環(huán)境磁場對磁記憶信號的影響

段振霞，任尚坤，趙珍燕，祖瑞麗，樊清泉

(無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南昌航空大學(xué))，南昌 330063)

環(huán)境磁場對磁記憶信號的影響

段振霞，任尚坤，趙珍燕，祖瑞麗，樊清泉

(無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南昌航空大學(xué))，南昌 330063)

金屬磁記憶檢測技術(shù)是一種可早期準(zhǔn)確判斷構(gòu)件的應(yīng)力集中位置和評估疲勞損傷程度的無損檢測技術(shù)新方法，而磁記憶信號的存在離不開環(huán)境磁場。為探討環(huán)境磁場對磁記憶信號的具體影響，在不同環(huán)境磁場下，對45鋼進(jìn)行靜載拉伸試驗(yàn)，測量在相同環(huán)境磁場下不同應(yīng)力作用下的磁記憶信號。試驗(yàn)結(jié)果表明：環(huán)境磁場不能改變磁記憶信號曲線的形狀，但可以改變磁記憶信號值的大?。辉谝欢ǖ拇艌龇秶鷥?nèi)，磁記憶信號值隨環(huán)境磁場的增加而增加，但當(dāng)環(huán)境磁場超過某一臨界值時，磁記憶信號值反而隨環(huán)境磁場的增加而減少；若環(huán)境磁場為零或完全被抵消，應(yīng)力則不能產(chǎn)生磁記憶信號。故在磁記憶檢測實(shí)踐中，特別是在定量檢測應(yīng)用中必須考慮環(huán)境磁場的影響。

無損檢測；金屬磁記憶檢測；應(yīng)力集中；環(huán)境磁場

0 引言

金屬磁記憶檢測方法的原理是在地磁場環(huán)境下對自發(fā)漏磁場進(jìn)行分析[1-2]，而這種自發(fā)漏磁場分布于鐵磁性材料的應(yīng)力集中區(qū)、組織結(jié)構(gòu)的不完整性和不均勻性區(qū)域[3]，故它是一種新型的無損檢測技術(shù)[4-5]。由于地球各地理位置的緯度和高度不同，所處地磁場的大小和方向也不一樣，即隨地理位置的不同，地磁場并不是恒定的，而是隨機(jī)性地變化，而地磁場的方向和大小卻影響磁記憶信號，磁記憶信號隨地磁場改變而改變，故金屬磁記憶方法不能提供可靠的檢測。環(huán)境磁場是怎樣影響磁記憶信號？或者環(huán)境磁場在金屬磁記憶檢測中起到一個什么樣的作用？針對這兩個問題，2003年李路明等[6]提出地磁場對金屬磁記憶檢測沒有本質(zhì)的影響；任尚坤等[7]提出當(dāng)環(huán)境磁場為零時，力磁關(guān)系近似為一條水平的直線；邱忠超等[8-9]指出適當(dāng)增加外磁場的大小可以排除噪聲信號的干擾，以至于提高金屬磁記憶檢測系統(tǒng)的靈敏度；Zhong等[10]提出環(huán)境磁場的大小和應(yīng)力都能使磁信號發(fā)生畸變，但磁畸變的取向由更強(qiáng)大的一個決定；Huang等[11-12]指出環(huán)境磁場不能改變磁記憶信號的形狀，只能改變磁記憶信號值的大小，而信號值的大小卻隨環(huán)境磁場的增大而增大。而本研究為探討環(huán)境磁場對磁記憶信號的影響，在不同環(huán)境磁場下，對45鋼進(jìn)行靜載拉伸試驗(yàn)，測量在相同環(huán)境磁場下不同應(yīng)力作用下的磁記憶信號。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)材料選用45鋼，由于它是中碳鋼，也是優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，所以在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用于葉輪泵、齒輪、螺栓、螺柱、活塞以及曲軸等受力零件。為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，本次試驗(yàn)共制作了13根材料及尺寸完全一樣的45鋼圓棒，分別編號為1#～13#，結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示，試件的平行長度110 mm，直徑10 mm，對加工后的所有試件進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，消除試件內(nèi)的殘余應(yīng)力。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

