利用磁記憶信號特征參數(shù)表征拉伸應(yīng)力狀態(tài)*

易術(shù)春，王 威，蘇三慶，徐 秦，曾發(fā)榮

(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院 西安,710055)

利用磁記憶信號特征參數(shù)表征拉伸應(yīng)力狀態(tài)*

易術(shù)春，王 威，蘇三慶，徐 秦，曾發(fā)榮

(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院 西安,710055)

金屬磁記憶； 量化關(guān)系； 特征參量； 損傷程度

引 言

鐵磁構(gòu)件由于其具有輕質(zhì)高強(qiáng)、材質(zhì)均勻、制作簡單、韌性好和耐高壓等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械和建筑領(lǐng)域。但這些構(gòu)件的受力和構(gòu)造復(fù)雜，在服役過程中遭受長期循環(huán)載荷、自然災(zāi)害以及人為因素的影響，不可避免地產(chǎn)生一些隱性損傷，威脅整個(gè)設(shè)備和結(jié)構(gòu)的正常使用和安全。常規(guī)的無損檢測技術(shù)(超聲波法、射線法和渦流檢測方法等)只能檢測出已經(jīng)成形的宏觀缺陷，無法對早期的隱性損傷進(jìn)行檢測[1-3]。金屬磁記憶檢測技術(shù)是一種新興的無損檢測方法，能夠?qū)?gòu)件的應(yīng)力集中和早期損傷進(jìn)行診斷，防止突發(fā)性失效，是迄今為止對鐵磁構(gòu)件進(jìn)行早期診斷唯一有效的無損檢測方法[4]。該方法的原理是鐵磁構(gòu)件受工作載荷和地球磁場的共同作用，在應(yīng)力和變形集中區(qū)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，進(jìn)而導(dǎo)致漏磁場Hp的變化，即切線分量具有最大值，法向分量改變符號且過零點(diǎn)[5-6]。通過檢測鐵磁構(gòu)件表面的漏磁場分布情況，可對應(yīng)力集中或缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確判斷[7-8]。

由于金屬磁記憶檢測技術(shù)操作簡單方便且不需要對被測構(gòu)件進(jìn)行清理、人工磁化以及貼附傳感器等，因此廣泛應(yīng)用于石油、化工和機(jī)械等領(lǐng)域的檢測。近年來，對漏磁信號與應(yīng)力狀態(tài)之間的關(guān)系展開了大量研究。文獻(xiàn)[9]研究了應(yīng)力狀態(tài)、微觀缺陷長度及掃描路徑對漏磁信號的影響。文獻(xiàn)[10]研究了20鋼V型缺陷平板在拉伸載荷下應(yīng)力磁化的反轉(zhuǎn)效應(yīng)。文獻(xiàn)[11]研究了帶圓孔平板試件在靜拉應(yīng)力作用下應(yīng)力集中區(qū)磁信號和磁疇組織的變化規(guī)律。這些研究均未能建立磁記憶信號與應(yīng)力之間的定量關(guān)系。

筆者通過對Q345B鋼試件進(jìn)行靜載拉伸試驗(yàn)，采集規(guī)定路徑上的法向漏磁場值，得到了不同應(yīng)力狀態(tài)下的磁記憶信號變化規(guī)律，研究了試件斷裂處的法向分量Hp(y)值和特征參量隨應(yīng)力的變化，并建立磁場梯度指數(shù)與應(yīng)力的量化關(guān)系，利用磁記憶信號表征試件應(yīng)力狀態(tài)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為常用的Q345B鋼，其力學(xué)性能和化學(xué)組成如表1和表2所示。

表1 Q345低碳鋼力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of Q345 low carbon steel

表2 Q345低碳鋼化學(xué)組成Tab.2 Chemical composition of Q345 low carbon steel

利用線切割機(jī)將試件尺寸加工為200 mm×50 mm×10 mm?？紤]到實(shí)際應(yīng)用情況,未對試件進(jìn)行退磁。試驗(yàn)前在試件正面測量范圍內(nèi)畫好檢測線,檢測線長度為80 mm，如圖1所示。

圖1 試件尺寸及檢測線位置(單位:mm)Fig.1 Size of specimen and the arrangement of measured lines (unit:mm)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

