強(qiáng)化磁激勵(lì)條件下磁記憶檢測(cè)試驗(yàn)研究*

(北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

壓力容器等高壓承載構(gòu)件，在脈動(dòng)性交變載荷以及應(yīng)力腐蝕等多種因素作用下，容易產(chǎn)生微觀缺陷和隱性不連續(xù)損傷。這種微觀缺陷如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，在極限狀態(tài)下會(huì)很快發(fā)展至宏觀裂紋失穩(wěn)階段，導(dǎo)致失效、斷裂、爆炸等嚴(yán)重事故。

傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法(超聲、磁粉、滲透、渦流和X射線等)僅能檢測(cè)出已形成的宏觀缺陷，對(duì)應(yīng)力集中造成的早期微觀損傷卻無(wú)能為力[1]，因而不能完全杜絕惡性事故的發(fā)生。金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)(metal magnetic memory testing, MMMT)是由俄羅斯學(xué)者Dubov于1997年提出的一種新的損傷檢測(cè)及表征方法，它是基于鐵磁材料的力-磁效應(yīng)，當(dāng)鐵磁構(gòu)件受到微弱的地磁場(chǎng)(約40 A/m)激勵(lì)和載荷共同作用時(shí)，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)形成泄漏磁場(chǎng)，通過(guò)對(duì)泄漏磁場(chǎng)的檢測(cè)可以對(duì)構(gòu)件的應(yīng)力集中部位進(jìn)行可靠、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，從而達(dá)到早期損傷檢測(cè)的目的[2]。

然而，由于磁記憶檢測(cè)屬于地磁場(chǎng)作用下的弱磁檢測(cè)方法，微缺陷的檢出信息較弱，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)易受退磁場(chǎng)差異、微觀組織分布、熱處理狀態(tài)等干擾因素影響，在很多情況下檢測(cè)結(jié)果嚴(yán)重失真，甚至依據(jù)檢測(cè)結(jié)果難以得出有效結(jié)論；這些問題成為制約金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)工程化推廣應(yīng)用的主要障礙[3-4]。

本文對(duì)典型壓力容器用鋼16MnR平板試件進(jìn)行拉-拉疲勞試驗(yàn)，設(shè)計(jì)并制作了勵(lì)磁裝置與巨磁阻傳感器，采集微損傷發(fā)展過(guò)程中應(yīng)力集中區(qū)域的漏磁場(chǎng)切向分量值，在已經(jīng)開展的相關(guān)研究工作基礎(chǔ)上，探討通過(guò)適當(dāng)加強(qiáng)外場(chǎng)穩(wěn)恒弱磁激勵(lì)的方法，抑制雜散干擾磁場(chǎng)的影響，突出、強(qiáng)化磁記憶信號(hào)，提高檢測(cè)系統(tǒng)靈敏度，改善檢測(cè)效果，為提高鐵磁試件的疲勞損傷檢測(cè)效果提供新的技術(shù)途徑。

1 弱磁激勵(lì)下檢測(cè)系統(tǒng)靈敏度分析

磁記憶效應(yīng)是一種穩(wěn)恒地磁場(chǎng)作用下的磁機(jī)械效應(yīng)。從廣義的角度看，應(yīng)力和磁場(chǎng)之間相互耦合而使鐵磁性材料的磁性能、磁化過(guò)程等發(fā)生的一系列相關(guān)變化都可以稱為磁機(jī)械效應(yīng)[5]。

根據(jù)Jiles等人的磁有效場(chǎng)概念，磁記憶檢測(cè)系統(tǒng)信號(hào)，實(shí)際上是應(yīng)力作用下等效產(chǎn)生的磁有效場(chǎng)導(dǎo)致的磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化。因此，按照測(cè)試系統(tǒng)靈敏度概念，磁記憶檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度可定義為

(1)

式中：μ為磁導(dǎo)率；Heσ為載荷作用時(shí)被測(cè)試件的磁有效場(chǎng)；He0為載荷作用前被測(cè)試件的初始磁有效場(chǎng)；σ為載荷作用時(shí)試件所受應(yīng)力；σ0為載荷作用前試件上的初始?xì)堄鄳?yīng)力。針對(duì)具體試件，可以認(rèn)為He0和σ0為常數(shù)。

磁有效場(chǎng)Heσ可表示為[6]

(2)

因?yàn)榇胖律炜s系數(shù)λ關(guān)于磁化強(qiáng)度M=0對(duì)稱，在M值較小的情況下，可近似令

λ=bM2

(3)

則

(4)

其中，系數(shù)b可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。

根據(jù)Weiss分子場(chǎng)理論，在理想情況下，試樣的磁化強(qiáng)度M可以用修正的郎之萬(wàn)函數(shù)表示，并在磁場(chǎng)較小的情況下，磁化強(qiáng)度M可表示為[7]：

(5)

整理得：

(6)

磁有效場(chǎng)Heσ表示為：

(7)

