受拉鋼絲應(yīng)力狀態(tài)的磁記憶信號峰峰值判別技術(shù)

蘇三慶，高志剛，王 威

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安710055；2. 西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安710054)

鋼絲繩作為一種撓性承載機(jī)構(gòu)，由多根鋼絲捻制而成，其承載的工作強(qiáng)度高，過載及變形能力強(qiáng)，自重輕，工作狀態(tài)下噪聲小，被廣泛應(yīng)用于煤礦，冶金，石油，建筑等領(lǐng)域[1]，同時，鋼絲繩在長期的工作情況下還面臨磨損、斷絲、銹蝕等損害情況，因此，鋼絲繩的檢測技術(shù)應(yīng)運而生，在這些檢測手段中又以電磁檢測技術(shù)應(yīng)用最為廣泛[1-2]，而傳統(tǒng)的電磁檢測技術(shù)以漏磁檢測技術(shù)最為普遍，但不管是電磁還是非電磁檢測技術(shù)，只能單純的判斷鋼絲繩的損傷情況，卻不能反映鋼絲繩的承載受力狀態(tài)，或者是應(yīng)力應(yīng)變狀況.

磁記憶檢測技術(shù)作為一種新興的無損檢測技術(shù)，在不破壞原有構(gòu)件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，以大地磁場作為勵磁源，以磁滯伸縮原理為基礎(chǔ)，不僅能夠反映構(gòu)件的損傷情況，而且也能反映構(gòu)件在受荷條件下的承載及應(yīng)力應(yīng)變情況，現(xiàn)已在石油管道，壓力容器等領(lǐng)域得到應(yīng)用[3-6].而鋼絲繩用材為低碳冷拔鋼絲，因此，有必要針對鋼絲繩的特殊材質(zhì)，探索磁記憶檢測技術(shù)在鋼絲繩領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展.

在外力作用下，鐵磁體產(chǎn)生磁致伸縮性質(zhì)的變形，從而引起磁疇壁的位移，這種位移必然引起磁疇的自發(fā)磁化方向以增加磁彈性能，來抵消應(yīng)力能的增加，這種磁狀態(tài)的不可逆變化在工作荷載消失后會得到保留，記憶著構(gòu)件應(yīng)力集中區(qū)位置，這就是金屬材料的磁記憶效應(yīng)[7-9].

鐵磁體內(nèi)部或多或少都會存在一些物理不連續(xù)現(xiàn)象，當(dāng)承受荷載時這些部位會產(chǎn)生應(yīng)力集中，在較大的應(yīng)力應(yīng)變條件下，應(yīng)力能增加，從能量最小的觀點出發(fā)，此時的磁彈性能增加，磁疇的方向發(fā)生改變，并趨于一致[10]，此時在鐵磁體表面的磁記憶信號便會出現(xiàn)一定的特征變化，典型的特征量為鐵磁體表面磁場的法向分量出現(xiàn)過零點現(xiàn)象，而切向分量出現(xiàn)極值.

但磁記憶檢測作為一種弱磁檢測其影響因素較多[11]，比如環(huán)境磁場的干擾，加載方向及檢測方向的影響，鐵磁體材質(zhì)及形狀的影響等等.這些影響因素往往使獲取的磁記憶信號并不具有典型的特征.因此有必要針磁記憶檢測技術(shù)在鋼絲繩上的應(yīng)用做進(jìn)一步研究.本文以帶缺損的鋼絲繩單絲為研究對象，以期能找到一種適用于鋼絲拉伸破壞的磁記憶判別手段，為下一步整繩的研究做好基礎(chǔ).

