基于矯頑力與剩磁的鐵磁性材料應(yīng)力測(cè)量

任旭虎 孫曉 李德文 蘇建楠 艾潔

摘要：鐵磁性材料的磁滯回線代表其在外加磁場(chǎng)下的基本磁特性，磁滯回線反映的磁特性參數(shù)磁導(dǎo)率μ、矯頑力H_c、剩磁M_R能靈敏地反應(yīng)鐵磁性材料的微觀組織結(jié)構(gòu)。針對(duì)鐵磁性材料受應(yīng)力易發(fā)生形變的問(wèn)題，該文研究鐵磁性材料內(nèi)部磁疇結(jié)構(gòu)和所受應(yīng)力的關(guān)系.利用應(yīng)力引起的磁特性參數(shù)的變化確定材料所受的應(yīng)力大小，基于U型磁軛的電磁檢測(cè)原理，測(cè)量激勵(lì)線圈中的電流值和感應(yīng)線圈上的電壓值，采集被測(cè)磁回路的磁滯回線并計(jì)算矯頑力、剩磁。結(jié)果表明：矯頑力數(shù)值會(huì)隨拉力的增大而升高，剩磁隨拉力的增大呈階段性變化，利用矯頑力與剩磁可以實(shí)現(xiàn)鐵磁性材料的受力分析。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力測(cè)量；鐵磁性材料；矯頑力；剩磁；磁參數(shù)

0引言

鐵磁性材料具有極佳的機(jī)械特性，是石油工業(yè)領(lǐng)域中使用最為廣泛的材料之一。石油各種設(shè)備通常選用低碳鋼制作，隨著時(shí)間的積累，服役設(shè)備不可避免地出現(xiàn)疲勞失效，疲勞失效的部位通常出現(xiàn)在應(yīng)力集中區(qū)域。在應(yīng)力集中區(qū)域，設(shè)備局部所承受的應(yīng)力往往是正常情況下的數(shù)倍甚至數(shù)十倍，極易發(fā)生疲勞、變形和腐蝕加速，嚴(yán)重會(huì)發(fā)展成為裂紋，從而引發(fā)設(shè)備斷裂。

現(xiàn)階段，常規(guī)的電磁無(wú)損檢測(cè)方法只能針對(duì)鐵磁性材料的斷裂、破損等宏觀應(yīng)力缺陷進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)其在應(yīng)力作用下微觀組織變化的檢測(cè)效率低下。

鐵磁性材料在外加交變的磁場(chǎng)下，鐵磁性材料在正向磁場(chǎng)下從初始狀態(tài)逐漸磁化至飽和狀態(tài)的過(guò)程稱為磁化過(guò)程，施加反向磁場(chǎng)鐵磁性材料從飽和狀態(tài)退回為無(wú)磁性狀態(tài)的過(guò)程稱為反磁化過(guò)程。當(dāng)外加磁場(chǎng)變化一整個(gè)周期，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化而形成一條閉合的曲線稱為磁滯回線。磁滯回線上反映的磁特性參數(shù)能靈敏地反應(yīng)鐵磁性材料的微觀組織結(jié)構(gòu)。針對(duì)鐵磁性材料受力易發(fā)生形變的問(wèn)題.本文設(shè)計(jì)開發(fā)了基于U型磁軛的鐵磁性材料磁參數(shù)采集系統(tǒng)，利用電磁檢測(cè)技術(shù)采集被測(cè)受力試件的磁滯回線并計(jì)算矯頑力、剩磁參數(shù)，完成對(duì)鐵磁性材料受力的早期安全評(píng)估。

1測(cè)量原理

如圖1所示，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨外加磁場(chǎng)變化滯后于初始磁化曲線，外加磁場(chǎng)變化一個(gè)周期，磁感應(yīng)強(qiáng)度變化形成磁滯回線。從磁滯回線可以得到表征材料磁滯性能的重要參數(shù)，剩磁為磁場(chǎng)強(qiáng)度為0時(shí)對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B_r，矯頑力為磁感應(yīng)強(qiáng)度為0時(shí)對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H_c。鐵磁性材料受到應(yīng)力作用時(shí)，通過(guò)測(cè)量材料本身矯頑力與剩磁的大小，即可間接測(cè)量材料所受應(yīng)力大小及應(yīng)力分布，達(dá)到應(yīng)力應(yīng)變的檢測(cè)功能。

鐵磁性材料磁疇結(jié)構(gòu)如圖2所示，在外磁場(chǎng)作用下，應(yīng)力能會(huì)使材料的磁化強(qiáng)度發(fā)生取向的改變，因而會(huì)使磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化；疇壁能即疇壁發(fā)生移動(dòng)而產(chǎn)生的能量，應(yīng)力阻礙疇壁移動(dòng)使疇壁能發(fā)生改變，疇壁的不可逆移動(dòng)與材料的磁化特性參數(shù)相關(guān)，因此應(yīng)力會(huì)通過(guò)影響疇壁能而改變磁化特性參數(shù)。