由式(7)知，在應(yīng)力值σ一定的情況下，當(dāng)外激勵(lì)磁場(chǎng)H增加時(shí)，磁有效場(chǎng)Heσ增加。

在弱穩(wěn)恒磁場(chǎng)下，材料磁導(dǎo)率并不是常數(shù)，而是隨著外磁場(chǎng)增加會(huì)急劇增大。16MnR鋼的磁導(dǎo)率曲線如圖1所示[8]，在0～560 A/m外磁場(chǎng)激勵(lì)下，磁導(dǎo)率曲線急劇升高。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知[9]，地磁場(chǎng)H=40 A/m；MS=1.71×106 A/m；a=995 A/m；α=0.8×10-3；b=2.4×10-18(A/m)-2；μ0=4π×10-7H/m。通過(guò)計(jì)算可得，當(dāng)應(yīng)力值恒定，磁場(chǎng)由H=40 A/m增加到560 A/m時(shí)，靈敏度提高約30倍。

因此，在穩(wěn)恒弱磁激勵(lì)條件下，適當(dāng)增加激勵(lì)強(qiáng)度，會(huì)使得磁導(dǎo)率μ和磁有效場(chǎng)Heσ同時(shí)增加，從而使磁記憶檢測(cè)靈敏度得到顯著提高。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為16MnR鋼，它是一種重要的壓力容器用鋼，具有較高的強(qiáng)度和韌性，抗拉強(qiáng)度σb=549.9 MPa，屈服強(qiáng)度σs=398.0 MPa，主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)材料的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

在試件中間兩側(cè)邊緣處對(duì)稱預(yù)制加工2.5 mm的缺口，檢測(cè)區(qū)域?yàn)榫嘣嚰行膬蓚?cè)等距共60 mm范圍內(nèi)，如圖2所示。試驗(yàn)前在試件表面標(biāo)定一條掃描直線，沿該直線方向進(jìn)行掃描檢測(cè)，以保證獲取的檢測(cè)數(shù)據(jù)具有同向一致性。為了消除殘余應(yīng)力引起的表面不均勻剩磁，達(dá)到凈化初始磁信號(hào)的目的，可利用利用TC-50退磁器提前進(jìn)行退磁處理。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

設(shè)計(jì)并制作了可以在試件表面一端浮動(dòng)的直流勵(lì)磁裝置，在試件拉伸變形情況下仍可以施加有效磁化作用，如圖3所示。其主要由線圈、鐵芯、鉸接板等幾部分組成。通電流后，線圈、鐵芯、試件通過(guò)兩端的極靴形成了閉合的勵(lì)磁回路。

檢測(cè)系統(tǒng)主要包括巨磁阻傳感器探頭、處理電路、采集系統(tǒng)及數(shù)據(jù)后置處理，如圖4所示。探頭選用AA002-02型巨磁阻芯片，它對(duì)測(cè)量磁場(chǎng)具有很高的靈敏度，采用惠斯通電橋輸出模擬信號(hào)，最高持續(xù)工作溫度達(dá)125 ℃，具有較寬的線性輸出范圍，接近6 V的工作電壓，頻率響應(yīng)為0～1 MHz，通常在較低磁場(chǎng)情況下使用。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)試件進(jìn)行σmax=330 MPa，σmin=30 MPa的拉-拉疲勞試驗(yàn)，加載頻率f=1 Hz。試驗(yàn)分別在地磁場(chǎng)和外加磁場(chǎng)激勵(lì)條件下進(jìn)行，采用勵(lì)磁裝置產(chǎn)生外加激勵(lì)磁場(chǎng)，勵(lì)磁電流為0.01 A,計(jì)算得此時(shí)試件中的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.035T,而一般低碳鋼的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大于1T，因此所加外磁場(chǎng)屬于弱磁激勵(lì)范圍。試驗(yàn)過(guò)程中，探頭以10 mm/s的移動(dòng)速率在試件中部掃描，跟蹤試件從未加載直至斷裂的整個(gè)過(guò)程中漏磁場(chǎng)切向分量的變化。由于離裂紋尖端較遠(yuǎn)，此時(shí)得到的檢測(cè)結(jié)果應(yīng)該為試件中部由應(yīng)力集中區(qū)所產(chǎn)生的磁記憶信號(hào)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 激勵(lì)磁場(chǎng)對(duì)磁記憶信號(hào)的影響

分析檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盡管不同循環(huán)次數(shù)下磁記憶信號(hào)的幅值不同，但基本呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，將疲勞過(guò)程分為初始階段、中間階段與最后階段，每個(gè)階段選取具有代表性的一組檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析。