2 試驗方案

試驗選用6×37異形三角股鋼絲繩為研究對象，選取其中一股的最外層鋼絲進(jìn)行單軸拉伸試驗，鋼絲公稱直徑d=2.7 mm，公稱抗拉強(qiáng)度1 670 MPa，鋼絲總長400 mm，有效拉伸長度300 mm，檢測區(qū)域200 mm，在檢測區(qū)域內(nèi)設(shè)置兩處缺口，缺口深度h=0.2 d,寬度w=2 mm,兩缺口相聚80 mm,距檢測區(qū)兩端60mm，供選用3根鋼絲進(jìn)行加載，分別編號為：1號試件、2號試件、3號試件，試驗在萬能拉伸試驗機(jī)上進(jìn)行，采用分級加載的方式進(jìn)行加載，荷載分級為0 kN、2 kN、4 kN、5 kN、6 kN、7 kN、8 kN、9 kN.同時采取保載測量的方式，在目標(biāo)荷載狀態(tài)下獲取試件表面的磁記憶信號.加載及測量如圖1所示.

圖1 加載及測量Fig.1 Loading and measuring

在檢測區(qū)內(nèi)沿試件縱向設(shè)置一條檢測線，并且使這條檢測線通過兩處缺陷，在檢測線上設(shè)置29個檢測點，依次編號為1～29，兩處缺陷位置分別位于9點及21點，并在缺陷處設(shè)置檢測加密區(qū)，采用手動測量的方式獲取磁記憶信號.在非加密區(qū)測點的間距為10 mm，在加密區(qū)測點的布置為非等間距，具體布置如圖2所示.

圖2 (a)缺陷位置 (b)加密區(qū)測點布置Fig.2 (a) Defect position (b) Distribution of test points in dense area

檢測裝置選用EMS-2003磁記憶/渦流檢測儀，如圖3所示，探頭選用筆式探頭，分辨率1 A/m，量程±1 000 A/m，儀器顯示設(shè)為數(shù)顯、雙蹤內(nèi)時鐘，在檢測之前進(jìn)行歸一化處理，目的是將連接的探頭與大地磁場做校準(zhǔn)操作，使儀器與探頭相互匹配，校準(zhǔn)完成后兩通道顯示數(shù)值為40左右.選用的筆式探頭具有屏蔽環(huán)境磁場的作用，因設(shè)置為雙蹤，此時CH1顯示環(huán)境磁場，CH2顯示綜合磁場，在參數(shù)調(diào)整選項內(nèi)選擇-CH1，此時的CH1顯示為0，CH2數(shù)值即為綜合磁場減去環(huán)境磁場后的磁記憶信號[12].另外檢測時保持筆式探頭與鋼絲垂直，探頭緊貼試件表面以減小提離高度的影響，每個測點讀取3次磁記憶信號.

圖3 檢測設(shè)備Fig.3 Testing equipment

3 試驗現(xiàn)象及結(jié)果

三根試驗鋼絲承載能力相似，都在9～10 kN內(nèi)拉斷，在受荷后的加載階段可以看出磁記憶信號曲線出現(xiàn)多處波峰波谷，尤其是在缺陷處的兩端，波峰波谷貫穿整個加載過程，從開始的波峰波谷不明顯階段，一直到最后鋼絲被拉斷，波峰波谷現(xiàn)象逐漸趨于明顯，其差值也逐漸變大.

在整個加載過程中磁記憶信號基本都為負(fù)值，這是由于檢測設(shè)備在開始檢測前進(jìn)行了歸一化處理，這就默認(rèn)了整個檢測過程都是以大地磁場作為基準(zhǔn)，而實際的環(huán)境磁場是地磁場與周圍帶磁物體，如機(jī)械設(shè)備，其他的一些鐵磁體等矢量疊加后的結(jié)果.同時，鋼絲為豎向加載，這與地磁或者說與環(huán)境磁場的磁化方向不一致，這就導(dǎo)致了初始條件的相對復(fù)雜性.然而實際工程中，檢測環(huán)境更為多變，待檢測構(gòu)件方向角度、形狀，受力情況、環(huán)境磁場更為復(fù)雜，因此本實驗有利于研究復(fù)雜條件下的磁記憶信號特征，同時也有必要找到一種適用于復(fù)雜條件下的磁記憶檢測的判別手段.

