基于磁記憶檢測方法的45鋼應(yīng)力集中評價

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(1.江西省鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院，南昌 330029；2.江西省鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院南昌分院，南昌 330006；3.南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室，南昌 330063)

通常情況下，鐵磁性零部件在承受載荷的過程中會出現(xiàn)殘余應(yīng)力集中的現(xiàn)象，在殘余應(yīng)力集中的區(qū)域容易萌生裂紋，而使得鐵磁性零部件的使用壽命受到極大的影響[1-2]。金屬磁記憶檢測技術(shù)可以準確地檢測出鐵磁性材料中的應(yīng)力集中情況，是目前能夠?qū)﹁F磁構(gòu)件進行早期診斷的無損檢測方法之一[3-4]。該技術(shù)具有易于操作、高靈敏度、可靠性好，以及無需考慮提離效應(yīng)、無需專門進行磁化等特點[5-7]。

筆者基于金屬磁記憶效應(yīng)機理，以靜載拉伸試驗為檢測手段開展研究工作，實現(xiàn)了對45鋼試樣磁記憶信號的檢測，分析了試樣磁記憶信號二維分量的信號特征，分析了磁記憶信號微分后合成的李薩如圖形的歸一化當(dāng)量與拉伸載荷之間的內(nèi)在聯(lián)系，為判別應(yīng)力集中程度提供了相關(guān)依據(jù)，可為45鋼的磁記憶檢測應(yīng)用提供參考。

1 試件制備及試驗方案

試件材料為45鋼，試件規(guī)格(長×寬×厚)為200 mm×35 mm×2 mm，試件的幾何尺寸及檢測路徑如圖1所示。材料的主要性能參數(shù)為：屈服強度355 MPa;抗拉強度526 MPa;彈性模量210 000 MPa。在試件兩側(cè)預(yù)置兩個直徑為10 mm的U型缺口，中間預(yù)設(shè)3條長度為60 mm的測量線，測量線之間的間距為5 mm。

圖1 試件幾何尺寸及檢測路徑示意

45鋼作為一種高強度鋼，含碳量高，無明顯屈服階段，但塑性變形顯著，在斷裂前會出現(xiàn)明顯的縮頸或形變。為了減小各種因素對試件初始磁信號產(chǎn)生的不利影響，采用去應(yīng)力退火對試件進行處理。

試驗所需設(shè)備為:① WDW-E100D型電子程控試驗機，如圖2(a)所示；② LakeShore421弱磁測量儀；③ 實驗室自制的磁記憶二維檢測裝置,如圖2(b)所示。

圖2 磁記憶信號檢測系統(tǒng)裝置外觀圖片

圖3 1號測量路徑上的磁記憶信號分布曲線

試驗過程為:將載荷設(shè)定為0.2σs(σs為屈服強度),0.4σs,0.6σs,0.8σs,0.9σs,σs，1.1σs,1.2σs,σb(抗拉強度)進行拉伸試驗。當(dāng)試件處于預(yù)定載荷時，弱磁測量探頭沿著檢測路徑測量試件的磁記憶信號二維分量。

拉伸過程中，加載速率設(shè)定為0.5 mm·min-1。對于二維檢測裝置中的磁場測量，為提高檢測效率，將采樣間距設(shè)定為1 mm。

2 檢測結(jié)果及分析

采用磁記憶二維檢測法，對圖1所示的1，2,3號測量線上的磁記憶信號二維分量進行檢測，得到預(yù)定載荷下的磁記憶信號分布曲線,如圖3，4，5所示。圖中HP(x)為磁記憶信號切向分量,HP(y)為磁記憶信號法向分量。

