鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋發(fā)展對磁記憶信號變化的影響機制研究

蘇三慶，何 洋，王 威，楊熠奕，韋璐茜，黃思考，王雅慧

(西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

1 磁記憶檢測原理及目的

金屬磁記憶檢測技術(shù)是無損檢測領(lǐng)域的一門新興學(xué)科．傳統(tǒng)工程中的損傷檢測，一般指宏觀裂紋的檢測，無法檢測形成宏觀裂紋前的微觀損傷．如X射線衍射法，紅外線法，激光干涉法，粉紋法等，只能檢測出已處于擴展期的疲勞裂紋，無法檢測出尚處于萌生狀態(tài)的疲勞裂紋．但是裂紋萌生區(qū)會存在很嚴(yán)重的應(yīng)力集中，會降低構(gòu)件的靜承載力，所以萌生狀態(tài)的微裂紋也有導(dǎo)致構(gòu)件發(fā)生脆性破壞的可能．由于應(yīng)力集中區(qū)存在較高的應(yīng)力能，所以為使總自由能最小，在磁機械效應(yīng)的作用下磁矩會轉(zhuǎn)動，磁疇組織會發(fā)生不可逆重組并且在應(yīng)力集中區(qū)保留下來，最終在缺陷處形成漏磁場，產(chǎn)生法向分量最大，切向分量為零的現(xiàn)象[1]．金屬磁記憶檢測技術(shù)就是通過對漏磁場處磁場參量的測定，來檢測應(yīng)力集中處的應(yīng)力狀態(tài)．然后對局部損傷及時進行處理，從而防止突發(fā)災(zāi)害的發(fā)生．

疲勞過程大致可分為損傷累積，裂紋萌生(微裂紋形核及擴展)，宏觀裂紋擴展及瞬裂三個主要階段，其中裂紋萌生占疲勞總壽命的絕大部分．磁記憶檢測技術(shù)在疲勞裂紋檢測方面的主要作用可以概括為兩點．第一，可作為構(gòu)件疲勞試驗的先導(dǎo)方法，確定應(yīng)力集中區(qū)的部位和區(qū)域，以便在后續(xù)疲勞試驗中能夠準(zhǔn)確定位實驗部位和區(qū)域，從而節(jié)省疲勞試驗的時間，也有助于更高效的提取數(shù)據(jù)．第二，疲勞裂紋早期的檢測一直沒有可靠方法，往往只能夠通過后來獲得的數(shù)據(jù)進行推理，這不利于裂紋萌生狀態(tài)的分析和研究．磁記憶檢測技術(shù)作為早期損傷檢測的行之有效的方法，可以檢測出裂紋萌生區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)，從而能夠彌補這一缺陷．鑒于疲勞裂紋的損傷演化只在疲勞壽命中占很小一部分，且對構(gòu)件力學(xué)性能影響不大，所以本文不做討論．本文將從局部塑性變形產(chǎn)生的滑移位錯形式，磁導(dǎo)率變化特點，以及能量轉(zhuǎn)化方式等角度分析微裂紋形核以及宏觀裂紋擴展對微觀磁結(jié)構(gòu)的影響，從而得出疲勞裂紋發(fā)展對磁信號的影響機理．