為產(chǎn)生外加磁場，制作一個螺線管，如圖2所示。螺線管直徑13 mm，漆包線絲徑0.67 mm，在圓柱面上繞漆包線3層，每層160匝，螺線管長度120 mm，得到單位長度內(nèi)匝數(shù)為4 000。對螺線管通直流電60 mA，圖3為螺線管軸線上的磁場分布，圖中B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，L為軸線上的位移。從圖中可以看出，當(dāng)20 mm≤L≤100 mm時，B基本不變，所以L在[20,100]范圍內(nèi)時，該螺線管所產(chǎn)生的磁場基本為勻強(qiáng)磁場。圖4為螺線管內(nèi)部均勻磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流I的關(guān)系，可以看出B與I基本呈線性關(guān)系，其擬合的直線為

B=0.3 123+0.0 496×I(1)

可見，B隨I的增大而增大，當(dāng)I=0時，B=0.3 123×10-4T，即螺線管內(nèi)地磁場環(huán)境下的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖1 45鋼圓棒結(jié)構(gòu)尺寸圖Fig.1 Structure size of 45 steel rod

本試驗(yàn)采用WDW-100型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)，最大加載載荷為100 kN，測力示值誤差0.5%～1.0%。試件上某確定點(diǎn)漏磁場的數(shù)據(jù)采集利用LakeShore 421型弱磁場測量儀,其測量范圍為0.001～300 000 Gs、測量誤差±0.2%、分辨率4%，測量圖1中的1～13采樣點(diǎn)的漏磁場，每相鄰2個采樣點(diǎn)之間的距離相差8 mm。

圖3 螺線管軸線上的磁場分布Fig.3 Magnetic field distribution on the solenoid axis

圖4 螺線管內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流的關(guān)系

1.3 試驗(yàn)方法

對1#和7#試件，套上-15 mA直流電的螺線管(產(chǎn)生豎直向上的磁場-60 A/m)，豎直放置在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行靜載拉伸試驗(yàn)，該拉伸試驗(yàn)機(jī)以2 mm/min的速度進(jìn)行加載，在彈性階段采取5 kN的加載梯度，在塑性階段采取2 kN的加載梯度，當(dāng)加載至預(yù)定載荷后停機(jī)，卸載至0，取下工件，以東西方向放置在遠(yuǎn)離鐵磁性物體的水平臺上，采用LakeShore 421型弱磁場測量儀測量試件上13個點(diǎn)的漏磁場；當(dāng)試件被重新放置在更高預(yù)定載荷的試驗(yàn)機(jī)上，重復(fù)以上操作，直至工件斷裂。

對3#和9#、4#和10#、5#和11#，以及6#和12#試件分別套上通20、40、60、80 mA的螺線管(分別產(chǎn)生豎直向下的磁場80、160、240、320 A/m)和不加螺線管的2#和8#試件(地磁場)，分別豎直放置在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行靜載拉伸試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本試驗(yàn)內(nèi)容先將13#試件進(jìn)行常溫條件下的靜載拉伸，測定試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線，該試件的屈服強(qiáng)度為510 MPa，抗拉強(qiáng)度為640 MPa。由于1#和7#、2#和8#、3#和9#、4#和10#、5#和11#，以及6#和12#試件的試驗(yàn)規(guī)律各基本相同，故以下只探討1#～6#試件的試驗(yàn)結(jié)果。

2.1 地磁場下的45鋼磁記憶信號

對2#試件進(jìn)行靜載拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，各拉應(yīng)力作用下的磁記憶信號曲線近似為直線。圖6a中，在彈性階段，各拉應(yīng)力下磁記憶信號曲線均過零點(diǎn)，左側(cè)信號為正，右側(cè)信號為負(fù)，隨σ的增大，磁記憶信號曲線按順時針方向旋轉(zhuǎn)，磁記憶信號曲線的斜率k為負(fù)值，它在負(fù)方向上不斷增大，磁記憶信號變化的最大值ΔBmax也不斷增大，當(dāng)σ增大到510 MPa(屈服應(yīng)力)時，此時k為最大值，而ΔBmax=3.58×10-4T也為最大值；在塑性階段，圖6b中各曲線基本重合，即拉應(yīng)力之間的k變化并不明顯，ΔBmax也基本不變。