圖4 2號測量路徑上的磁記憶信號分布曲線

圖5 3號測量路徑上的磁記憶信號分布曲線

將3條測量線上的磁記憶信號二維分量進行對比，發(fā)現(xiàn)試件缺口處的磁記憶信號變化遵循以下規(guī)律：當(dāng)試件未進行加載時，切向分量的分布曲線存在單峰現(xiàn)象，法向分量的分布曲線無特征現(xiàn)象而可近似看成一條直線，進一步表明切向分量與拉伸載荷間的相關(guān)性更好；隨著拉伸載荷的增大，磁記憶信號切向分量和法向分量的幅值越來越大，特征現(xiàn)象也越來越明顯；當(dāng)拉伸載荷達到彈性階段末期進入屈服階段時，切向分量峰值先減小后回升，法向分量幅值也出現(xiàn)同樣的變化；當(dāng)拉伸載荷完全處于塑性階段時，磁記憶信號二維分量幅值持續(xù)遞增，特征現(xiàn)象愈發(fā)顯著。通過觀察圖3，4，5可以發(fā)現(xiàn)，3條測量線上測得的切向分量幅值無明顯差異，而法向分量幅值有所不同，其中3號測量線上測得的法向分量幅值最大，應(yīng)力集中程度最嚴重，2號測量線上測得的信號數(shù)值次之，1號線上的最小。根據(jù)磁場理論，應(yīng)力集中程度越嚴重的區(qū)域，磁記憶信號的幅值越大，但是磁記憶信號是弱磁信號，在進行試驗的過程中容易受到各個方面因素的影響，所以，試驗測得的磁記憶信號的數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)存在一些差異。

通過分析和比較可以發(fā)現(xiàn)，3號測量線上測得的磁信號特征現(xiàn)象最為顯著，通過對磁記憶信號二維分量進行微分處理得到相關(guān)分量的梯度，進而合成磁記憶信號的李薩如圖形，如圖6所示。

圖6 U型缺口試件3號測量線上的李薩如圖形

從圖6可看出，不同拉伸載荷作用下的李薩如圖形區(qū)域面積的變化具有一定的規(guī)律。在初始階段，區(qū)域面積較小，隨著載荷的不斷增大，形成封閉區(qū)域的大小逐漸增大，在屈服階段附近出現(xiàn)反向減小，之后伴隨載荷的繼續(xù)增大，封閉區(qū)域的大小迅速增大。計算的李薩如圖形封閉區(qū)域的當(dāng)量面積如表1所示。

表1 U型缺口試件3號測量線上李薩如圖形封閉區(qū)域的當(dāng)量面積

由于求解的李薩如圖形封閉區(qū)域大小的數(shù)量級較低，采用歸一化處理方法，對表1中計算出的當(dāng)量面積進行歸一化處理，歸一化公式為

(1)

式中:Si為不同應(yīng)力下的封閉區(qū)域大小的當(dāng)量值；Smax為最大的封閉區(qū)域當(dāng)量面積；Ai為李薩如圖形封閉區(qū)域的歸一化當(dāng)量。

為了對應(yīng)力集中程度進行定量化分析，將區(qū)域面積進行歸一化處理以及非線性擬合，得到歸一化當(dāng)量隨載荷變化的非線性擬合曲線，如圖7所示。Boltzmann函數(shù)回歸是一種廣義的線性回歸方法，具有A2+(A1-A2)/{1+exp[(x-x0)/dx]}的特征方程，其中A1,A2和dx是待求系數(shù)。擬合函數(shù)中A1=0.062 39，A2=0.974 82，x0=10.754 94，dx=0.653 98，可見相關(guān)度Adjusted R-square(相關(guān)系數(shù) )為0.973 87，表明李薩如圖面積當(dāng)量與拉伸載荷相關(guān)性極好，因此可以利用封閉區(qū)域面積當(dāng)量遵循的Boltzmann曲線對應(yīng)力集中進行定量分析。

圖7 歸一化當(dāng)量值隨應(yīng)力變化的非線性擬合曲線

從圖7可看到，歸一化當(dāng)量隨應(yīng)力的變化出現(xiàn)三個階段:首先是緩慢增長階段，該階段從未加載應(yīng)力至彈性階段中后期，歸一化當(dāng)量數(shù)值較小，一般小于0.2，增長速率較小;第二階段是反向減小階段，此階段為彈性階段末期至屈服階段，歸一化當(dāng)量有所減小;第三階段是劇烈增長階段，在第三階段己進入塑性階段，歸一化當(dāng)量增長速率較大，幾乎成倍數(shù)增長，向歸一化當(dāng)量值1逼近。