2 裂紋萌生階段的微觀機理

疲勞裂紋的萌生過程實質(zhì)上是局部塑性變形增加的過程，也可以看做是材料損傷累積的過程[3]．疲勞裂紋的萌生大都始于表面，裂紋萌生本質(zhì)是材料表面附近損傷累積達到一定程度后的結(jié)果．分布隨機的、不均勻的滑移位錯是損傷的最初表現(xiàn)形式．鐵磁構(gòu)件中存在的第二相(除基相以外的所有相統(tǒng)稱為第二相)，以及孔洞、偏析、夾雜等缺陷，所有這些導(dǎo)致局部應(yīng)力集中的地方，都有可能是位錯源．在較高應(yīng)力作用下，位錯源還會出現(xiàn)在晶界處．由于反復(fù)單調(diào)荷載的作用，這些位錯源附近會逐漸產(chǎn)生同一方向的塑性滑移并累積．所以在經(jīng)過一定數(shù)量的循環(huán)載荷作用之后會累積大量的塑性滑移，在位錯源附近就會形成永久的滑移帶．在循環(huán)荷載作用下，同一滑移帶的滑移方向相同，不同滑移帶之間會產(chǎn)生相對滑動，而且并不總是沿著同一方向進行，這就會導(dǎo)致在材料表面形成不規(guī)則的凹凸，從而引起更加嚴(yán)重的應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致在滑移帶間萌生裂紋，如圖(1)所示．從能量的角度可以解釋為：試件內(nèi)的位錯在循環(huán)載荷下沿著滑移帶產(chǎn)生的不可逆循環(huán)滑移并堆積，最終在位錯聚集處產(chǎn)生畸變能，當(dāng)畸變能達到臨界時便萌生疲勞裂紋．但是在位錯累積的過程中，位錯并不會以均勻的速度增加．在前期位錯較少時，位錯增加的速度較快；之后由于位錯密度增大，位錯增加的速度放緩，直至能量不斷累積使構(gòu)件開裂[4]．

圖1 試件表面滑移帶示意圖Fig.1 Schematic diagram of specimen surface slip band

3 裂紋萌生狀態(tài)的磁效應(yīng)

處于地磁場環(huán)境下的鐵磁材料在受到外力作用時，它的內(nèi)部總能量Et可以表達為

Et=Eel+Eme+Eσ+Ek+Eb

(1)

其中，Eel為彈性能，Eme為磁彈性能，Eσ為應(yīng)力能，Ek為磁晶各向異性能，Eb為退磁能．在地磁場和應(yīng)力等外部環(huán)境作用下，各部分能量會發(fā)生變化，以使系統(tǒng)總能量趨于平衡．

疲勞裂紋的萌生過程始終伴隨著位錯的不斷產(chǎn)生和塞積，在微觀組織上，這就會形成一個個的應(yīng)力集中，甚至是先進入塑性的小區(qū)域[14]．從能量角度解釋，在這種外部應(yīng)力的作用下系統(tǒng)的能量會增加，為了重新使系統(tǒng)穩(wěn)定，能量就會進行重新分布，這就會導(dǎo)致磁矩的轉(zhuǎn)動，磁疇壁的移動或者是消失，宏觀上就會表現(xiàn)出磁信號參量的異常．在這樣的能量轉(zhuǎn)化過程中，需重點關(guān)注應(yīng)力能Eσ和退磁能Eb的變化[2]．

退磁能Eb是退磁場中磁矩之間相互作用的能量．退磁場是指鐵磁材料被磁化后內(nèi)部產(chǎn)生的反向附加磁場，也被稱作反磁場，可以對鐵磁體內(nèi)部的磁場起到削弱作用．應(yīng)力能Eσ表達式為

對于鐵磁材料，飽和磁致伸縮系λs>0,θ為應(yīng)力方向與磁化方向之間的夾角．當(dāng)θ=0或π時可使Eσ最小[9-10,13]．在疲勞載荷作用過程中，彈性能Eel，磁彈性能Eme，以及磁晶各向異性能Ek都會有所增加，所以為降低系統(tǒng)能量，應(yīng)力能Eσ要減小，應(yīng)力集中處原本雜亂無序的磁矩會向磁化方向偏轉(zhuǎn)，如(2)式所示，使得此處發(fā)生有序磁化，導(dǎo)致此處的磁信號增強．同時，退磁能Eb也會增大，這表明材料內(nèi)部磁矩產(chǎn)生的附加磁場會增強．因此磁荷密度會提高，微觀上就會表現(xiàn)為應(yīng)力集中處的磁荷會產(chǎn)生堆積，散射磁信號增強[5].

