不同初始磁狀態(tài)U75V鋼變形階段的磁記憶參數(shù)表征

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(浙江大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程研究所，浙江 杭州 310058)

不同初始磁狀態(tài)U75V鋼變形階段的磁記憶參數(shù)表征

付美禮，包勝，柏樹壯，樓煌杰

(浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所，浙江杭州310058)

通過對經(jīng)退磁處理和未消磁的U75V鋼光滑試件進行靜載拉伸試驗研究了初始磁狀態(tài)對試件表面磁信號的影響。結(jié)果表明：消磁試件長度范圍內(nèi)的表面磁場在彈性階段呈現(xiàn)很好的線性分布。進入塑性后，切向磁場出現(xiàn)局部彎曲。利用切向磁場均值和法向磁場斜率變化可以區(qū)分彈塑性階段以及確定彈性階段的應(yīng)力幅值；未消磁試件隨著載荷增加其表面磁場波動幅度減小，由初始無規(guī)律分布逐漸轉(zhuǎn)向磁有序狀態(tài)。利用未消磁試件長度范圍外的磁記憶信號曲線的磁場均值及斜率變化可以有效表征不同的變形階段。

初始磁狀態(tài)； 變形階段； 磁記憶參數(shù)； 拉伸試驗

1 前 言

傳統(tǒng)漏磁檢測是一種強磁檢測技術(shù)，即需通過一外加磁場對被測構(gòu)件進行飽和性磁化，這類強磁檢測技術(shù)對發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)宏觀幾何型缺陷較為有效，但不適用于對材料早期損傷的檢測[1-2]。金屬磁記憶檢測技術(shù)(Metal Magnetic Memory Testing，簡稱MMMT)利用鐵磁性材料在工作載荷和地磁場作用下產(chǎn)生的磁記憶效應(yīng)實現(xiàn)早期損傷的快速檢測，是一種新的無損檢測方法[3-6]。該技術(shù)無需附加激勵磁場即能有效檢測鐵磁材料表面的應(yīng)力集中區(qū)域，可用于鐵磁性材料損傷程度的評估和剩余壽命的預(yù)測，由于其操作簡單易行，檢測靈敏度高，在鐵磁構(gòu)件損傷評價領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前該檢測技術(shù)只能定性確定缺陷可能存在的位置，無法提供定量化的檢測結(jié)果，其中一個很重要的因素是尚未建立系統(tǒng)的基于金屬磁記憶技術(shù)的材料不同變形階段的磁記憶評價參數(shù)。由于磁記憶檢測結(jié)果容易受到諸多因素干擾而隨機性較大，為此學(xué)者們開展了大量的基礎(chǔ)性試驗研究。如董麗虹等[7-8]研究了未經(jīng)任何磁處理的試件在拉伸荷載作用下法向磁信號在彈塑性階段的不同變化特點。徐濱士等[9-11]深入研究了經(jīng)退磁處理后的光滑試件在靜拉伸過程中的法向磁場變化規(guī)律，建立了彈性范圍內(nèi)應(yīng)力與法向磁場梯度的定量關(guān)系。任吉林等[12]研究了退磁試件不同程度變形下應(yīng)力狀態(tài)對法向磁信號的影響，定性解釋了磁信號變化的不同機理。在眾多的試驗中，利用消磁鐵磁構(gòu)件表面的法向磁場分量及其梯度變化表征彈塑性階段的研究較多，而對于未消磁試件不同變形階段的表征研究較少。本文以U75V鋼軌鋼為研究對象，通過對消磁和未消磁試件進行靜載拉伸試驗，分別測量兩種試件表面不同測量區(qū)間的磁記憶信號，系統(tǒng)研究了不同初始磁狀態(tài)試件在不同變形階段的磁記憶參數(shù)表征方法。

2 試 驗

2.1 試件制備

U75V鋼軌鋼是攀鋼于20世紀(jì)90年代初研究開發(fā)出的高碳微釩合金軌，目前在我國鐵路上被廣泛使用。該鋼耐磨性、韌性及抗疲勞性好，抗拉強度高，但其所含碳、硅等元素較高，且含有其它的殘留元素，可焊性較差。U75V鋼試件按照GB/T 228-2002標(biāo)準(zhǔn)分別加工成圖1所示的厚度為4mm的光滑板狀試件，其主要化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1、表2。試件分為消磁組和未消磁組，在消磁試件表面設(shè)置長度為100mm的測量線，在未消磁試件表面設(shè)置長度為170mm的測量線，測量方向由左到右如圖1所示。