圖5 不同拉應(yīng)力下采樣點(diǎn)的磁記憶信號

圖6為圖7中磁記憶信號擬合直線的斜率與拉應(yīng)力之間的變化關(guān)系。由圖6可以看出，在彈性階段，當(dāng)σ<510 MPa時，k隨σ增大而減??；在塑性階段，當(dāng)σ增大到535 MPa時，k迅速增大，當(dāng)σ再繼續(xù)增大時，k基本不變。

研究發(fā)現(xiàn)，假設(shè)磁記憶信號分布的斜率k表示構(gòu)件的磁化狀態(tài)，在地磁場環(huán)境下，磁化狀態(tài)隨外拉力的增加而增加；當(dāng)達(dá)到屈服點(diǎn)時，磁化處于最強(qiáng)狀態(tài)(磁場分布斜率最大)；在塑性變形階段，磁化狀態(tài)近似穩(wěn)定。表明磁記憶檢測技術(shù)對彈性階段的受力變化比較敏感，而對塑性變形階段損傷程度的檢測不敏感。

圖7為彈性階段的磁記憶信號曲線斜率與拉應(yīng)力的擬合直線，擬合直線的表達(dá)式如式(2)。

式中，a和b都是與試件的材料和外加磁場有關(guān)的系數(shù)，a和b會隨它們改變而改變，在本試驗(yàn)中，a=-0.000 4，b=-0.120。

圖6 磁記憶信號曲線斜率與拉應(yīng)力的關(guān)系

圖7 彈性階段斜率與拉應(yīng)力的擬合直線

2.2 外加磁場下的45鋼磁記憶信號

1)彈性階段。

在彈性階段，圖8a為-60 A/m的外加磁場作用下的磁記憶信號曲線，當(dāng)σ逐漸增大時，曲線按順時針方向旋轉(zhuǎn)，磁記憶信號曲線的斜率k為負(fù)值，它在負(fù)方向上不斷增大，ΔBmax也不斷增大，到σ達(dá)到屈服點(diǎn)時，k在負(fù)方向上增大到最大值，ΔBmax也增大到最大值，此時ΔBmax=8.34×10-4T，比地磁場作用下的ΔBmax大；圖8b～圖8e分別對應(yīng)80、160、240、320 A/m的外加磁場作用下在彈性階段的磁記憶信號曲線，與-60 A/m的磁記憶信號曲線趨勢相反。當(dāng)σ逐漸增大時，所有曲線都按逆時針方向旋轉(zhuǎn)，磁記憶信號曲線的斜率在正方向上不斷增大，ΔBmax也不斷增大，到σ達(dá)到屈服點(diǎn)時，k增大到最大值，ΔBmax也增大到最大值；當(dāng)H=80 A/m時，屈服點(diǎn)時的=8.161×10-4T，它卻小于H=-60 A/m屈服點(diǎn)時的ΔBmax=8.34×10-4T，此時由于地磁場和拉伸試驗(yàn)機(jī)的夾頭所形成的磁場為豎直向上，它與H=-60 A/m的外加磁場進(jìn)行了疊加，它與豎直向下的H=80 A/m進(jìn)行了相減，H=-60 A/m與地磁場拉伸機(jī)所形成總的外加磁場的數(shù)值大于H=80 A/m與地磁場拉伸機(jī)所形成總的外加磁場的數(shù)值；當(dāng)H=160 A/m時，ΔBmax=18.06×10-4T；當(dāng)H=240 A/m時，ΔBmax=27.548×10-4T；當(dāng)H=320 A/m時，ΔBmax=27.141×10-4T，故增大到240 A/m，屈服點(diǎn)時的ΔBmax不斷增大，但當(dāng)H繼續(xù)增大時，屈服點(diǎn)時的ΔBmax反而減小。