拉伸試驗(yàn)在WAW-2 000D電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，其主要技術(shù)參數(shù)：最大試驗(yàn)力為2 000 kN，試驗(yàn)力示值相對誤差≤±1%，試驗(yàn)力測量范圍為最大試驗(yàn)力的2%～100%，如圖2所示。磁記憶信號檢測設(shè)備選用高精度的WT10B型數(shù)字高斯計(jì)，其基本誤差為±2%，精度為0.01 mT。

圖2 WAW-2 000D試驗(yàn)機(jī)Fig.2 WAW-2 000D testing machine

試驗(yàn)開始前，預(yù)先對試件進(jìn)行靜載拉伸，得到力-位移關(guān)系曲線，如圖3所示。由曲線可知，試件加載到96 kN時(shí)發(fā)生屈服，加載到120 kN時(shí)出現(xiàn)明顯的頸縮現(xiàn)象。為了更好地觀察試件從彈性階段過渡到塑性階段過程中磁記憶信號的變化特征，采取分級加載方式，并在屈服強(qiáng)度處進(jìn)行細(xì)化，試件的加載等級為0，40，70，80，90，96，100，110和120 kN。在試驗(yàn)過程中，當(dāng)載荷達(dá)到預(yù)先設(shè)定值后，靜置一段時(shí)間，然后采用磁記憶檢測儀進(jìn)行在線檢測。測量前，將檢測設(shè)備初始化，將初始值校正到0.05 mT≈40 A/m。由于磁場是矢量場，位置及環(huán)境的改變會對磁信號產(chǎn)生很大影響，所以本試驗(yàn)均是在同一位置和同一環(huán)境下進(jìn)行。檢測時(shí)，沿著檢測線從左至右逐點(diǎn)依次檢測，檢測步距為5 mm。根據(jù)文獻(xiàn)[12]，將傳感器直接貼著試件表面進(jìn)行磁信號采集是消除提離效應(yīng)的好方法。因此，測量時(shí)將傳感器垂直并緊貼試件表面，保證在檢測過程中提離值保持為零，且每個(gè)檢測點(diǎn)至少檢測3次，直至信號穩(wěn)定，以減小誤差。

圖3 試件的力-位移曲線Fig.3 Force vs.displacement curve of specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同載荷對磁記憶信號的影響

加載完成后，對4組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，發(fā)現(xiàn)4組試件重復(fù)試驗(yàn)中檢測線的磁信號有相同的變化趨勢，尤其同一試件的兩條測量線上法向分量值表現(xiàn)出很強(qiáng)的相似性。為減小檢測誤差，檢測結(jié)果取兩條檢測線上法向分量的平均值，并選取其中一個(gè)試件作為研究對象。

圖4為彈性階段和塑性階段試件表面法向分量分布曲線。初始階段，試件表面具有較大的磁信號，主要是因?yàn)樵谠嚰谱鬟^程中磁疇組織發(fā)生了重新排列。彈性階段，試件的磁信號與初始磁信號有很大差異，磁信號曲線出現(xiàn)過零點(diǎn)現(xiàn)象，沿加載方向近似為斜直線且保持穩(wěn)定，并隨著應(yīng)力的增大而增加。這表明在應(yīng)力和地磁場共同作用下，試件內(nèi)部產(chǎn)生了很高的應(yīng)力能。根據(jù)物質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)際存在狀態(tài)必是能量最小狀態(tài)的原則，為了使總的自由能趨于最小，在試件內(nèi)部的位錯聚集處磁疇壁必將發(fā)生不可逆的重新取向。同時(shí)，由于金屬的多種內(nèi)耗效應(yīng)，試件內(nèi)部將出現(xiàn)不同程度的磁化，且鋼材在制造過程中其內(nèi)部本身就有雜質(zhì)和缺陷，而這些雜質(zhì)和缺陷會導(dǎo)致材料局部的磁導(dǎo)率下降，形成高磁阻區(qū)，阻礙磁力線的通過，在這些缺陷區(qū)域內(nèi)形成不均勻的磁勢差，使原本均勻的磁力線出現(xiàn)畸變，從而在試件表面產(chǎn)生不等的自有漏磁場[13-14]。隨著應(yīng)力的增大，試件內(nèi)部逐漸達(dá)到磁飽和狀態(tài)，磁信號的分布趨于穩(wěn)定。屈服階段，磁信號曲線出現(xiàn)非線性變化，斜率由負(fù)變?yōu)檎?，相對于彈性階段磁信號發(fā)生了反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，且Hp(y)變化幅度相對于彈性階段出現(xiàn)了明顯降低。這是由于塑性變形加速了位錯密度的積累，位錯對磁疇的釘扎作用阻礙了磁疇的有序化運(yùn)動，并降低了磁化強(qiáng)度。