三根受測鋼絲在相同荷載下磁記憶信號曲線相似，以1號試件為例進(jìn)行分析.因加密區(qū)測點間隔較小，圖中很容易出現(xiàn)重疊而不易區(qū)分，因此，采用各點等間距作圖.

3.1 初始階段

加載前要先測量鋼絲零載條件下的磁記憶信號，以評估鋼絲繩初始自帶磁場的大小及規(guī)律.

圖4 零載對應(yīng)磁記憶信號曲線Fig.4 The curve of magnetic memory signals at 0 kN

圖4中縱軸表示磁記憶信號強(qiáng)度，橫軸表示沿檢測線由一端至另一端的各檢測點編號.

從圖中可以看出：磁記憶信號曲線呈現(xiàn)先上升后下降的走勢，在6點處存在極大值，也就是說在初始階段磁記憶信號曲線就存在波峰波谷現(xiàn)象，但波峰波谷數(shù)值與相鄰點的數(shù)值相差不大，值得注意的是兩處波谷正好位于9點及21點，也就是說在缺陷處磁記憶信號開始就存在極值，但由于缺陷處極值并不具備明顯特征，不好與其他極值區(qū)分，因此初始階段用波峰波谷來判斷缺陷位置還不具說服力.同時零載階段磁記憶信號并沒有太大幅度的跳躍，這也說明初始階段鋼絲自帶磁場穩(wěn)定，有利于下一步的檢測.

3.2 缺陷處非線性段形成階段

進(jìn)入加載階段后磁記憶信號曲線在缺陷兩端逐漸形成波峰波谷，在缺陷處出現(xiàn)平滑的非線性平臺.波峰波谷數(shù)差值逐漸增大，位置由最初的遠(yuǎn)離缺陷到逐漸靠近缺陷處發(fā)展.

圖5 2 kN、4 kN對應(yīng)磁記憶信號曲線Fig.5 The curve of magnetic memory signal at 2 kN，4 kN

由5圖可知：在承受荷載后，磁記憶信號曲線波峰波谷現(xiàn)象更加明顯，波峰波谷差值進(jìn)一步增加.在2 kN對應(yīng)荷載下9點缺陷兩端的波峰波谷出現(xiàn)在7和12點之間，21點缺陷兩端的波峰波谷出現(xiàn)在18和24點之間；在4 kN對應(yīng)荷載下9點缺陷兩端的波峰波谷出現(xiàn)在7和13點之間，21點缺陷兩端的波峰波谷出現(xiàn)在18和23點之間.具體位置及數(shù)值如表1和表2所示.

表1 2 kN對應(yīng)位置及數(shù)值

注：上表位置欄括號內(nèi)數(shù)字表示測點編號

表2 4 kN對應(yīng)位置及數(shù)值

注：上表位置欄括號內(nèi)數(shù)字表示測點編號

同時在波峰波谷之間出現(xiàn)平緩的非線性平臺，且非線性平臺都出現(xiàn)在缺陷位置，如2 kN時對應(yīng)的非線性平臺為8～10點區(qū)段以及20～22點區(qū)段，4 kN時非線性平臺出現(xiàn)在8～11點區(qū)段及20～22點區(qū)段.缺陷處的應(yīng)力水平相對于其他部位要高得多，應(yīng)力的增加會導(dǎo)致磁導(dǎo)率的變化，同時應(yīng)力導(dǎo)致應(yīng)變的增加，在局部應(yīng)變較大的情況下，磁疇偏轉(zhuǎn)會進(jìn)一步加劇，這就相當(dāng)于在原有磁場的基礎(chǔ)上附加了一個磁場[13]，因此在這個部位磁記憶信號曲線會出現(xiàn)與相鄰部位不一樣的變化.