此外，對于疲勞荷載而言，在上述能量轉(zhuǎn)換的整個過程中，局部的塑性變形在不斷發(fā)展，那么不斷產(chǎn)生的位錯滑移就會對磁疇壁的移動產(chǎn)生阻礙．在應(yīng)力集中區(qū)域不均勻分布的第二相也會對疇壁的移動產(chǎn)生不同程度的釘扎．這兩種阻礙因素始終都會使磁荷發(fā)生堆積，使得應(yīng)力集中處的磁性號逐漸增強．在裂紋萌生的整個階段，損傷會不斷累積，磁性號會不斷增強，但磁信號并非以均勻的速度增強，這與塑性變形區(qū)應(yīng)力應(yīng)變的發(fā)展速度不同有關(guān)．而應(yīng)力應(yīng)變又會直接影響磁導(dǎo)率，從而使得應(yīng)力集中處磁荷累積的速度產(chǎn)生變化．

4 磁導(dǎo)率在裂紋萌生階段的變化特點

磁導(dǎo)率是表征鐵磁試件磁學(xué)性能的重要指標(biāo)，它表示不同試件導(dǎo)磁性的大小．磁導(dǎo)率越大的材料導(dǎo)磁性越好，越容易被磁化，越容易形成均勻流暢的磁場[11-12]．但是外力作用導(dǎo)致試件不同部位產(chǎn)生的應(yīng)力集中，會影響材料的局部磁導(dǎo)率，從而會對磁化過程產(chǎn)生影響，這也是使得磁荷在應(yīng)力集中處產(chǎn)生堆積的重要原因．根據(jù)能量守恒定律可得相對磁導(dǎo)率μ的表達式為[2]

(3)

式中：λm為飽和磁致伸縮系數(shù)，Bm為飽和磁感應(yīng)強度，μ0為真空磁導(dǎo)率，μ1為初始磁導(dǎo)率．對于同一鐵磁試件，可以把它們看作是定值．可以從表達式看出，相對磁導(dǎo)率隨著應(yīng)力的增加減?。诹鸭y萌生的最初階段，位錯密度快速增加，局部塑性應(yīng)變和應(yīng)力集中累積很快，此時磁導(dǎo)率會迅速減小，因此磁荷累積速率比較高．在HP(y)-N曲線上，可以看出最初階段的曲線較陡峭，說明磁信號隨循環(huán)次數(shù)的變化很快．隨著循環(huán)次數(shù)的增加，磁信號的變化幅度減弱或者基本保持不變．這是因為進入疲勞損傷中期之后，從應(yīng)力的角度看，應(yīng)力σ更加接近屈服應(yīng)力σs．由(3)式可以看出，此時磁導(dǎo)率μ的變化就會趨于平緩．從位錯積累的角度看，疲勞中期的位錯結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，且接近飽和狀態(tài)，所以位錯發(fā)展速率就會比損傷初期降低很多．因此在這一階段，可從HP(y)-N曲線上看出磁信號隨疲勞循環(huán)次數(shù)的增加，相應(yīng)的變化不會很明顯．進入疲勞后期時，高密度的滑移帶和位錯塞積群會不斷進行聚合，這是局部塑性區(qū)在進入裂紋萌生后期時不斷擴大的表現(xiàn)．所以此時疲勞損傷區(qū)的磁導(dǎo)率又進入一個快速下降的階段，磁荷累積速率再一次上升，HP(y)-N曲線的斜率又會逐漸變大，即磁性號隨著循環(huán)次數(shù)的增加變化加快．隨著循環(huán)次數(shù)的進一步增加，已經(jīng)擴展的高密度位錯區(qū)會進一步積累能量，直至達到損傷區(qū)能量的極限狀態(tài)而發(fā)生開裂．此時占疲勞壽命絕大部分的裂紋萌生階段結(jié)束，疲勞試件進入裂紋擴展階段．

5 裂紋擴展和斷裂階段磁信號的變化規(guī)律

在經(jīng)過大量循環(huán)荷載作用之后疲勞裂紋的萌生進入后期階段，此時各應(yīng)力集中處小區(qū)域已產(chǎn)生很明顯的塑性滑移，積累了很高的應(yīng)力能．當(dāng)損傷微裂紋的能量達到材料的臨界狀態(tài)時，鐵磁晶體需要通過釋放應(yīng)力能來減小系統(tǒng)總能量，也即出現(xiàn)宏觀裂紋．宏觀裂紋的出現(xiàn)會使應(yīng)力能Eσ迅速減小，如(1)式所示，此時總能量Et會減小，系統(tǒng)會在新的水平上重新達到平衡．

