疲勞裂紋擴(kuò)展的金屬磁記憶信號(hào)特征

金 寶，邸新杰，張建軍，李 偉

（1天津大學(xué) 天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072；2中國(guó)石油天然氣蘭州工程質(zhì)量監(jiān)督站，蘭州730060）

鐵磁材料由于其優(yōu)良性能，已廣泛用于航空、鐵路、管道、電站、壓力容器、石油工程等焊接結(jié)構(gòu)，并且不斷向大型化和高參數(shù)的方向發(fā)展。在長(zhǎng)期承受交變載荷作用的結(jié)構(gòu)中，疲勞失效是一種主要的破壞形式。在疲勞過(guò)程中，應(yīng)力集中會(huì)導(dǎo)致裂紋、腐蝕、蠕變，是導(dǎo)致疲勞斷裂的主要來(lái)源。疲勞斷裂過(guò)程可以分為裂紋的萌生、裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展及失穩(wěn)斷裂三個(gè)過(guò)程［1］。由于疲勞斷裂時(shí)的應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料靜載下的強(qiáng)度極限，且在沒(méi)有明顯塑性變形的情況下突然斷裂，造成災(zāi)難性的后果，因此對(duì)在役構(gòu)件進(jìn)行裂紋檢測(cè)／監(jiān)測(cè)的研究具有重要意義。

金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)是由Dubov于1997提出的一種新的損傷檢測(cè)方法。金屬磁記憶檢測(cè)方法的物理基礎(chǔ)是磁機(jī)械效應(yīng)，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，通過(guò)理論分析可知［2］，在應(yīng)力與變形集中區(qū)形成的漏磁場(chǎng)切向分量Hp（x）具有最大值，法向分量Hp（y）改變符號(hào)且具有零值點(diǎn)。這種應(yīng)力作用下的磁狀態(tài)不可逆變化在載荷消除后繼續(xù)保留，從而通過(guò)漏磁場(chǎng)法向分量Hp（y）的測(cè)定，便可推斷工件應(yīng)力集中和損傷部位［3－5］。

本工作通過(guò)Q235B鋼缺口試件加載疲勞載荷，在疲勞過(guò)程中測(cè)量試樣表面磁記憶信號(hào)，研究了磁記憶信號(hào)在疲勞循環(huán)過(guò)程中的變化規(guī)律，利用磁機(jī)械效應(yīng)理論解釋了循環(huán)初始階段磁記憶信號(hào)變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料為Q235B鋼，其化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1所示。疲勞試樣形式及尺寸如圖1所示，在試樣的中心缺口處用線切割制出約1mm的缺口，并在試件表面畫(huà)出起始測(cè)量的位置以及三條平行測(cè)量線路，各通道之間的距離為15mm，提離值為1mm。試樣在制造及加工后未對(duì)其進(jìn)行去應(yīng)力及退磁處理。

表1 Q235B鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）及力學(xué)性能Table1 Chemical composition（mass fraction／%）and mechanical properties of Q235Bsteel