為了更好地進(jìn)行對比，本試驗(yàn)只討論拉應(yīng)力255、382 MPa不同外加磁場下的磁記憶信號曲線，如圖9所示。從圖9可以看出，當(dāng)H<240 A/m，磁記憶信號曲線按逆時針方向旋轉(zhuǎn)，斜率k和ΔBmax不斷增大，當(dāng)H再繼續(xù)增大到320 A/m時，斜率k和ΔBmax反而減小，當(dāng)H=240 A/m時，斜率k和ΔBmax為最大，故在彈性階段，磁記憶信號曲線值的大小并不是隨著外加磁場的增大而一直增大。在地磁場與豎直向下的磁場80 A/m左右，總會有環(huán)境磁場為零或完全被抵消的情況，此時應(yīng)力不能產(chǎn)生磁化效應(yīng)，即金屬磁記憶檢測離不開環(huán)境磁場的激勵。

由于本試驗(yàn)中各45鋼試件的屈服強(qiáng)度不是很一致，故為了更一致地進(jìn)行討論，圖10、圖11中的彈性階段只討論σ<382 MPa之間的拉應(yīng)力。

不同外加磁場下斜率和拉應(yīng)力的關(guān)系如圖10所示，當(dāng)為地磁場和H=-60 A/m時，隨σ的增大，k在負(fù)方向上不斷增大；當(dāng)H分別為80、160、240、320 A/m時，隨σ的增大，k在正方向上不斷增大，故在彈性階段，相同外加磁場作用下，隨σ的增大，k值(不考慮方向)不斷增大。不同拉應(yīng)力下斜率與外加磁場之間的關(guān)系如圖11所示，相同拉應(yīng)力作用下，當(dāng)H<240 A/m時，隨H的增大，k不斷增大，H=240 A/m時，k為最大值，當(dāng)H>240 A/m時，隨H的增大，k反而減??；故在彈性階段，相同拉應(yīng)力作用下，隨H的增大，k值(不考慮方向)不斷增大，當(dāng)H超過某一臨界值時，反而減小。

圖8 彈性階段不同外加磁場作用下的磁記憶信號曲線Fig.8 Magnetic memory signal curves in the elastic stage under different applied magnetic field

圖9 相同拉應(yīng)力不同外加磁場作用下的磁記憶信號曲線Fig.9 Magnetic memory signal curves induced by same stress with different magnetic field

圖10 不同外加磁場下斜率和拉應(yīng)力的關(guān)系

圖11 不同拉應(yīng)力下斜率與外加磁場的關(guān)系

圖10表明，假設(shè)斜率k表示構(gòu)件的磁化狀態(tài)，磁化狀態(tài)是環(huán)境磁化場和應(yīng)力的二元函數(shù)，在彈性階段某一固定環(huán)境磁場下，磁化狀態(tài)k與應(yīng)力成正比。 圖11表明，在彈性階段某一應(yīng)力作用下，在一定環(huán)境磁場范圍內(nèi)，磁化狀態(tài)k與環(huán)境磁場H成正比；磁化狀態(tài)在一定條件下可表示為k=k(H,σ)=c(H+a)(σ+b)，其中a、b和c都為常數(shù)，對于確定的環(huán)境磁場，磁化狀態(tài)與應(yīng)力成正比，據(jù)此可由磁化狀態(tài)推斷構(gòu)件曾經(jīng)受到的作用力。