3.3 波峰波谷進(jìn)一步加劇階段

隨著荷載的進(jìn)一步增加，波峰波谷數(shù)值之差進(jìn)一步加劇，在9點缺陷處仍然存在非線性段，而缺陷21點處已不是很明顯，同時波峰波谷位置發(fā)生變化，但總體趨勢相差不大(圖6)，其數(shù)值及位置如表3—表5所示.

圖6 5 ～7 kN對應(yīng)磁記憶信號曲線Fig.6 The curve of magnetic memory signal at 5～7 kN

位置/mm數(shù)值/(A·m-1)位置/mm數(shù)值/(A·m-1)波峰80(n=12)-12.33155(n=23)-57.67波谷69.5(n=8)-79.33145(n=19)-114.67差值11671057

注：上表位置欄括號內(nèi)數(shù)字表示測點編號

表4 6 kN對應(yīng)位置及數(shù)值

注：上表位置欄括號內(nèi)數(shù)字表示測點編號

表5 7 kN對應(yīng)位置及數(shù)值

注：上表位置欄括號內(nèi)數(shù)字表示測點編號

從表中可看到：不管是9點兩端的波峰波谷之差值還是21點兩端的波峰波谷之差值，都呈現(xiàn)單調(diào)遞增的趨勢，而波峰波谷位置距離則沒有明顯規(guī)律.荷載的進(jìn)一步增加，磁記憶信號曲線規(guī)律性更加明顯，應(yīng)力應(yīng)變的增加導(dǎo)致應(yīng)力能的增加，進(jìn)而引發(fā)磁彈性能的增加，磁疇的翻轉(zhuǎn)及疇壁的位移加劇，磁化方向趨于穩(wěn)定.因此3條磁記憶信號曲線走勢相同，規(guī)律明顯.

3.4 非線性段消失階段

荷載加至8 kN和9 kN后，波峰波谷間的非線性段消失，缺陷處表現(xiàn)出了良好的線性關(guān)系，同時波峰波谷數(shù)值之差進(jìn)一步增大，間距也開始減小，兩條曲線走勢基本相同尤其是在21點缺陷處，磁記憶信號曲線出現(xiàn)重疊，這說明隨著應(yīng)力的增加磁疇的翻轉(zhuǎn)及磁疇壁的位移已達(dá)到飽和(圖7).

值得注意的是當(dāng)荷載達(dá)到9 kN后21點左右兩點正好為波峰波谷位置，根據(jù)下式計算梯度發(fā)現(xiàn)20到22三點間的梯度數(shù)值最大.分別為61.667×103A/m2和44.66×103A/m2.

(1)

8 kN和9 kN 時波峰波谷位置及數(shù)值如表6和表7.

表6 8 kN 對應(yīng)位置及數(shù)值

注：上表位置欄括號內(nèi)數(shù)字表示測點編號

表7 9 kN對應(yīng)位置及數(shù)值

注：上表位置欄括號內(nèi)數(shù)字表示測點編號

圖7 8 kN，9 kN對應(yīng)磁記憶信號曲線Fig.7 The curve of magnetic memory signal at 8 kN，9kN

3.5 破壞后

試件最后在21點處破壞，表現(xiàn)為突然間的脆性破壞，最終破斷拉力為9.18 kN，此時的磁記憶信號只存在一組波峰波谷，即20點和21點，同時在21點處出現(xiàn)過零點現(xiàn)象，峰值的絕對值出現(xiàn)較大幅度的增長，曲線在端口兩端平滑(圖8).