圖4 不同拉伸載荷下Hp(y)值的變化Fig.4 Variations of Hp(y) values under different tensile loads

2.2 應(yīng)力σ與磁記憶信號特征參數(shù)之間的關(guān)系

1) 根據(jù)磁偶極子模型，自由漏磁場反映的是磁荷密度的積分場。為了更好的建立應(yīng)力σ與磁信號之間的量化關(guān)系，采用基于離散數(shù)據(jù)的中心差分算法對磁信號法向分量進(jìn)行一階微分

(1)

其中：Ki為第i個(gè)檢測點(diǎn)的法向分量梯度值，反映了磁信號變化的快慢程度；Hp(y)i和li分別為第i個(gè)檢測點(diǎn)的法向分量值和位置坐標(biāo)。

圖5 應(yīng)力σ與梯度Kmax之間的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between stress σ and gradient Kmax

(2)

圖6 應(yīng)力σ與梯度之間的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between stress σ and gradient

圖7 應(yīng)力σ與斷裂處Hp(y)之間的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between stress σ and Hp(y) at the fracture position

3) 試件的最終斷裂位置為檢測線L=45 mm處。為研究鋼結(jié)構(gòu)易損部位的磁記憶信號變化特征，建立了試件斷裂處磁場法向分量Hp(y)與應(yīng)力σ的關(guān)系曲線，如圖7所示。Hp(y)隨著應(yīng)力σ的增加而增大，并在屈服強(qiáng)度處出現(xiàn)跳變。在加載初期，Hp(y)變化幅度很小，主要是由于此時(shí)應(yīng)力小，試件內(nèi)部沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中。當(dāng)應(yīng)力增加至屈服極限時(shí)，試件內(nèi)部發(fā)生應(yīng)力集中，出現(xiàn)滑移和位錯，并且導(dǎo)致試件產(chǎn)生微裂紋，磁記憶信號出現(xiàn)突然地跳變。當(dāng)應(yīng)力增加到試件出現(xiàn)明顯的頸縮現(xiàn)象時(shí)，隨著裂紋的增多及相互交錯，法向分量急劇增大，此時(shí)試件瀕臨破壞?？梢?，斷裂處Hp(y)值能很好地反映試件斷裂處的損傷程度，為鋼結(jié)構(gòu)易損部位的量化提供依據(jù)。

y=Aexp(R0x)+y0

(3)

圖8 應(yīng)力σ與磁場梯度指數(shù)ξ之間的關(guān)系曲線Fig.8 Relationship between stress σ and magnetic field gradient index ξ

得到γ值與應(yīng)力σ之間的量化關(guān)系

ξ=Aexp(R0σ)+ξ0

(4)

其中：A=1.21×10-10；R0=0.066 MPa-1；ξo=2.85；擬合度為99.1%。

結(jié)果表明，ξ值可以準(zhǔn)確表征試件的應(yīng)力狀態(tài)并對構(gòu)件的失效進(jìn)行預(yù)警。

3 分析及討論

3.1 磁信號反轉(zhuǎn)分析

文獻(xiàn)[15]中，根據(jù)Jiles-Atherton模型，單軸應(yīng)力可以通過磁致伸縮改變試件內(nèi)部的有效場，相當(dāng)于附加了一個(gè)應(yīng)力場，這個(gè)應(yīng)力場為

(5)

其中：λ為磁致伸縮系數(shù)；μ0為真空磁導(dǎo)率；M為磁化強(qiáng)度；θ為應(yīng)力與磁場強(qiáng)度之間的夾角；ν為泊松比。

本試驗(yàn)中，Q345B鋼的泊松比ν=0.3，θ=46°，則有效磁場Heff為

(6)

試件的磁致伸縮系數(shù)λ可由經(jīng)驗(yàn)?zāi)M

(7)

利用文獻(xiàn)[16]可知

γ1(0)=7×10-18m2/A2

γ2(0)=-3.3×10-30m2/A4

在本試驗(yàn)中，地磁場強(qiáng)度H=40 A/m，Q345B鋼按線性物質(zhì)考慮，假定其磁化率為210，內(nèi)磁疇耦合系數(shù)α=0.001，真空磁導(dǎo)率μ0=4π×10-7H/m。屈服后的磁信號發(fā)生反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，說明Heff<0