圖1 疲勞試樣形狀示意圖及測(cè)量線Fig.1 Fatigue specimen shape and measurement lines

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)過(guò)程中，首先將試樣裝夾于INSTRON1343型電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上，設(shè)定加載波形為方波，最大載荷為120kN（200MPa），應(yīng)力比為0.5，加載頻率為3Hz。加載后，每循環(huán)1000次中斷，用低倍放大鏡觀察試樣是否出現(xiàn)裂紋，用TSC－1M－4型金屬磁記憶檢測(cè)儀沿著試件表面測(cè)量線路在線測(cè)量其磁記憶信號(hào)，然后繼續(xù)加載，宏觀裂紋出現(xiàn)后，每循環(huán)500次中斷，并在線測(cè)量磁記憶信號(hào)，繼續(xù)加載，直至試件斷裂，典型磁記憶信號(hào)如圖2～4所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2～4給出了不同循環(huán)次數(shù)時(shí)各測(cè)量線的磁記憶信號(hào)變化規(guī)律，由圖可見(jiàn)，在循環(huán)初始階段（N1050），試樣表面有一隨機(jī)分布的磁記憶信號(hào)。試驗(yàn)過(guò)程中，裂紋從16000次循環(huán)加載時(shí)開(kāi)始擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展13mm時(shí)，裂紋尖端和測(cè)量線2的距離為2mm，試件發(fā)生失穩(wěn)斷裂。測(cè)量線2在各循環(huán)次數(shù)下的磁記憶信號(hào)分布曲線逐漸在30mm左右處相交，磁記憶信號(hào)強(qiáng)度隨著循環(huán)次數(shù)的增加略有減小。測(cè)量線3各循環(huán)次數(shù)下的磁記憶信號(hào)分布曲線沒(méi)有相交的現(xiàn)象，其磁記憶信號(hào)強(qiáng)度逐漸減小，測(cè)量線2與測(cè)量線3在各循環(huán)次數(shù)下的磁記憶信號(hào)分布曲線之間變化較小。測(cè)量線1在各循環(huán)次數(shù)下的磁記憶信號(hào)分布曲線發(fā)生明顯變化，如圖4，在循環(huán)初始階段（N1050），試件表面磁記憶信號(hào)有多個(gè)波峰波谷；經(jīng)過(guò)5000次循環(huán)加載后，磁記憶信號(hào)曲線轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸粋€(gè)波峰波谷的曲線波形；在循環(huán)穩(wěn)定階段，磁記憶信號(hào)曲線趨于穩(wěn)定；當(dāng)宏觀裂紋出現(xiàn)后，磁記憶信號(hào)曲線波形發(fā)散；最后階段，磁記憶信號(hào)逐漸增強(qiáng)。測(cè)量線2、測(cè)量線3與測(cè)量線1在不同循環(huán)次數(shù)下其磁記憶信號(hào)分布曲線變化不同，這是由于測(cè)量線1位于試件缺口處，在循環(huán)加載下，缺口處應(yīng)力最大，在該處發(fā)生裂紋的萌生與裂紋的擴(kuò)展，導(dǎo)致磁場(chǎng)變化最大。測(cè)量線2距離缺口處15mm，由于應(yīng)力集中效應(yīng)，其各循環(huán)次數(shù)下的磁記憶信號(hào)曲線逐漸在30mm左右處相交，在測(cè)量過(guò)程中，由于裂紋未擴(kuò)展至測(cè)量線2，其各磁記憶信號(hào)曲線與初始循環(huán)階段磁記憶曲線相似，有多個(gè)波峰波谷，變化不顯著。測(cè)量線3距離缺口處30mm，在測(cè)量過(guò)程中缺口及裂紋擴(kuò)展引起的應(yīng)力集中對(duì)其影響很小，其各循環(huán)次數(shù)下的磁記憶信號(hào)曲線在30mm左右處沒(méi)有出現(xiàn)相交的現(xiàn)象。

圖2 測(cè)量線2各循環(huán)次數(shù)下磁記憶信號(hào)的變化關(guān)系Fig.2 Magnetic memory signal variation according to different cycles of line 2

圖3 測(cè)量線3各循環(huán)次數(shù)下磁記憶信號(hào)的變化關(guān)系Fig.3 Magnetic memory signal variation according to different cycles of line 3

圖4 測(cè)量線1各循環(huán)次數(shù)下磁記憶信號(hào)的變化關(guān)系（a）初始階段；（b）穩(wěn)定階段；（c）裂紋開(kāi)始擴(kuò)展；（d）裂紋擴(kuò)展至試樣斷裂Fig.4 Magnetic memory signal variation according to different cycles of line 1（a）initial stage；（b）stable stage；（c）cracks begin to propagate；（d）cracks propagate to the sample fracture

由于測(cè)量線2與測(cè)量線3距離缺口較遠(yuǎn)，在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，其磁記憶信號(hào)變化不顯著，本工作主要分析測(cè)量線1在不同循環(huán)次數(shù)下磁記憶信號(hào)的變化規(guī)律，從圖4可以看出，各循環(huán)次數(shù)時(shí)的磁記憶信號(hào)曲線在30mm左右處相交，這與試件切口位置相符，表明磁記憶信號(hào)可以很好的檢測(cè)試件缺陷位置。信號(hào)交點(diǎn)的位置與零點(diǎn)存在一定的偏離，與理論分析得出的“零點(diǎn)準(zhǔn)則”并不一致，這是由于試件在制造和加工時(shí)引起的殘余磁化造成的。將疲勞循環(huán)過(guò)程中試件表面各點(diǎn)的磁記憶信號(hào)減去第一次檢測(cè)時(shí)各點(diǎn)的磁記憶信號(hào)，部分?jǐn)?shù)據(jù)處理結(jié)果如圖5。由圖5可見(jiàn)，數(shù)據(jù)處理后，各循環(huán)次數(shù)下磁記憶信號(hào)曲線交于30mm處，并過(guò)零點(diǎn)，與理論分析所得的“零點(diǎn)準(zhǔn)則”相符。