圖8 破壞后磁記憶信號曲線Fig.8 The curve of magnetic memory signal after failure

4 分析與討論

4.1 試驗現(xiàn)象分析

磁記憶檢測的一般判別理論及標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為：磁化強(qiáng)度與應(yīng)力應(yīng)變存在一定的關(guān)系[15]，在應(yīng)力集中位置，較高的應(yīng)力水平，會導(dǎo)致內(nèi)部磁疇的排列以及磁化方向發(fā)生變化，這些重新取向的磁疇會使得外部漏磁出現(xiàn)規(guī)律性的特征，即法向分量Hp(y)過零點，而切向分量Hp(x)出現(xiàn)極值[14]，從各級荷載的磁記憶信號曲線來看，磁記憶信號基本為負(fù)值，只有在最后拉斷的磁記憶信號曲線中出現(xiàn)過零點，而由經(jīng)典的磁偶極子模型也認(rèn)為在應(yīng)力集中處法向分量出現(xiàn)過零點.但這也僅是一種理想的判別技術(shù)，本次試驗采用豎向拉伸即試件方向為豎向放置，與地磁方向垂直，同時試件周圍的環(huán)境磁場是地磁與其他干擾磁場矢量合成的結(jié)果，因此其大小方向很難判斷，為減小誤差，測量前對儀器進(jìn)行了歸一化處理，這本身就是一種簡化處理，而在實際應(yīng)用中，磁場更為復(fù)雜，因此有必要找到一種適用于實際現(xiàn)場的判別手段(圖9).

圖9 應(yīng)力分區(qū)Fig.9 Different stress distribution

磁記憶檢測技術(shù)可看成是一種漏磁檢測，但這種檢測技術(shù)又與被測構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變有關(guān)，應(yīng)力應(yīng)變小的部位其磁疇偏轉(zhuǎn)疇壁移動幅度輕微，而在應(yīng)力應(yīng)變較大的位置磁疇偏轉(zhuǎn)劇烈，分析鋼絲缺陷位置可將缺陷位置處劃分為三種應(yīng)力狀態(tài).

Ⅰ區(qū)為應(yīng)力集中區(qū)，為應(yīng)力最大部位，Ⅱ區(qū)為偏心受拉部位，Ⅲ區(qū)為無應(yīng)力或應(yīng)力微小部位，黑點為測量點，因磁記憶信號與應(yīng)力存在對應(yīng)關(guān)系，而Ⅲ區(qū)和Ⅱ區(qū)應(yīng)力存在較大偏差，因此，其磁記憶信號也應(yīng)存在差距，而從各級荷載的磁記憶信號曲線來看：在荷載很小的時候缺陷處的應(yīng)力相差不大，但當(dāng)荷載發(fā)展至一定階段各區(qū)應(yīng)力出現(xiàn)偏差，此時磁記憶信號曲線缺陷處的波峰波谷現(xiàn)象明顯，同時缺陷處的磁記憶信號也恰好位于波峰波谷之間，即缺陷處的磁記憶信號與兩端波峰波谷的數(shù)值之差開始加劇，由于試驗鋼絲相較于探頭較細(xì)，因此測量存在一定偏差，但磁記憶信號曲線已經(jīng)足以反應(yīng)應(yīng)力與磁記憶信號存在對應(yīng)關(guān)系，同時根據(jù)法向分量過零點的判別依據(jù)可知，在應(yīng)力集中部位磁記憶信號曲線存在單調(diào)遞減或遞增段，這也與試驗得到的磁記憶信號曲線相符.

4.2 基于磁記憶的鋼絲應(yīng)力狀態(tài)判別技術(shù)

由上述分析可知：可通過不同部位磁記憶信號的差值對應(yīng)這些部位的應(yīng)力進(jìn)行判斷，即梯度曲線可反映應(yīng)力應(yīng)變的對應(yīng)關(guān)系，但由于磁記憶信號曲線在缺陷處存在非線性平臺，在此區(qū)段內(nèi)的梯度數(shù)值較小，容易與其他處的梯度值產(chǎn)生混淆.僅僅是在最后8 kN，和9 kN時缺陷處的磁記憶信號的梯度值在21點最大，因此梯度曲線適合對最后頻臨破壞階段進(jìn)行判別.考慮到應(yīng)力與磁信號的對應(yīng)關(guān)系，與其用缺陷處磁記憶信號與兩端波峰波谷分別做差，不如用波峰波谷數(shù)值之差來反映波峰波谷區(qū)段內(nèi)的應(yīng)力變化程度.