(8)

將各參數(shù)值帶入式(8)，當(dāng)拉應(yīng)力大于308.6 MPa和壓應(yīng)力大于238.7 MPa時(shí)，均會導(dǎo)致磁信號發(fā)生發(fā)轉(zhuǎn)現(xiàn)象，與本試驗(yàn)結(jié)果一致。因此，圖4中磁信號Hp(y)的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象可用Jiles-Atherton模型解釋。

3.2 斷裂處法向分量分析

試驗(yàn)結(jié)束后觀察到，橫截面積的變化主要發(fā)生在關(guān)于試件斷裂處對稱的區(qū)域內(nèi)。假定這個(gè)區(qū)域A為無限小，并且在拉應(yīng)力作用下只在區(qū)域交界處橫截面積發(fā)生變化，而區(qū)域內(nèi)和區(qū)域外的橫截面積保持不變，如圖9所示。

圖9 感應(yīng)磁場分布模型Fig.9 Model of inductive magnetic field

設(shè)試件垂直于地磁場H的橫截面積為S，在應(yīng)力作用下經(jīng)過時(shí)間Δt后，橫截面積變化了ΔS，則交界面處感應(yīng)電動勢為

(9)

其中：μr為材料相對磁導(dǎo)率；μ0為真空磁導(dǎo)率。

由式(9)可知，電動勢E正比于ΔS。在電動勢的作用下，交界面處將產(chǎn)生感應(yīng)電流i，且i正比于感應(yīng)電動勢，因此感應(yīng)電流i也正比于ΔS。

根據(jù)比奧-薩伐爾定律可知，在電流i作用下，試件表面某點(diǎn)P處的磁場強(qiáng)度為

(10)

由式(10)可知，試件表面的磁場強(qiáng)度正比于電流i，因此磁場強(qiáng)度也正比于ΔS。

根據(jù)鋼材的本構(gòu)關(guān)系，應(yīng)力的作用必然導(dǎo)致試件產(chǎn)生縱向應(yīng)變，且應(yīng)變隨著應(yīng)力的增加而增大。由泊松比的定義可知,橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變呈正比關(guān)系，橫截面積的改變量ΔS和試件斷裂處的磁場強(qiáng)度H隨著應(yīng)力的增加而增大，故圖7中的磁信號隨應(yīng)力增加而增大的現(xiàn)象可由式(10)定性分析。

此外，式(10)還可解釋磁信號隨著提離值的增大而減弱的原因。由式(10)可知，磁場強(qiáng)度H與測量半徑r呈反比，即提離值越大時(shí)，檢測到的磁場強(qiáng)度越小，這一現(xiàn)象在文獻(xiàn)[17]已經(jīng)證實(shí)。

4 結(jié) 論

1) 彈性階段的磁信號曲線沿加載方向近似為斜直線且保持穩(wěn)定，隨著應(yīng)力的增加而增大；屈服階段的磁信號曲線出現(xiàn)非線性變化，相對于彈性階段磁信號發(fā)生了反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。Jiles-Atherton模型可解釋磁信號發(fā)生反轉(zhuǎn)的原因。

2) 分析了磁信號特征參量Kmax隨應(yīng)力的變化特征，當(dāng)試件達(dá)到屈服極限時(shí)，磁信號特征參量Kmax出現(xiàn)極大值，可以提取Kmax的極大值作為特征量，對試件是否進(jìn)入塑性階段進(jìn)行判定。

4) 建立了磁場梯度指數(shù)ξ與應(yīng)力σ的量化關(guān)系，ξ值可表征試件的應(yīng)力狀態(tài)，為金屬磁記憶檢測技術(shù)定量評估和安全預(yù)警提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2017.04.005

* 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51578449，51478383，51378413)；陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015JM5192)

2015-04-28；

2015-08-19

TH140.7； TG115.28

易術(shù)春，男，1990年9月生，博士生。主要研究方向?yàn)榻饘俅庞洃洘o損檢測技術(shù)的測試、分析及其應(yīng)用。曾發(fā)表《建筑鋼試件拉伸應(yīng)力與其磁記憶效應(yīng)漏磁場梯度的對應(yīng)關(guān)系研究》(《西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版》2015年第47卷第3期)等論文。 E-mail:yscone@live.xauat.edu.cn