圖5 磁記憶信號(hào)處理后過(guò)零點(diǎn)位置Fig.5 Zero－crossing position of the treated magnetic memory signal

在初始循環(huán)階段，試件表面產(chǎn)生隨機(jī)分布的初始磁記憶信號(hào)的原因一方面是由于試件材料的微觀不均勻性，另一方面，在試件加工及輸運(yùn)過(guò)程中，材料曾承受的切削、磨削、沖擊、震動(dòng)等外載荷的作用都會(huì)導(dǎo)致材料表面磁場(chǎng)信號(hào)的變化，從而產(chǎn)生無(wú)規(guī)律的初始磁記憶信號(hào)。由圖4（a）可見(jiàn)，磁記憶信號(hào)強(qiáng)度Hp（y）由1050次循環(huán)時(shí)的－14～45A／m降低到5000次循環(huán)時(shí)的－8～30A／m，這個(gè)過(guò)程趨向于退磁過(guò)程。研究表明，磁化過(guò)程不但取決于應(yīng)力，而且與非磁滯磁化有關(guān)［6］。根據(jù)“逼近準(zhǔn)則”，當(dāng)初始磁化大于非磁滯磁化時(shí)，外加應(yīng)力將會(huì)導(dǎo)致疇壁脫釘。由于非磁滯磁化是磁疇能量最低狀態(tài)［7］，在外加應(yīng)力作用下磁化趨向于非磁滯磁化狀態(tài)［6，8，9］，從而導(dǎo)致 Hp（y）值降低。

根據(jù)文獻(xiàn)［10，11］，試樣表面的有效磁場(chǎng)為：

式中：H為地磁場(chǎng)強(qiáng)度；α為分子場(chǎng)參數(shù)；M為磁化強(qiáng)度；Hσ為由應(yīng)力引起的附加磁場(chǎng)。

磁記憶檢測(cè)主要利用的是由應(yīng)力引起的附加磁場(chǎng)，可以用以下公式計(jì)算［11］：

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率；λ為磁致伸縮系數(shù)；σ為外加應(yīng)力；υ為材料泊松比；θ為外加應(yīng)力σ軸向與磁場(chǎng)H軸向的夾角。

在本試驗(yàn)中，取θ＝26.5，υ＝0.25，從而，附加磁場(chǎng)可以寫(xiě)為：

根據(jù)文獻(xiàn)［11］，λ的經(jīng)驗(yàn)值可用式（4）表示：

因此有：

γ1（0）＝7×10－18m2·A－2，

γ′1（0）＝－1×10－25m2·A－2·Pa－1，

γ2（0）＝－3.3×10－30m2·A－4，

γ′2（0）＝2.1×10－38m4·A－4·Pa－1

因此，附加磁場(chǎng)可以寫(xiě)為式（6）的形式：

試樣初始磁化 M 一般小于163.24A／m［10］，由式（6）可知，當(dāng)應(yīng)力大于70MPa時(shí)，Hσ＜0，與未考慮施加應(yīng)力時(shí)的有效磁場(chǎng)符號(hào)相反，因此，由附加磁場(chǎng)引起的磁化與初始磁化相反，隨著應(yīng)力的增加，試件表面散射磁場(chǎng)降低。

本試驗(yàn)過(guò)程中的最大應(yīng)力為200MPa，應(yīng)力比為0.5，因此在一次循環(huán)加載過(guò)程中，應(yīng)力為100～200MPa，大于70MPa，試件表面的散射磁場(chǎng)降低。在循環(huán)加載過(guò)程中，由于磁彈性效應(yīng)［4］（如圖6所示），在Δσ作用下，每經(jīng)一次循環(huán)加載后，應(yīng)力引起磁化增加ΔMHσ，如此循環(huán)反復(fù)，將導(dǎo)致應(yīng)力致磁化不斷增加，且與初始磁化相反，因此，試件整體磁化減小，這與試驗(yàn)結(jié)果相符。

查閱手冊(cè)可知［13］，在試樣中心缺口處其應(yīng)力集中系數(shù)為2.9，因此，試樣中心的附加磁場(chǎng)遠(yuǎn)大于試件整體的附加磁場(chǎng)。在磁彈性效應(yīng)作用下，試件中心由應(yīng)力引起的磁化增加量ΔMHσ遠(yuǎn)大于試件整體的磁化增加量，當(dāng)循環(huán)加載一定時(shí)，由應(yīng)力引起的磁化ΔM大于初始磁化，試樣中心的初始磁場(chǎng)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，如圖4（a），在30mm處，循環(huán)次數(shù)為5000時(shí)的梯度與循環(huán)次數(shù)為1050時(shí)的梯度符號(hào)相反。