表1 材料化學(xué)成分

表2 材料力學(xué)性能

圖1 試件形狀及測量路線示意圖(單位: mm)Fig.1 Specimen shape and scanning line (mm)

2.2 試驗方法

試驗前利用TC-1型退磁器對需要消磁的試件進行退磁處理，利用TSC-2M-8型磁檢測儀和2M掃描裝置沿著圖示檢測線方向采集消磁試件和未消磁試件表面磁場信號。拉伸試驗采用的是量程為200kN的電子萬能試驗機，試件在拉伸試驗機上以3mm/min的速度加載至預(yù)定載荷，再以5mm/min的速度卸載并卸下置于測量平臺上，利用磁檢測儀由左到右測量，依此重復(fù)，直至試件被拉斷。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 消磁試件

圖2給出了消磁試件表面磁場隨荷載的變化曲線，由圖可見，在彈性階段0～70kN(屈服荷載約為78kN)，隨著荷載增大，切向磁場Hx向坐標(biāo)軸負(fù)方向移動，沿測量線呈現(xiàn)很好的線性分布。法向磁場Hy順時針轉(zhuǎn)動，同樣表現(xiàn)出很好的線性。進入塑性階段80～115kN，Hx曲線開始彎曲并開始反轉(zhuǎn)向上移動，隨著荷載增大，測量線中部彎曲進一步加劇。Hy曲線開始逆時針轉(zhuǎn)動，相比彈性階段，轉(zhuǎn)動的幅度漸小，但并未出現(xiàn)明顯的局部彎曲現(xiàn)象，依然表現(xiàn)出很好的線性。為了更好地反映荷載對試件表面磁場的影響，取每級荷載下整條測量線上切向磁場均值和法向磁場斜率作為評價參數(shù)，如圖3所示，切向磁場均值和法向磁場斜率隨荷載的變化規(guī)律表現(xiàn)出很好的一致性，即彈性階段其絕對值都隨荷載的增大而近乎線性增大，塑性階段其絕對值都隨荷載增大而稍有減小。從而表明對于消磁試件，可以利用磁記憶參數(shù)(切向磁場均值和法向磁場斜率)的變化來區(qū)分彈塑性階段以及確定彈性階段的應(yīng)力幅值。當(dāng)然，針對不同鐵磁材料，這兩個磁記憶參數(shù)在彈性階段與應(yīng)力幅值之間是否嚴(yán)格滿足線性關(guān)系，以及相關(guān)線性系數(shù)值等，還需進一步做試驗確定。

當(dāng)鐵磁性材料受拉應(yīng)力作用時，存在由于形變而引起的磁彈性能和由外應(yīng)力作用而產(chǎn)生的磁應(yīng)力能。對于磁致伸縮系數(shù)為正的U75V鋼，拉應(yīng)力使材料內(nèi)部的自發(fā)磁化強度取平行于拉應(yīng)力的方向。從磁疇與位錯理論[13-14]來說，在彈性變形階段，應(yīng)力將改變鐵磁材料體內(nèi)磁疇的自發(fā)磁化方向以增加磁彈性能，來抵消應(yīng)力能的增加，以實現(xiàn)總能量最小化。彈性應(yīng)力的存在能有效克服磁疇運動過程中金屬內(nèi)部的位錯釘扎作用，促進磁疇逐漸沿拉應(yīng)力方向取向，從而引起試件表面磁場強度的增大。因此，在彈性變形階段，磁記憶參數(shù)幾乎呈線性增加。塑性階段相對于彈性階段來說，其磁場變化的微觀作用機制完全不同。塑性變形導(dǎo)致試件內(nèi)部出現(xiàn)殘余應(yīng)力，隨著應(yīng)力增加和試件變形量增大，以位錯、位錯纏結(jié)以及位錯胞形式出現(xiàn)的釘扎點成冪次數(shù)迅速增加。強烈的釘扎作用使磁疇的有序化運動停止，導(dǎo)致試件表面磁場強度不再增加甚至有所減小。此外，塑性變形不僅改變材料的磁導(dǎo)率，而且在局部塑性區(qū)會形成矯頑場[15]，相當(dāng)于在整個樣品均勻磁化場基礎(chǔ)上再附加一局部場，因此造成磁場曲線在局部塑性區(qū)出現(xiàn)彎曲，試驗結(jié)果表明切向磁信號對局部塑性區(qū)的表征比法向磁信號更為敏感。

圖2 消磁試件表面磁場隨荷載的變化(a) 切向磁場； (b) 法向磁場Fig.2 Variation of surface magnetic fields of the demagnetized specimen at different loads (a) tangential component; (b) normal component