圖5為循環(huán)1 000周次，5 000周次，9 000周次時(shí)不同勵(lì)磁條件時(shí)的磁記憶信號(hào)曲線，橫坐標(biāo)為檢測(cè)距離，縱坐標(biāo)為GMR傳感器檢測(cè)的磁信號(hào)切向分量值。從宏觀角度看，在地磁場(chǎng)激勵(lì)條件下，循環(huán)1 000次后試件下側(cè)切口根部出現(xiàn)微裂紋，循環(huán)至5 000周次后裂紋生長(zhǎng)至約1 mm，9 000周次后生長(zhǎng)至2 mm左右，此時(shí)裂紋處試件寬度僅為11 mm。繼續(xù)拉伸至11 015周次時(shí)發(fā)生斷裂；外加磁場(chǎng)激勵(lì)條件下與地磁場(chǎng)激勵(lì)條件下的試件裂紋擴(kuò)展情況類似，循環(huán)至12 867次后發(fā)生斷裂。

在地磁場(chǎng)環(huán)境中，由于磁記憶信號(hào)受環(huán)境干擾因素影響較大，導(dǎo)致檢測(cè)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)異常峰，如圖5中地磁場(chǎng)激勵(lì)時(shí)的曲線，并且每個(gè)最大峰值出現(xiàn)的位置不集中，因此僅通過(guò)漏磁場(chǎng)切向分量出現(xiàn)峰值難以判斷應(yīng)力集中區(qū)域。采用勵(lì)磁裝置對(duì)試件進(jìn)行弱磁激勵(lì)后，磁記憶信號(hào)得到加強(qiáng)，外界干擾因素得到有效的抑制，此時(shí)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)有且只有一個(gè)異常峰，且每次異常峰的位置保持在30～33 mm之間，試驗(yàn)結(jié)果與圖2中試件預(yù)制缺陷處吻合，如圖5中外磁場(chǎng)激勵(lì)后的曲線。由此可得，通過(guò)適當(dāng)加強(qiáng)外場(chǎng)穩(wěn)恒弱磁激勵(lì)的方法，可以有效地抑制雜散干擾磁場(chǎng)，提高檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度，使檢測(cè)效果得到顯著改善。

3.2 循環(huán)周次對(duì)磁記憶信號(hào)的影響

圖6為試件在不同磁激勵(lì)條件下磁記憶信號(hào)幅值隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線。在地磁場(chǎng)激勵(lì)條件下，磁記憶信號(hào)的幅值范圍為100～900 mV，并且由于干擾因素的存在，幅值隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律性。在穩(wěn)恒弱磁激勵(lì)條件下，由于外加磁場(chǎng)的作用，磁記憶信號(hào)的幅值變化范圍為300～5 700 mV，并且外加弱磁激勵(lì)可以加強(qiáng)磁記憶信號(hào)，減小了干擾磁場(chǎng)影響。

磁記憶信號(hào)隨循環(huán)次數(shù)增加而逐漸增大，并且在疲勞過(guò)程的不同階段磁信號(hào)幅值的變化率不同，如圖6中外磁場(chǎng)激勵(lì)曲線。在循環(huán)應(yīng)力作用下，交變應(yīng)力使疇壁發(fā)生不可逆移動(dòng)或使磁疇磁化矢量產(chǎn)生不可逆改變而導(dǎo)致磁化強(qiáng)度發(fā)生變化，并且磁場(chǎng)強(qiáng)度隨循環(huán)拉伸次數(shù)增加會(huì)產(chǎn)生累積作用，致使檢測(cè)得到的漏磁場(chǎng)逐漸增大。當(dāng)微觀裂紋形成后，在裂紋周圍迅速產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域，加快了局部磁化效應(yīng)，在微裂紋的兩個(gè)端面會(huì)立刻形成兩個(gè)磁極，當(dāng)裂紋擴(kuò)展成宏觀裂紋時(shí)，裂紋處及端面達(dá)到磁飽和狀態(tài)，N-S磁極形成，產(chǎn)生了較強(qiáng)的漏磁場(chǎng)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)由于地磁場(chǎng)條件下外界干擾磁場(chǎng)的影響，難以通過(guò)磁記憶信號(hào)切向分量出現(xiàn)峰值來(lái)判斷應(yīng)力集中區(qū)域，適當(dāng)加強(qiáng)外磁場(chǎng)激勵(lì)可以突出、強(qiáng)化磁記憶信號(hào)，提高檢測(cè)結(jié)果的靈敏度及信噪比，使檢測(cè)效果得到顯著改善。

(2)穩(wěn)恒弱磁場(chǎng)激勵(lì)的作用，可以顯著提高鐵磁材料磁導(dǎo)率、增大應(yīng)力導(dǎo)致的磁有效場(chǎng)，從而提高磁記憶檢測(cè)系統(tǒng)靈敏度。

(3)在穩(wěn)恒弱磁場(chǎng)激勵(lì)條件下，受動(dòng)載荷拉伸的試件在應(yīng)力集中處產(chǎn)生了Hp(x)極大值，其值隨循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大，且在疲勞的不同階段由于損傷程度的不同幅值的變化率不同。其規(guī)律性比無(wú)激勵(lì)作用時(shí)更加明顯。

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