在U型磁軛上纏繞激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈構(gòu)成磁測(cè)探頭，放置于被測(cè)試件表面與被測(cè)區(qū)域形成閉合回路，測(cè)量原理如圖3所示。在激勵(lì)線圈中施加交變的激勵(lì)電壓，閉合磁路會(huì)產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，當(dāng)鐵磁性試件受到應(yīng)力的作用，通過(guò)檢測(cè)線圈的磁通量會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，檢測(cè)線圈將磁回路中產(chǎn)生的電磁感應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，磁通量變化會(huì)引起感應(yīng)電壓的變化，激勵(lì)電壓變化一個(gè)周期，可由磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電壓和磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)電壓描繪出完整的磁滯回線，通過(guò)采集磁滯回線的磁特征參數(shù)，即可得到試件所受應(yīng)力與矯頑力、剩磁的關(guān)系。

試件受應(yīng)力作用后，內(nèi)部磁疇排列改變，導(dǎo)致磁回路的磁通量發(fā)生改變，圖3的等效磁回路方程可表示為

經(jīng)理論分析.磁場(chǎng)強(qiáng)度正比于流過(guò)檢測(cè)線圈的電流強(qiáng)度，感應(yīng)電壓與磁通量的微分呈正比關(guān)系，對(duì)感應(yīng)電壓進(jìn)行積分，并對(duì)激勵(lì)電流與感應(yīng)積分電壓雙路同步采集，即可得到磁滯回線。

2系統(tǒng)測(cè)量方案設(shè)計(jì)

鐵磁性材料磁參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括可控周期性激勵(lì)模塊設(shè)計(jì)、雙路同步磁參數(shù)接收采集模塊設(shè)計(jì)、磁參數(shù)采集總控及綜合分析軟件設(shè)計(jì)3部分。鐵磁性材料磁參數(shù)采集系統(tǒng)通過(guò)磁參數(shù)采集總控軟件發(fā)出控制命令，控制激勵(lì)模塊產(chǎn)生足夠功率的激勵(lì)信號(hào)，施加到磁測(cè)探頭，產(chǎn)生周期性磁場(chǎng)，對(duì)被測(cè)鐵磁性材料完成磁化。

可控周期激勵(lì)單元CPU接受總控單元命令，基于DDFS信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生可控磁場(chǎng)激勵(lì)信號(hào)，其頻率、幅度可調(diào)，頻率調(diào)節(jié)范圍為20～100 Hz，幅度范圍為2.5-2.5 v，經(jīng)過(guò)功率放大電路產(chǎn)生足夠大的磁場(chǎng)磁化電流，并施加到磁測(cè)探頭激勵(lì)線圈，完成對(duì)鐵磁性材料的磁化。同時(shí)針對(duì)不同磁測(cè)探頭，激勵(lì)電流可在0-3 A范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，整個(gè)裝置具有良好的散熱性，滿足矯頑力測(cè)量要求。

鐵磁性材料磁參數(shù)采集系統(tǒng)是通過(guò)系統(tǒng)的雙路同步磁參數(shù)接收采集模塊實(shí)時(shí)采集磁測(cè)探頭感應(yīng)的電磁感應(yīng)信號(hào)。鐵磁性材料受可控周期性磁場(chǎng)信號(hào)磁化后，產(chǎn)生同步周期磁感應(yīng)信號(hào)?；诖艤鼐€剩磁測(cè)量原理，需對(duì)激勵(lì)和感應(yīng)信號(hào)同步周期采集，需開發(fā)雙路激勵(lì)感應(yīng)同步接收采集裝置。雙路同步接收采集裝置在總控系統(tǒng)協(xié)調(diào)下，按照一定的采樣頻率，同步采集激勵(lì)感應(yīng)信號(hào)并回傳給總控分析系統(tǒng)，為后續(xù)剩磁和應(yīng)力多參數(shù)分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

儀器總控軟件與激勵(lì)和同步采集單元雙向通信，其功能示意圖如圖4所示。按照用戶需求，將相關(guān)控制命令下傳給激勵(lì)和采集模塊，同時(shí)將雙路同步磁參數(shù)接收采集裝置所傳輸?shù)拇鸥袘?yīng)、激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，基于矯頑力、剩磁與應(yīng)力的理論分析，計(jì)算系統(tǒng)測(cè)試矯頑力、剩磁的值，為鐵磁性材料應(yīng)力分布評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。