3 結(jié)論

(1) 試件受到拉力的不斷作用后，在局部缺口附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，此時表面磁記憶信號出現(xiàn)特征現(xiàn)象。其中切向分量分布曲線存在異變峰值，法向分量分布曲線經(jīng)過零點，因此可用是否出現(xiàn)磁記憶信號特征現(xiàn)象來判定有無應(yīng)力集中的產(chǎn)生。

(2) 磁記憶信號法向分量分布曲線出現(xiàn)過零點現(xiàn)象時，切向分量磁記憶信號分布曲線都會出現(xiàn)應(yīng)變峰值現(xiàn)象，而切向分量磁記憶信號出現(xiàn)峰值特征時，法向分量信號可能未過零點。因此表明，對于試件表面的磁記憶信號，切向分量信號與拉伸載荷間存有更好的相關(guān)性。

(3) 李薩如圖形封閉區(qū)域的歸一化當(dāng)量隨應(yīng)力的增大先緩慢增大，當(dāng)應(yīng)力進入屈服階段附近時歸一化當(dāng)量會有所減小，之后隨著應(yīng)力的繼續(xù)增大，歸一化當(dāng)量又繼續(xù)增大且增大速率越來越快?？梢园l(fā)現(xiàn)李薩如圖形封閉區(qū)域的歸一化面積與應(yīng)力間的曲線呈非線性關(guān)系，從而可擬合出一條定量判定曲線，利用這一判定曲線可以很好地對應(yīng)力集中程度進行定量評價。

[1] 任吉林,林俊明.電磁無損檢測[M].北京:科學(xué)出版社,2008.

[2] DOUBOV A A. Screening of weld quality using the magnetic metal memory effect[J]. 1998, 41:196-199.

[3] DUBOV A A. Development of a metal magnetic memory method[J]. Chemical & Petroleum Engineering, 2012, 47(11/12):837-839.

[4] YANG L J, LIU B, CHEN L J, et al. The quantitative interpretation by measurement using the magnetic memory method (MMM)-based on density functional theory[J].Ndt & E International, 2013, 55(3):15-20.

[5] 任吉林，林俊明，任文堅.金屬磁記憶檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].無損檢測，2012, 34(4): 3-10.

[6] 任吉林，王振，饒琪,等.新型磁記憶檢測儀器[J]. 無損檢測,2013,35(4):70-74.

[7] 任吉林,唐繼紅,鄔冠華,等. 金屬的磁記憶檢測技術(shù)[J]. 無損檢測,2001,23(4):154-156.

[8] 黎連修.磁記憶技術(shù)若干問題討論[C]∥第十屆全國無損檢測大會論文集.南昌:中國機械工程學(xué)會,2013.

[9] 任吉林，王進，范振中,等. 一種磁記憶檢測定量分析的新方法[J]. 儀器儀表學(xué)報,2010,31(2):431-436.

[10] 王丹，董世運，徐濱士,等.靜載拉伸45鋼材料的金屬磁記憶信號分析[J].材料工程,2008(8):77-80.

[11] 唐繼紅，潘強華，任吉林,等.靜載拉伸下磁記憶信號磁記憶變化特征分析[J].儀器儀表學(xué)報，2011,32(2):336-340.

[12] 孫玉江,樊建春,徐鵬誼. 基于磁記憶檢測的鉆具螺紋修扣前后應(yīng)力集中程度的評價[J]. 無損檢測, 2014,36(5):6-10.

[13] 于敏, 緱瑞賓, 仇飛,等. 靜載拉伸過程中Q235鋼屈服行為與磁畸變關(guān)系研究[J]. 熱加工工藝, 2017,46(10):90-93.

[14] 胡斌,李運濤. 風(fēng)電塔筒凹陷的磁記憶檢測[J]. 無損檢測,2016,38(11):34-36.