基于逆磁致伸縮效應(yīng)的鐵磁構(gòu)件應(yīng)力檢測方法研究

洪 利，尚魯龍，邱忠超，李亞南，韓智明

(1.防災(zāi)科技學(xué)院電子科學(xué)與控制工程學(xué)院，河北廊坊 065201； 2.中國人民解放軍66133部隊(duì)，北京 100043)

0 引言

鐵磁材料在熱處理和使用過程中，應(yīng)力集中會使材料產(chǎn)生疲勞裂紋，并逐漸累積形成宏觀缺陷，引起鐵磁構(gòu)件斷裂，應(yīng)力是導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)和設(shè)備失效乃至發(fā)生重大事故的重要原因之一[1-2]。對鐵磁構(gòu)件的應(yīng)力集中程度進(jìn)行現(xiàn)場快速檢測和評定，及時(shí)準(zhǔn)確找出最危險(xiǎn)的應(yīng)力集中部位，對設(shè)備的安全性進(jìn)行準(zhǔn)確評估，進(jìn)而防止災(zāi)難性事故發(fā)生[3-4]。

磁各向異性法是利用鐵磁材料的磁各向異性進(jìn)行應(yīng)力測量的方法，即當(dāng)一點(diǎn)存在應(yīng)力時(shí)，材料的磁導(dǎo)率由宏觀磁各向同性變?yōu)榇鸥飨虍愋?，測量時(shí)傳感器與材料表面構(gòu)成的磁回路磁通各異，用輸出的磁信號的差異來反映應(yīng)力的變化情況[5-6]。相比于傳統(tǒng)應(yīng)力檢測方法，磁各向異性法不需要耦合劑，既可以與被測材料接觸也可以不接觸，可以對處于高溫、高速環(huán)境下的材料進(jìn)行檢測[7-8]。

針對鐵磁構(gòu)件應(yīng)力難以檢測的問題，提出基于逆磁致伸縮效應(yīng)的方法對應(yīng)力進(jìn)行檢測。基于鐵磁材料的逆磁致伸縮效應(yīng)，研制出一種磁各向異性六極探頭傳感器，并通過對鐵磁平板試件單向靜載拉伸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其有效性。

1 逆磁致伸縮效應(yīng)檢測原理

在壓力、拉力或扭轉(zhuǎn)力等外力狀態(tài)下，鐵磁材料磁化狀態(tài)發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為逆磁致伸縮效應(yīng)[9-10]。研究結(jié)果表明，磁輸出信號與殘余應(yīng)力、應(yīng)變存在定量關(guān)系，從而驗(yàn)證了逆磁致伸縮效應(yīng)檢測殘余應(yīng)力的可行性[11]，其基本原理為：鐵磁材料處于外力狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生磁各向異性，應(yīng)力的變化引起磁阻和磁導(dǎo)率的變化，進(jìn)而導(dǎo)致傳感器線圈的磁通發(fā)生變化，通過測量傳感器線圈中的感應(yīng)電動勢的變化來檢測殘余應(yīng)力[12]。其整體變換過程為

F→Δσ→Δμ→ΔRm→ΔV

式中：F為殘余應(yīng)力；Δσ為應(yīng)力變化量；Δμ為鐵磁材料磁導(dǎo)率的變化量；ΔRm為磁路中磁阻的變化量；ΔV為傳感器輸出電壓的變化量。

2 逆磁致伸縮效應(yīng)檢測實(shí)驗(yàn)

2.1 六足傳感器探頭

傳感器探頭由激勵(lì)線圈、檢測線圈、導(dǎo)磁磁芯組成。探頭共分為6個(gè)磁極，由一個(gè)十字形的檢測鐵芯和一個(gè)U型勵(lì)磁鐵芯組成，激勵(lì)線圈和檢測線圈成對出現(xiàn)。檢測鐵芯4個(gè)磁極上分別纏繞檢測繞組，P1和P2為一組，正向串接；P3和P4為另一組，同樣正向串接；然后將兩個(gè)繞組反向串接，最終形成差動連接。U型勵(lì)磁鐵芯上纏繞E1和E2勵(lì)磁繞組，與檢測鐵芯成45°夾角，傳感器探頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了減小邊緣效應(yīng)的不利影響，應(yīng)盡量減小磁極間距，并增大磁極端面面積。由于鐵芯材料應(yīng)具有導(dǎo)磁率高、磁化曲線線段寬等性能，選用錳鋅鐵氧體作為鐵芯材料，一方面是因?yàn)樵摬牧显谑褂妙l率下具有較高的磁導(dǎo)率，另一方面是目前市場上有成型的用于制作電感或小型變壓器的鐵氧體磁棒、磁環(huán)。探頭結(jié)構(gòu)由鋁質(zhì)外殼、鐵氧體磁環(huán)、鐵氧體磁芯及尼龍定位薄片構(gòu)成，線圈引出線通過磁環(huán)中間的小孔引出，最后在外殼尾部集中引出所有的信號線。外殼采用非導(dǎo)磁性材料，即起到支撐防護(hù)作用又不會對測試產(chǎn)生干擾。