3系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

3.1功率放大電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)將功率放大電路設(shè)計(jì)為3片TDA7293主從模式級(jí)聯(lián)放大，單片最大輸出功率100w，主從模式下其最大輸出功率可達(dá)255 w，可將信號(hào)源產(chǎn)生的正弦信號(hào)進(jìn)行放大輸送到激勵(lì)線圈產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，功率放大電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

U1為主功放，U2、U3為從路功放。C7～C9為自舉電容，可以提高主從電路的輸出能力。R4、R8、R9為輸出均流電阻，取值在0.33 Ω以下，以免輸出內(nèi)阻增大導(dǎo)致輸出功率降低。R2、R3電阻決定整個(gè)放大電路的閉環(huán)增益，R5、C6組成一階RC濾波，有利于提高整個(gè)電路的穩(wěn)定性。D1、R5、R6、R7組成開關(guān)機(jī)保護(hù)電路，防止開機(jī)關(guān)機(jī)瞬間輸出大功率信號(hào)損壞芯片。

3.2同步采集周期控制電路

同步采集周期控制電路如圖6所示，UC3A為過(guò)零電壓比較器，輸出負(fù)載電阻接3.3v電源，不受Vcc端電壓值的限制。激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)對(duì)零電壓比較器，產(chǎn)生與激勵(lì)信號(hào)周期相同的方波，通過(guò)二極管與3.3 v上拉電阻RC49將電壓比較器的輸出電壓限制在0～3.3 V，以免電壓過(guò)大損壞控制芯片。通過(guò)電壓比較器產(chǎn)生方波的上升沿，STM32根據(jù)上升沿的產(chǎn)生次數(shù)，控制AD芯片采集周期的開始與結(jié)束，達(dá)到每次AD采集為一個(gè)完整周期信號(hào)的目的。

3.3磁感應(yīng)信號(hào)積分電路

由于感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)電壓信號(hào)的積分成正比例關(guān)系，感應(yīng)信號(hào)首先經(jīng)過(guò)積分電路進(jìn)行積分，積分時(shí)間需要滿足大于感應(yīng)信號(hào)的周期時(shí)間，在經(jīng)過(guò)積分電路時(shí)，由于積分電容與積分電阻的作用，產(chǎn)生的積分信號(hào)的幅值會(huì)有衰減，需在經(jīng)過(guò)反向放大器進(jìn)行適當(dāng)倍數(shù)的放大，經(jīng)過(guò)電壓跟隨器進(jìn)行隔離，進(jìn)入AD芯片通道進(jìn)行信號(hào)采集，其原理圖如圖7所示。

積分電路的積分時(shí)間由R2、C36決定，電阻R6可以消除由于溫漂、失調(diào)電壓、電流帶來(lái)的誤差，其需滿足R6>>R2的條件。電阻RFD與電阻R8決定反向放大電路的放大系數(shù)，將積分后的電壓信號(hào)調(diào)節(jié)至±10 V以內(nèi)，便于充分利用AD7656的量程提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。

4磁測(cè)探頭設(shè)計(jì)

探頭選擇U型磁芯，在選擇磁芯材料時(shí)，需要考慮激勵(lì)信號(hào)頻率、磁導(dǎo)率、損耗及價(jià)格等因素。本文所使用的激勵(lì)信號(hào)頻率為30 Hz，屬于低頻電磁場(chǎng)，綜合材料磁特性后，為了避免探頭內(nèi)的渦流效應(yīng)，減小脈沖信號(hào)在探頭內(nèi)的能量損耗，鐵芯材料使用錳鋅鐵氧化體，其尺寸為長(zhǎng)80mm，高64.5mm，磁靴底面尺寸為31mmx20mm。其與被測(cè)時(shí)間形成磁回路的長(zhǎng)度為230mm，可對(duì)被測(cè)面積1200m㎡鐵磁性材料試件區(qū)域的磁滯回線和矯頑力進(jìn)行有效測(cè)量。

激勵(lì)線圈的線徑?jīng)Q定了激勵(lì)電流的大小，其匝數(shù)與線圈兩端產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度密度相關(guān)，激勵(lì)線圈的匝數(shù)越多，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度就越大。同時(shí)，激勵(lì)線圈兩端的磁場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)強(qiáng)或過(guò)弱，會(huì)引起嚴(yán)重的非線性并降低靈敏度。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，系統(tǒng)選用0.82 mm漆包線纏繞200匝作為激勵(lì)線圈，在功放電路的作用下，流過(guò)線圈的最大電流可達(dá)3A，最大可產(chǎn)生3kA/m的磁場(chǎng)強(qiáng)度，可以使被測(cè)鐵磁性試件完全磁化，選用0.27mm銅漆包線纏繞210匝作為檢測(cè)線圈，可檢測(cè)到較強(qiáng)的電壓信號(hào)。