圖3 消磁試件切向均值和法向斜率隨荷載的變化Fig.3 Variations of the tangential average magnetic field and the normal magnetic gradient of the demagnetized specimen at different loads

3.2 未消磁試件

圖4 未消磁試件表面磁場隨荷載的變化(a) 切向磁場； (b) 法向磁場Fig.4 Variation of surface magnetic fields of the undemagnetized specimen at different loads (a) tangential component; (b) normal component

對于未消磁試件，由于加工搬運等原因?qū)е略嚰泻軓姷某跏际４艌觯鐖D4所示，在未加載前(0kN)，切向磁場幅值高達800A/m，法向磁場幅值高達1150A/m。此外，切法向磁場在測量線上呈現(xiàn)出多個波峰-波谷，可見未消磁試件表面磁場信號沿長度方向分布很不均勻。在10～70kN彈性階段，試件長度范圍內(nèi)(x=20～170mm)的磁場波幅隨著荷載增大而減小，且減小的速度逐漸放緩。此外，同消磁試件類似，切向磁場曲線整體向下移動，法向磁場曲線整體順時針轉(zhuǎn)動。在80～115kN塑性階段，試件長度范圍內(nèi)的磁場曲線波動幅度漸小，與消磁試件相似，磁場曲線開始反轉(zhuǎn)并在中間區(qū)域呈現(xiàn)局部彎曲。此外，在加載過程中，試件端部區(qū)域磁場也呈現(xiàn)劇烈的變化：切向磁場在x=0～20mm區(qū)域，曲線表現(xiàn)出很好的線性，隨著荷載的增大，曲線由斜向下變?yōu)樾毕蛏?；在x=20mm附近，出現(xiàn)局部磁場極值點；在x=20～40mm區(qū)域，曲線順時針轉(zhuǎn)動；此外，加載至塑性階段，在x=20～60mm區(qū)域的磁場要明顯大于試件中間區(qū)域的磁場。法向磁場在x=0～30mm區(qū)域形成了一個喇叭口；在x=30mm附近，出現(xiàn)局部磁場極值點；在x=30～60mm區(qū)域，曲線順時針轉(zhuǎn)動，塑性階段對應(yīng)的磁場值同樣明顯大于試件中間區(qū)域。

為更好地研究加載過程中試件長度范圍外的磁場變化規(guī)律，取左端x=0～10mm區(qū)域的磁場數(shù)據(jù)進行分析，圖5給出了相應(yīng)的切法向磁場均值和斜率隨荷載的變化曲線。從圖中可以看出，長度范圍外的磁記憶參數(shù)(磁場均值和斜率)隨荷載的變化表現(xiàn)出很好的一致性：即彈性階段，應(yīng)力加速磁化，磁記憶參數(shù)基本呈線性增加；塑性階段，磁記憶參數(shù)基

本呈小幅波動。上述結(jié)果表明對于未消磁試件，由于機械加工等原因?qū)е略嚰砻娲艌鲅亻L度方向分布呈現(xiàn)非線性和波動性，當(dāng)前慣用的試件長度范圍內(nèi)的磁記憶參數(shù)不能有效表征彈塑性階段，而分析試件端部外的磁場數(shù)據(jù)，表明可以利用試件長度范圍外的磁記憶參數(shù)的變化來區(qū)分未消磁試件彈塑性階段以及確定彈性階段的應(yīng)力幅值。

對于未消磁試件，在外加荷載作用下材料內(nèi)部磁疇轉(zhuǎn)動如圖6所示。在初始時刻，由于試件內(nèi)部及表面組織的微觀不均勻性而產(chǎn)生不同的殘余應(yīng)力，材料內(nèi)部初始磁疇分布較為雜亂,如圖6(a)所示，因而試件表面各點的初始磁場強度差異較大，表現(xiàn)出波浪形的分布，其大小及分布與加工歷史、運輸過程等有關(guān)[16]。當(dāng)試件受到拉伸荷載作用時，軸向拉力的作用使得材料內(nèi)的磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，隨機排列的磁疇發(fā)生轉(zhuǎn)動，磁疇取向與應(yīng)力方向較為一致地先轉(zhuǎn)到易磁化方向，如圖6(b)所示。隨著荷載進一步增大，材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力和微缺陷開始重新分布，磁疇逐漸轉(zhuǎn)為同一方向，如圖6(c)所示。因此，在加載過程中，試件中間區(qū)域的表面磁場波動幅度逐漸減小并趨于穩(wěn)定。而對于試件端部區(qū)域，當(dāng)裝夾后，由于試驗機夾頭由鐵磁性材料制成，壓應(yīng)力產(chǎn)生附加磁場，咬合部位形成的磁場會對試件產(chǎn)生影響，導(dǎo)致試件長度范圍內(nèi)靠近端部的磁場比試樣中間區(qū)域明顯偏大[17]。在試件端部與空氣分界面上，磁導(dǎo)率急劇減小，隨著離試件端部距離的增大，空間磁場減弱并趨近于地磁場。因此，圖4中切法向磁場在左端匯聚并在試件端部附近形成局部極值點。結(jié)合以上分析，對于受軸向應(yīng)力作用的拉伸試件，其內(nèi)部磁場的磁化方向沿應(yīng)力軸、并與外磁場方向相同，試件磁場分布如圖 7 所示。試件表面磁場H為外磁場(地磁場)H0、構(gòu)件整體磁化產(chǎn)生的表面磁場HB的疊加，即