圖6 鐵磁物質(zhì)的磁彈性效應(yīng)Fig.6 Magneto－elastic effect of ferromagnetic material

出現(xiàn)宏觀裂紋時(shí)，試樣表面磁記憶信號(hào)由磁飽和時(shí)的穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)榘l(fā)散，且強(qiáng)度逐漸降低，如圖4（b），（c）。圖7是用磁記憶信號(hào)曲線波形的波峰值hp（y）max與波谷值hp（y）min之差，即：

圖7 Hp（y）sub隨循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系Fig.7 Hp（y）subvariation according to different cycles

得到的1通道峰－峰值Hp（y）sub與循環(huán)周次的變化規(guī)律。由圖可見(jiàn)，在出現(xiàn)宏觀裂紋前，Hp（y）sub值基本不變，宏觀裂紋出現(xiàn)后，Hp（y）sub值近似線性減小，裂紋擴(kuò)展到一定時(shí)，Hp（y）sub值近似指數(shù)增加。圖8是1通道磁記憶信號(hào)經(jīng)處理后的磁記憶信號(hào)梯度最大值Kmax與循環(huán)周次的變化規(guī)律，其中：

式中：ΔHp（y）為磁記憶信號(hào)檢測(cè)線上相鄰兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)間Hp（y）的之差；Δx為相鄰兩個(gè)磁記憶信號(hào)檢測(cè)點(diǎn)間的距離。由圖8可知，出現(xiàn)宏觀裂紋前，Kmax基本不變，宏觀裂紋出現(xiàn)后，Kmax由5A·m－1·mm－1快速降低到1.5A·m－1·mm－1，隨后近似指數(shù)增加。

圖8 信號(hào)處理后Kmax值與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.8 Kmaxvariation of the treated magnetic memory signal according to different cycles

當(dāng)微觀裂紋在疲勞載荷的作用下發(fā)展為宏觀裂紋時(shí)，造成該處磁導(dǎo)率急劇降低。這是因?yàn)樵谕饧討?yīng)力作用下，在該處產(chǎn)生磁疇的固定節(jié)點(diǎn)，裂紋處磁荷逐漸累積，形成磁極［14］，并與試件本身磁極相反。根據(jù)磁荷的觀點(diǎn)，磁荷與退磁場(chǎng)Hd是互為因果的，退磁場(chǎng)的方向與磁化強(qiáng)度方向相反，當(dāng)材料均勻磁化時(shí)，材料內(nèi)的退磁場(chǎng)可以寫(xiě)成：

式中：N為退磁因子，M為磁化強(qiáng)度［4］。

產(chǎn)生宏觀裂紋時(shí)，在裂紋兩端面形成N，S極，磁荷分布于裂紋端面。由式（9）可知，在裂紋局部由于磁極的產(chǎn)生將引起與磁化強(qiáng)度相反的退磁場(chǎng)，從而使該處磁場(chǎng)強(qiáng)度降低，造成裂紋處表面磁記憶信號(hào)強(qiáng)度降低。因此，試件表面檢測(cè)到的磁記憶信號(hào)發(fā)散，Hp（y）sub與Kmax降低。利用該降低點(diǎn)可以檢測(cè)／監(jiān)測(cè)宏觀裂紋的產(chǎn)生，但尚需進(jìn)行進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

（1）未經(jīng)處理的試樣沿缺口處在疲勞初始階段磁記憶信號(hào)隨機(jī)分布，循環(huán)加載一定后，磁記憶信號(hào)曲線轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸粋€(gè)波峰－波谷的曲線波形。

（2）應(yīng)力大于70MPa時(shí)，由附加磁場(chǎng)引起的磁化與初始磁化相反，由于磁彈性效應(yīng)，試件表面散射磁場(chǎng)降低。在試樣缺口位置，由于應(yīng)力集中效應(yīng)，該處附加磁場(chǎng)急劇增加，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試樣中心由附加磁場(chǎng)引起的磁化增加量大于初始磁化，導(dǎo)致試件中心表面散射磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)。

（3）宏觀裂紋出現(xiàn)后，在裂紋局部產(chǎn)生磁極，形成退磁場(chǎng)，導(dǎo)致磁記憶信號(hào)曲線波形發(fā)散。

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