2) 塑性階段。

在塑性階段不同外加磁場對磁記憶信號的影響，為了更好地進(jìn)行對比，本試驗(yàn)只討論561、586 MPa不同外加磁場下的磁記憶信號曲線，如圖12所示。圖12a中，當(dāng)H<240 A/m時，隨H的增大，磁記憶信號曲線按逆時針方向旋轉(zhuǎn)，斜率k和ΔBmax也慢慢增大，當(dāng)H=240 A/m時，k和ΔBmax為最大值，當(dāng)H>240 A/m時，即當(dāng)H=320 A/m，k和ΔBmax卻減小。同理在圖12b中，當(dāng)H=240 A/m時，k和ΔBmax也為最大值。從圖12可以看出，在地磁場與豎直向下的磁場80 A/m之間，總會有環(huán)境磁場為零或完全被抵消的情況，此時應(yīng)力不能產(chǎn)生磁化效應(yīng)，即金屬磁記憶檢測離不開環(huán)境磁場的激勵。在塑性階段，磁記憶信號也與環(huán)境磁場有關(guān)，在一定的磁場范圍內(nèi)，磁記憶信號隨環(huán)境磁場的增加而增加，環(huán)境磁場超過某一臨界值，磁記憶信號反而隨隨環(huán)境磁場的增加而減少。

圖12 相同拉應(yīng)力不同外加磁場作用下的磁記憶信號曲線Fig.12 Magnetic memory signal curves induced by same stress with different applied magnetic field

3 結(jié)論

1)假設(shè)磁記憶信號隨空間分布的斜率k表示構(gòu)件的磁化狀態(tài)，在地磁場環(huán)境下，磁化狀態(tài)隨拉應(yīng)力的增加而增加；當(dāng)達(dá)到屈服點(diǎn)時，磁化處于最強(qiáng)狀態(tài)；在塑性變形階段，磁化狀態(tài)近似穩(wěn)定，表明磁記憶檢測技術(shù)對彈性階段的應(yīng)力變化比較敏感，對檢測塑性變形的損傷程度卻不敏感。

2)外加磁場不能改變磁記憶信號曲線的形狀，但可以改變磁記憶信號值的大小。

3)磁記憶信號與環(huán)境磁場有關(guān)，在一定的磁場范圍內(nèi)，磁記憶信號值隨環(huán)境磁場的增加而增加，但當(dāng)環(huán)境磁場超過某一臨界值時，磁記憶信號值反而隨環(huán)境磁場的增加而減少。在磁記憶檢測實(shí)踐中，特別是在定量檢測應(yīng)用中必須考慮環(huán)境磁場的影響。

4)應(yīng)力磁化效應(yīng)與環(huán)境磁場有關(guān)，如環(huán)境磁場為零或完全被抵消，應(yīng)力卻不能產(chǎn)生磁化效應(yīng)。

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Influence of Environmental Magnetic Field on Magnetic Memory Signal

DUAN Zhen-xia，REN Shang-kun，ZHAO Zhen-yan，ZU Rui-li，F(xiàn)AN Qing-quan

(KeyLaboratoryofNondestructiveTesting(MinistryofEducation),NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China)

Metal magnetic memory testing technology is a new method of nondestructive testing technology which can accurately judge the location of stress concentration of components and evaluate the degree of fatigue damage, and the magnetic memory signal cannot deviate from the environmental magnetic field. In order to discuss the specific influence of environmental magnetic field on the magnetic memory signal, a static load tensile test on 45 steel was carried out under different environmental magnetic field, and the magnetic memory signals under different stress with same magnetic field were measured. The result shows that environmental magnetic field cannot change the shape of magnetic memory signal curve, but can change the size of the value of magnetic memory signal. In a certain range of magnetic field, the value of magnetic memory signal increases with the increase of the environmental magnetic field, but the value of magnetic memory signal decreases when the environmental magnetic field exceeds a certain threshold value. When the environmental magnetic field is zero or completely offset, stress cannot produce magnetic memory signals. Therefore, the impact of environmental magnetic field must be considered in the magnetic memory testing practice, especially in the quantitative detection applications.

nondestructive testing; metal magnetic memory testing; stress concentration; environmental magnetic field

2016年12月17日

2017年2月1日

國家自然科學(xué)基金(51261023)

任尚坤(1963年-)，男，博士，教授，主要從事檢測技術(shù)等方面的研究。

TG115.28

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.01.003

1673-6214(2017)01-0013-06