選用低碳鋼Q235作為被測(cè)鐵磁性試件，其長(zhǎng)寬厚為400 mmx50 mmx8mm，采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)其施加拉力，在鐵磁性試件中部區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域，將磁測(cè)探頭放置在應(yīng)力集中區(qū)域上方構(gòu)成閉合回路。

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

鐵磁性材料在現(xiàn)實(shí)使用中主要受拉應(yīng)力的作用，為了研究拉應(yīng)力對(duì)被測(cè)試件矯頑力的影響，對(duì)被測(cè)Q235鋼試件施加拉應(yīng)力，測(cè)量矯頑力與剩磁的變化，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量分析軟件運(yùn)行如圖8所示。

使用拉力機(jī)對(duì)兩塊同一材質(zhì)的Q235鋼試件分別施加拉應(yīng)力，為了確保試件處于屈服狀態(tài)，分別施加0，25，50，75，100，125，150，175，200 MPa的拉應(yīng)力。使用頻率為30Hz的激勵(lì)信號(hào)，在其中間應(yīng)力集中部分平行于拉應(yīng)力的方向上進(jìn)行磁化和測(cè)量，可得矯頑力與剩磁的數(shù)值變化，如圖9所示。

在彈性范圍內(nèi)，隨著拉應(yīng)力的增加，在100MPa范圍內(nèi)，矯頑力數(shù)值會(huì)有小范圍波動(dòng)，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)100MPa時(shí)，矯頑力數(shù)值會(huì)有跳躍式的上升，剩磁的變化量相比于矯頑力，其數(shù)值變化更為明顯，在100MPa受力以內(nèi)，其隨拉應(yīng)力的增大而逐漸增大，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)100MPa后，剩磁會(huì)隨拉應(yīng)力的增大而逐漸減小，根據(jù)這兩個(gè)變化特性可以區(qū)分彈性范圍內(nèi)鐵磁性材料的受力范圍。

使用拉力機(jī)對(duì)Q235鋼試件施加拉應(yīng)力，為了確保試件達(dá)到塑性形變，先對(duì)Q235鋼試件施加300 MPa的拉應(yīng)力使其發(fā)生塑性形變后釋放拉力，再對(duì)其分別施加0，50，100，150，200，250，300，325 MPa的拉應(yīng)力，并對(duì)其反復(fù)進(jìn)行拉應(yīng)力加載。使用頻率為30 Hz的激勵(lì)信號(hào)，在其中間應(yīng)力集中部分平行于拉應(yīng)力的方向上進(jìn)行磁化和測(cè)量.可得矯頑力與剩磁變化如圖10所示。

試件在發(fā)生塑性形變后，矯頑力隨拉力的增大而增大.在200MPa以內(nèi)剩磁會(huì)隨拉力的增大而增大，超過(guò)200 MPa后剩磁會(huì)減小，根據(jù)這兩個(gè)變化特性可以區(qū)分塑性變形后鐵磁性材料的受力范圍。

使用拉力機(jī)對(duì)Q235鋼試件施加拉應(yīng)力，對(duì)其不斷施加拉力直至將試件拉斷，如圖11所示。使用頻率為30 Hz的激勵(lì)信號(hào)，對(duì)拉斷的試件所標(biāo)注的6個(gè)部位進(jìn)行測(cè)量得矯頑力與剩磁變化如圖12所示。

Q235被測(cè)試件從正常部位到斷裂處靠近，矯頑力的數(shù)值不斷增大，說(shuō)明隨著試件所受應(yīng)力的損傷程度增加，矯頑力對(duì)試件受應(yīng)力產(chǎn)生損傷性形變有很好的檢出性，剩磁隨著向斷裂處不斷靠近，數(shù)值會(huì)先增加，到斷裂處后，剩磁數(shù)值減小。根據(jù)這兩個(gè)數(shù)據(jù)的變化可對(duì)受力產(chǎn)生不可逆損傷的材料進(jìn)行受力分析。

6結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本文提出的磁參數(shù)檢測(cè)方法，分析了矯頑力、剩磁與拉應(yīng)力的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了矯頑力與剩磁對(duì)鐵磁性試件所受應(yīng)力有較好的檢出性，矯頑力會(huì)隨拉力的增大而增大，剩磁在一定的應(yīng)力范圍內(nèi)會(huì)隨拉力的增大而增大，當(dāng)拉力超過(guò)一定極限后，會(huì)隨拉力的增大而減小，可以通過(guò)這兩個(gè)磁特性參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵磁性材料的應(yīng)力分析。