)組織分布不均勻的鐵磁材料,當(dāng)施加的載荷較小時(shí),由于應(yīng)力集中區(qū)的存在,會(huì)阻止磁疇的翻轉(zhuǎn),從而在應(yīng)力集中之處產(chǎn)生塞積。隨著載荷的增大或循環(huán)次數(shù)的增加,會(huì)造成應(yīng)力的增加,這些塞積之處會(huì)不斷地被突破,能量會(huì)由一個(gè)狀態(tài)躍遷到另一個(gè)狀態(tài)。當(dāng)外應(yīng)力撤除之后,這些磁疇沒有足夠的能量進(jìn)行翻轉(zhuǎn)恢復(fù)到原始狀態(tài)。因此,對(duì)于磁疇組織分布不均勻之處,除非再次獲得足夠大的能量使磁疇發(fā)生反轉(zhuǎn),否則磁信號(hào)便會(huì)發(fā)生畸變。圖6(d)所示檢出信號(hào)曲線的左半段已不再平滑且出現(xiàn)了多處拐點(diǎn),可知試件左半段在循環(huán)加載時(shí),組織結(jié)構(gòu)變化較劇烈。

(4)從圖5 中可以看出,信號(hào)波形的峰-峰值隨著載荷的增大而減小。開始時(shí)下降的幅度比較大,到200 N 左右時(shí)峰-峰值下降的趨勢(shì)開始變得緩慢,當(dāng)在400 N 循環(huán)加載時(shí)(接近屈服極限),峰-峰值變化很小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因解釋是:

隨著載荷的提高,原有的磁疇結(jié)構(gòu)會(huì)不斷地崩潰,而新的應(yīng)力集中區(qū)會(huì)形成,位錯(cuò)滑移增加,從而提高位錯(cuò)的密度,此處的磁阻增加,從而使磁疇的翻轉(zhuǎn)變得更為困難。

3.2 塑性范圍

當(dāng)循環(huán)加載在塑性范圍區(qū)時(shí)(施加載荷為500 N,應(yīng)力約250 M Pa),可以看到磁記憶信號(hào)的峰-峰值基本保持不變,但磁記憶信號(hào)的波形(圖7)已經(jīng)變得相當(dāng)不平滑。即當(dāng)加載到塑性范圍區(qū)時(shí),內(nèi)部的微觀組織位錯(cuò)密度急劇增加,相應(yīng)的磁導(dǎo)率會(huì)減小,磁阻會(huì)增大,從而在內(nèi)部產(chǎn)生很高的應(yīng)力能。若此時(shí)繼續(xù)增大循環(huán)次數(shù),將導(dǎo)致試件的斷裂,從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)力能的釋放。

圖7 循環(huán)加載在塑性區(qū)的磁記憶信號(hào)

4 退火試件驗(yàn)證

為了驗(yàn)證以上解釋,使用相同材質(zhì)、尺寸的試件(經(jīng)過(guò)退火處理),在該試驗(yàn)平臺(tái)上同樣做循環(huán)加載試驗(yàn)。因未做退火處理的試件微觀組織分布會(huì)相對(duì)不均勻,在四點(diǎn)彎曲的試驗(yàn)中,為了能更多地把握循環(huán)加載過(guò)程中各個(gè)位置磁場(chǎng)變化的細(xì)節(jié)信息,因此選擇對(duì)其采用連續(xù)波形采集。而對(duì)做過(guò)退火處理的試件微觀組織分布相對(duì)較均勻,因此試驗(yàn)中采取定點(diǎn)檢測(cè)的方法,圖8 是部分試驗(yàn)所得曲線。

可以看出,經(jīng)過(guò)退火處理后,試件上的殘余應(yīng)力分布較均勻。當(dāng)循環(huán)加載后,金屬磁記憶的信號(hào)強(qiáng)度隨著壓應(yīng)力的增加而減小。就幅值而言,并未出現(xiàn)法向的規(guī)則波形,但兩端的磁場(chǎng)變化基本上均勻,并未出現(xiàn)類似未對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行退火前,只有負(fù)峰值變化劇烈的情況。

圖8 退火試件的循環(huán)加載

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)際檢測(cè)中,無(wú)法對(duì)試件先進(jìn)行退火處理以達(dá)到均勻微觀組織結(jié)構(gòu)的目的,檢出結(jié)果往往可能是互相之間累積與疊加。將金屬磁記憶技術(shù)與巴克豪森噪聲法結(jié)合起來(lái),可實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),可同時(shí)定性和定量地對(duì)試件上的殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),對(duì)未經(jīng)過(guò)均勻組織處理的鐵磁材料的金屬磁記憶信號(hào)作微分處理,可以更準(zhǔn)確地反映出應(yīng)力集中的狀態(tài)。金屬磁記憶的信號(hào)隨著拉應(yīng)力的增大而增大。同一壓力載荷下,增大循環(huán)次數(shù),金屬磁記憶信號(hào)的峰-峰值有變小的趨勢(shì);當(dāng)載荷增大,增大循環(huán)次數(shù),金屬磁記憶的累積效應(yīng)相對(duì)較小載荷條件下的累積效應(yīng)更明顯。實(shí)際檢測(cè)出的金屬磁記憶信號(hào)波形有可能不對(duì)稱,產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因是峰值較大的一側(cè),微觀組織結(jié)構(gòu)分布相較更不均勻,或可以說(shuō)波形峰值較大的一側(cè)位錯(cuò)更為密集,即此側(cè)已存在應(yīng)力集中區(qū)。

[1] 林俊明, 林春景, 林發(fā)炳.基于磁記憶效應(yīng)的一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[J] .無(wú)損檢測(cè),2000,22(7):297-299.

[2] Wilson J W, Tian Gui Yun, Barrans Simon.Residual magnetic field sensing for stress measurement[J] .Sensors and Actuators,2007(A135):381-387.

[3] 任吉林, 林俊明.金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)[M] .北京:中國(guó)電力出版社, 2000.