圖5 未消磁試件左端區(qū)域磁記憶參數(shù)隨荷載的變化(0≤x≤10mm)(a) 磁場均值； (b) 磁場斜率Fig.5 Variations of the magnetic memory parameters of MMM signals measured from the left side of the demagnetized specimen at different loads (0≤x≤10mm)(a) average magnetic field; (b) magnetic gradient

圖6 磁疇在應(yīng)力作用下的轉(zhuǎn)動示意圖(a) 磁疇的初始方向； b) 增大應(yīng)力后磁疇的轉(zhuǎn)動； (c) 應(yīng)力繼續(xù)增大后磁疇的轉(zhuǎn)動Fig.6 Orientation of magnetic domains under the action of stres(a) initial orientation of magnetic domains; (b) orientation of magnetic domains with increasing stress; (c) orientation of magnetic domains with a further increase of stress

圖7 完整試件磁場示意圖Fig.7 Magnetic field schematic diagram of the smooth specimen

H=H0+HB

(1)

實際上晶體中總存在各種缺陷，比如位錯、夾雜物，使晶體的很多性質(zhì)發(fā)生改變。此外，由于受試件兩端夾頭咬合以及試件塑性變形不均勻的影響，磁導(dǎo)率在整個試件長度范圍內(nèi)差異較大，導(dǎo)致試件長度范圍內(nèi)的表面磁場分布較為復(fù)雜，而試件端部外空氣的磁導(dǎo)率比較穩(wěn)定，磁場基本呈線性分布。因此，對于未消磁試件，通過研究端部外一定區(qū)域的磁場變化亦能表征試件的彈塑性階段。

4 結(jié) 論

1.對于消磁試件，彈性階段表面磁信號呈現(xiàn)很好的線性分布規(guī)律，應(yīng)力加速材料磁化；塑性階段表面磁信號出現(xiàn)反轉(zhuǎn)。切向磁信號曲線出現(xiàn)明顯的彎曲表明切向磁場比法向磁場對試件局部塑性區(qū)的表征更敏感。

2.對于未消磁試件，其初始表面磁場分布表現(xiàn)出強烈的波動特征，在加載過程中，試件長度范圍內(nèi)的磁場波幅快速減小最終趨于穩(wěn)定，表面磁場隨荷載的變化整體上類似于消磁試件；試件端部區(qū)域磁場變化明顯，即空氣區(qū)域磁場表現(xiàn)出很好的線性分布規(guī)律，空氣與試件分界面附近出現(xiàn)局部磁場極值點，臨近試件端部區(qū)域的磁場要明顯大于試件中間區(qū)域。

3.通過研究試件不同區(qū)域的磁場表現(xiàn)可以對鐵磁材料不同變形階段進行損傷評價，可以利用消磁試件長度范圍內(nèi)和未消磁試件端部外磁記憶參數(shù)(磁場均值和斜率)的變化來區(qū)分彈塑性階段以及確定彈性階段的應(yīng)力幅值。

[1] 李家偉. 無損檢測手冊[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2002.

[2] 鄭盼盼, 陳冷, 何飛, 楊荃. 金屬板材織構(gòu)在線檢測技術(shù)的研究進展[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報, 2014, 32(2): 293～300.

[3] Dubov A A. A Study of Metal Properties using the Method of Magnetic Memory[J]. Metal Science and Heat Treatment, 1997, 39(9): 401～405.

[4] 任吉林, 林俊明. 金屬的磁記憶檢測技術(shù)[J]. 無損檢測, 2001, 23(4): 154～156.