疲勞裂紋的擴展機理不同于靜載斷裂所適用的Griffith斷裂理論[6]．Griffith理論認為，靜載下，當(dāng)裂紋擴展所釋放出的能量大于或等于產(chǎn)生新裂紋表面所需的能量時，裂紋就會發(fā)展．但是疲勞載荷下裂紋擴展并不滿足這一條件，這就說明疲勞裂紋擴展的機理與靜載作用下不同．疲勞裂紋擴展的實質(zhì)是由于裂紋尖端巨大的應(yīng)力奇異所導(dǎo)致的微觀缺陷的不斷發(fā)展、結(jié)合．同時由于裂紋尖端不斷進行的損傷鈍化—尖銳化過程，使得尖端不斷向前延伸．過程如圖(2)所示[7]．

在圖(2)所示裂紋擴展過程中，對磁信號影響最大的因素就是磁導(dǎo)率．空氣磁導(dǎo)率要遠小于鐵磁材料的磁導(dǎo)率，因此裂縫處大部分磁矩轉(zhuǎn)動和磁疇壁移動就會被阻滯，導(dǎo)致磁化受阻，磁荷堆積，從而形成漏磁場．磁荷隨著裂紋擴展的堆積過程如圖(3)所示．

裂紋間距越寬，磁導(dǎo)率越低，堆積的磁荷就越多，瞬斷之后磁荷分布會發(fā)生變化，最新斷裂處的磁荷堆積最多．這是因為裂紋構(gòu)件即將斷裂時，其內(nèi)部應(yīng)力能遠大于退磁能、磁彈性能、彈性能和各向異性能．瞬斷后，應(yīng)力能Eσ會立即釋放，同時彈性能Eel和磁彈性能Eme都有一定程度的降低，如(1)式所示．根據(jù)熱力學(xué)平衡原理，此時退磁能Eb要迅速增大，以使系統(tǒng)能量趨于穩(wěn)定．此時退磁能會立即占到主導(dǎo)地位，也即總能量由斷口兩側(cè)磁荷產(chǎn)生的能量為主．所以瞬斷區(qū)會很快積累大量磁荷．

圖2 兩類常見疲勞裂紋擴展過程Fig.2 Two kinds of common fatigue crack growth processes

圖3 疲勞裂紋擴展及斷裂過程的磁荷分布Fig.3 Magnetic charge distribution of fatigue crack growth and fracture process

6 結(jié)論

(1) 裂紋萌生的過程，實際上是同向滑移不斷進行而形成滑移帶，然后局部塑形不斷累積發(fā)展的過程．滑移帶之間的相對錯動是萌生裂紋的重要原因，疲勞裂紋大都萌生于試件表面，因此試件表面的狀況對疲勞裂紋有很大影響．

(2)從能量的角度可以很好地解釋裂紋萌生過程中磁信號的變化機理．退磁能增加以削弱原磁場由于應(yīng)力增加而產(chǎn)生的能量，是應(yīng)力集中區(qū)不斷積累磁荷的重要原因．

(3)損傷累積過程中磁導(dǎo)率的變化對磁信號有著非常重要的影響．應(yīng)力越大磁導(dǎo)率越低，越容易堆積磁荷，所以磁信號也就會越強．

(4)裂紋擴展主要是由裂尖鈍化和裂尖缺陷結(jié)合兩種因素共同引起．開裂后空氣磁導(dǎo)率遠低于鐵磁材料磁導(dǎo)率是磁荷迅速堆積的主要原因，裂紋越寬磁荷越多．瞬斷后由于系統(tǒng)需要增加退磁能以使能量趨于穩(wěn)定，所以退磁能急劇增加，導(dǎo)致新斷裂區(qū)磁荷密度最高．