2.2 應(yīng)力檢測實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為等寬與變寬兩類16MnR鋼平板試件，如圖2所示，實(shí)驗(yàn)前對試件退火處理，以便消除試件內(nèi)部的殘余應(yīng)力。

圖3所示為試件靜載拉伸裝置。實(shí)驗(yàn)時(shí)將傳感器探頭固定在鐵磁試件相應(yīng)位置并緊貼試件，用刻有角度的紙板作為標(biāo)識，探頭以每15°為間隔進(jìn)行旋轉(zhuǎn)測量，同時(shí)對磁輸出信號采集處理。

(a)六足探頭分布

(b)六足探頭模型

(c)六足探頭實(shí)物圖1 傳感器探頭

圖2 拉伸試件測量位置示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

六足探頭是利用兩對檢測足間的磁勢來進(jìn)行應(yīng)力檢測的。當(dāng)試件處于靜載拉伸載荷時(shí)，鐵磁材料呈現(xiàn)磁各向異性時(shí)，導(dǎo)致激勵(lì)線圈的左右磁導(dǎo)率或磁阻不對稱，即在應(yīng)力位置出現(xiàn)磁勢失穩(wěn)，兩個(gè)檢測足間有磁通經(jīng)過。當(dāng)檢測頻率為10 kHz，線圈激勵(lì)電壓為6 V時(shí)，輸出電壓幅值隨拉伸載荷的變化如圖4所示。其中，右側(cè)為探頭周向位置，拉伸方向?yàn)樯舷麓怪狈较颉?/p>

由圖4可知，六足探頭具有較高的靈敏度，且在一定范圍內(nèi)，拉力值與輸出電壓具有較好的線性度。當(dāng)拉力超過25 kN后出現(xiàn)平衡；繼續(xù)增大拉力，測量結(jié)果會出現(xiàn)一定的回縮現(xiàn)象。

既然試件在拉伸作用下產(chǎn)生磁各向異性，且隨著拉力增大而增加，那么應(yīng)力集中位置使用探頭在不同角度方向測量結(jié)果就會有所不同。圖5為六足探頭在激勵(lì)頻率為2 kHz時(shí)的檢測結(jié)果。由圖5可知，輸出電壓值隨拉力增加而增大，且測量結(jié)果具有周期性，且周期為180°?？紤]試件沿各個(gè)方向磁導(dǎo)率分布，對某一點(diǎn)取對稱點(diǎn)的局部范圍內(nèi)，磁導(dǎo)率基本相同，當(dāng)探頭旋轉(zhuǎn)180°時(shí)，理論上檢測結(jié)果相同，但由于測量間隙、重復(fù)度、采集等誤差會導(dǎo)致一些偏差。

(a)16MnR鋼試件靜拉伸

(b)探頭檢測

圖4 六足探頭不同拉力作用下測量結(jié)果

為了觀察反復(fù)拉伸后試件造成的微量殘余變形或者殘余應(yīng)力的影響，對等寬試件作了3次拉伸3次卸載，然后測量其結(jié)果，如圖6所示。六足探頭隨著拉力的增大，測量電壓有變小的趨勢，且拉伸卸載次數(shù)越多，電壓越小。在最后拉力階段電壓趨于平衡，說明磁各向異性狀態(tài)在這個(gè)拉力狀態(tài)附近出現(xiàn)了暫時(shí)的平衡。

(a)極坐標(biāo)

(b)直角坐標(biāo)圖5 激勵(lì)頻率2 kHz時(shí)檢測結(jié)果

圖6 六足探頭3次拉伸卸載測量結(jié)果

4 結(jié)論

針對鐵磁構(gòu)件應(yīng)力難以檢測的問題，提出基于逆磁致伸縮效應(yīng)的方法對應(yīng)力進(jìn)行檢測?；阼F磁材料的逆磁致伸縮效應(yīng)，研制出一種磁各向異性六極探頭傳感器，并通過對鐵磁平板試件單向靜載拉伸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其有效性。結(jié)果表明，磁各向異性六極探頭傳感器可以有效檢測鐵磁平板試件的應(yīng)力集中位置，且應(yīng)力與磁信號存在較好的的線性相關(guān)性，這為鐵磁構(gòu)件應(yīng)力檢測提供了一條新思路。