[5] 樊浩, 王威, 蘇三慶, 陳磊. 基于磁記憶的鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力表征技術(shù)[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報, 2014, 32(5): 705～712.

[6] 王威, 曾發(fā)榮, 蘇三慶, 等. 基于磁記憶的受彎鋼梁力-磁效應(yīng)試驗[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報, 2016, 34(1): 109～114.

[7] Dong L H, Xu B S, Dong S Y, et al. Variation of Stress-induced Magnetic Signals During Tensile Testing of Ferromagnetic Steels[J]. NDT & E International, 2008, 41(3): 184～189.

[8] 董麗虹, 徐濱士, 董世運, 等. 拉伸載荷作用下中碳鋼磁記憶信號的機理[J]. 材料研究學(xué)報, 2006, 20(4): 440～444.

[9] 王丹, 董世運, 徐濱士, 陳群志, 董麗虹. 靜載拉伸45鋼材料的金屬磁記憶信號分析[J]. 材料工程, 2008, 2008(8): 77～80.

[10] Dong L H, Xu B S, Dong S Y, et al. Stress Dependence of The Spontaneous Stray Field Signals of Ferromagnetic Steel[J]. NDT & E International, 2009, 42(4): 323～327.

[11] Shi C L, Dong S Y, Xu B S, He P. Metal Magnetic Memory Effect Caused by Static Tension Load in a Case-hardened Steel[J]. Journal of Magnetism & Magnetic Materials, 2010, 322(4): 413～416.

[12] 任吉林, 王東升, 宋凱, 任尚坤, 唐繼紅. 應(yīng)力狀態(tài)對磁記憶信號的影響[J]. 航空學(xué)報, 2007, 28(3): 724～728.

[13] Givord D. Introduction to Magnetism and Magnetic Materials[M]. London: Chapman and Hall, 1991, 565(46): 3.

[14] 王正道, 姚凱, 沈愷, 黃亭. 金屬磁記憶檢測技術(shù)研究進展及若干討論[J]. 實驗力學(xué), 2012, 27(2): 129～139.

[15] 姚凱, 王正道, 沈愷, 黃亭. 基于弱磁檢測的損傷判據(jù)及參數(shù)識別[C]. 北京力學(xué)會第十八屆學(xué)術(shù)年會, 北京, 2012: 99～102.

[16] Yamasaki T, Yamamoto S, Hirao M. Effect of Applied Stresses on Magnetostriction of Low Carbon Steel[J]. NDT & E International, 1996, 29(5): 263～268.

[17] Leng J C, Xu M Q, Xu M X, Zhang J Z. Magnetic Field Variation Induced by Cyclic Bending Stress[J]. NDT & E International, 2009, 42(5): 410～414.

CharacterizationofMagneticMemoryParametersofU75VSteelwithDifferentDeformationStagesandInitialRemanentStates

FUMeili,BAOSheng,BAIShuzhuang,LOUHuangjie

(InstituteofStructuralEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)

Influence of initial remanent states on metal magnetic memory (MMM) signals was investigated by performing static tensile tests on the demagnetized and undemagnetized U75V steel specimens. For the demagnetized specimen, the surface magnetic fields present a good linearity within its longitudinal axis in the elastic stage, and the tangential magnetic component shows an obvious local bending in the plastic stage. The average magnetic field of the tangential component and the magnetic gradient of the normal component can be used to differentiate the elastic-plastic deformation stages and evaluate the elastic stress. For the undemagnetized specimen, the amplitude of magnetic field variation reduces with increasing load, and the magnetic signals transform from initial random distribution to magnetic ordering state. The deformation stages can be characterized by both the average magnetic field and the magnetic gradient of MMM signals measured outside the longitudinal axis of the undemagnetized specimen.

initial remanent state; deformation stage; magnetic memory parameters; tensile test

2016-07-05；

2016-09-12

浙江省自然科學(xué)基金資助項目(LZ12E08003)；中央大學(xué)基礎(chǔ)研究基金資助項目(2015QNA4028)

付美禮(1990-)，博士研究生，從事基于磁記憶技術(shù)的試驗與應(yīng)用研究。E-mail：fuml13@zju.edu.cn。

包 勝(1979-)，副教授，博士生導(dǎo)師，從事基于壓磁效應(yīng)的鋼材疲勞損傷機理研究。E-mail：longtubao@zju.edu.cn。

1673-2812(2017)06-0866-05

TG 115.28

A

10.14136/j.cnki.issn1673-2812.2017.06.002