不考慮初始狀態(tài)即零載以及拉斷后的磁記憶信號，將2 ～ 9 kN對應(yīng)缺陷處兩端的波峰波谷數(shù)值之差繪制成曲線如圖10.其中：

ΔHp(y)=Hp(y)c-Hp(y)t

(2)

Hp(y)c為波峰處磁記憶信號數(shù)值；Hp(y)t為波谷處磁記憶信號數(shù)值.

不管是9點處波峰波谷差值曲線還是21點處波峰波谷差值曲線，都呈現(xiàn)很好的增長趨勢，只有21點處的波峰波谷差值曲線在9 kN時出現(xiàn)下降，但下降量很小，兩條曲線均可分為三段，9點處的峰值差值曲線表現(xiàn)出很好的線性，可看成是三段折線組成，分界點為3點和6點，對應(yīng)荷載為5 kN和8 kN，21點處的峰值差值曲線雖沒有很好的線性規(guī)律，但各段分界明顯，也可近似看做三段折線組成，分界點為4點和8點，對應(yīng)荷載為6 kN和8 kN.觀察發(fā)現(xiàn)拉斷后21點處出現(xiàn)徑縮現(xiàn)象，應(yīng)變突然增大，而9點處變化不大，應(yīng)變的急劇增加，會進(jìn)一步加劇構(gòu)件內(nèi)部缺陷的發(fā)展，晶格排列進(jìn)一步錯亂，位錯加劇，這也會導(dǎo)致磁場的不規(guī)律變化，因此9點處的峰值差值曲線與21點處的峰值差值曲線會出現(xiàn)一定差異.

圖10 9點兩端對應(yīng)波峰波谷差值曲線Fig.10 Difference curve of peaks and valleys corresponding the both ends at 9 point

圖11 21點兩端對應(yīng)波峰波谷差值曲線Fig.11 Difference curve of peaks and valleys corresponding the both ends at 21 point

波峰波谷的差值曲線的三個階段可作為反應(yīng)磁記憶信號發(fā)展的三個階段，根據(jù)實際需要可將三個階段的分界點作為控制點，若對試件的強(qiáng)度儲備要求高，可以將第一段和第二段的分界點作為一個預(yù)警值，若對試件的強(qiáng)度儲備要求不高者可將第二段和第三段的分界點作為預(yù)警點，這樣不僅可以對應(yīng)某一荷載的應(yīng)力應(yīng)變狀況，還可以作為從零載到破壞整個加載階段的過程控制曲線.

因此磁記憶信號波峰波谷差值曲線可作為一種全過程的判別手段.

5 結(jié)論

(1)磁記憶信號曲線隨著荷載的增加，在缺陷處兩端出現(xiàn)波峰波谷現(xiàn)象，拉斷后在斷點處出現(xiàn)波峰波谷，同時磁記憶信號曲線在缺陷處出現(xiàn)非線性平臺，當(dāng)荷載增加至8 kN時，非線性平臺消失.

(2)隨著荷載的增加波峰波谷的數(shù)值之差為遞增狀態(tài)，但在缺陷處沒有出現(xiàn)過零點現(xiàn)象，只有拉斷后才在斷點處出現(xiàn)過零點，因此過零點現(xiàn)象僅僅適用于破壞后的試件判別，很難作為整個受力過程的判別技術(shù).

(3)可將波峰波谷差值曲線作為磁記憶檢測技術(shù)應(yīng)用于鋼絲的判別手段，波峰波谷差值曲線可作為反應(yīng)試件受力全過程的判別曲線.

(4)缺陷處不同部位的應(yīng)力差距可通過磁記憶信號曲線的峰峰值做出反映.應(yīng)力與磁記憶信號存在對應(yīng)關(guān)系.

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