磁法檢測技術(shù)在應(yīng)力檢測中的研究

吳冠霖+呂慶貴+齊昌超+張渺+李潮浪

摘 要 磁法檢測技術(shù)是通過對試件磁信號的檢測，對試件的壓力集中情況和疲勞損傷程度進行早期評估的一種新的檢測手段。該方法的使用可以正確反映待測試件應(yīng)力的變化。為了精確測量試件的磁信號強度，在研制了高靈敏度磁矢量探頭檢測的試驗平臺的同時，建立了檢測信號與磁導(dǎo)率的關(guān)系算法。試驗發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力集中區(qū)域，會導(dǎo)致該區(qū)域與周邊的區(qū)域磁導(dǎo)率發(fā)生相應(yīng)的差異，即隨著試件中所存在的殘余應(yīng)力增加，所采集得到的磁信號強度也在增大。

關(guān)鍵詞 磁法技術(shù) 磁導(dǎo)率 壓力 磁信號 磁感應(yīng)強度

中圖分類號：TG142.71 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2015.12.073

Abstract Magnetic is a technique by which can evaluate stress concentration and degree of fatigue damage by testing the permeability of ferromagnetic components. The technique can reflect the stress changes in component precisely. In order to measure the permeability accurately， the high sensitivity testing platform and the algorithm between the signal and the permeability are setup. The results demonstrate that the permeability and micro-strain of the material increase with the residual stress.

Key words magnetic technique； magnetic permeability； stress； magnetic signal； magnetic induction intensity

殘余應(yīng)力是材料內(nèi)部維持自身相互平衡的一種應(yīng)力系統(tǒng)。①殘余應(yīng)力的存在會對構(gòu)件的相關(guān)性能產(chǎn)生直接的影響，②如機械性能、強度、抗腐蝕力、尺寸與使用壽命。在各工業(yè)領(lǐng)域如機械、水利水電、熱電核電、航空航天、石油化工、冶金、鐵路、交通等行業(yè)，③殘余應(yīng)力測試技術(shù)及其應(yīng)用研究始終受到高度重視。為此，各國研究者從不同的角度出發(fā)，針對殘余應(yīng)力測試技術(shù)進行了研究。④

目前殘余應(yīng)力檢測技術(shù)主要有以下幾種：射線衍射法、磁性法、超聲波檢測法及電子散班法等，⑤但這些方法都在不同程度上存在著局限性。1929年俄國學(xué)者AKCEHOB首先提出X射線應(yīng)力測定構(gòu)想，最終形成了成熟X射線衍射法，可是在實驗和實際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，該方法對檢測表面的要求比較高，穿透深度小，只有30 m左右，⑥且操作程序繁瑣。⑦中子衍射法是一種較新穎的檢測方法，但只有反應(yīng)堆中才可以得到所需的熱中子流，且在反應(yīng)堆或者中子加速器中，才能獲得較高分辨率，⑧儀器設(shè)備非常昂貴，同時測試條件要求非常高，因此在實際的測試及應(yīng)用還存在許多困難。⑨而磁性法： 可靠性和精度都比較差，量值標定困難，對材質(zhì)較敏感，且應(yīng)用范圍較窄，僅只限于鐵磁材料。 超聲波法 對應(yīng)力的檢測受到材料的性能、機械構(gòu)件的形狀和組織結(jié)構(gòu)影響， 測量的靈敏度相對較低， 同時須采用高精度設(shè)備及儀器進行測定聲速變化，測定過程較為煩瑣。 同樣只能對材料表面應(yīng)力情況進行測量的電子散斑干涉法， 且對抗震性要求很高，及工作環(huán)境要求限制較大。

針對殘余應(yīng)力的檢測中缺乏簡便而有效手段的問題，本文提出采用基于地球磁場的微磁檢測技術(shù)。該方法不受材料性質(zhì)的限制，具有速度快、無輻射、操作簡單，同時可以對石羊內(nèi)部和外部進行應(yīng)力檢測。

1 微磁檢測原理

微磁檢測技術(shù)是利用高精度磁矢量傳感器，進而對檢測試樣表面不同區(qū)域的地磁場磁感應(yīng)強度變化情況，以不同區(qū)域磁感應(yīng)強度改變情況進而判斷試件中的殘余應(yīng)力分布，并經(jīng)過對數(shù)據(jù)處理和分析，預(yù)測試樣中應(yīng)力較為集中的區(qū)域位置和應(yīng)力分布的一種新穎無損檢測技術(shù)，是一種基于地磁場為磁源的被動式檢測技術(shù)。其基本原理是：

將構(gòu)件置于以地磁場為背景環(huán)境中，若試樣中存在應(yīng)力集中時，該區(qū)域與試樣的相對磁導(dǎo)率會產(chǎn)生一定程度的差異，為及。圖1所示，當試樣中存在應(yīng)力集中，試樣表面所采集的磁感應(yīng)強度B則會發(fā)生相應(yīng)的變化；反之則會均勻分布，不會發(fā)生異常變化。

應(yīng)力集中會對試樣所采集的磁感應(yīng)強度產(chǎn)生不同程度的影響，當>時，如圖2（a）所示，試樣壓力集中區(qū)的磁感應(yīng)強度信號值會顯示一個異常的向上凸起；當<時，就會在該位置使得磁感應(yīng)強度信號值發(fā)生向下的凸起，如圖2（b）所示。

2 檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

該應(yīng)力檢測系統(tǒng)的采集磁信號傳輸框架圖如圖3：

系統(tǒng)中，使用CAN總線進行下位機與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸?；贑AN的可靠性和獨特的設(shè)計，以及采用了高性能的USB采集數(shù)據(jù)卡，保證了正常工作情況下，對檢測系統(tǒng)進行實驗時的數(shù)據(jù)采集和存儲。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 磁感應(yīng)強度與應(yīng)力大小變化

將試件放置在真空熱處理爐內(nèi)，溫度設(shè)置在600℃，時間為0h、2h、4h、6h、8h、10h、12h。通過熱處理，改變試件中應(yīng)力值情況，利用高精度應(yīng)力測試儀，測定試件應(yīng)力值大小，進而采集不同應(yīng)力值下磁感應(yīng)信號大小。通過實驗數(shù)據(jù)分析，在進行熱處理前，試件本身的壓應(yīng)力較大。熱處理后，試件的應(yīng)力逐漸變小，且可以發(fā)現(xiàn)恒溫4h后，與之前狀態(tài)相比較，應(yīng)力減小程度大概為起始狀態(tài)的43%，之后隨著時間的增加，變化程度逐漸變小。圖4（a）顯示，通過對數(shù)據(jù)進行擬合發(fā)現(xiàn)，隨著熱處理時間的增加，磁信號逐漸變小，且開始變化幅度較大，恒溫8h之后幅度變化程度逐漸變小。

加載施壓實驗，壓力強度設(shè)定為160MPa，時間不同，分別設(shè)定為0h、2h、4h、6h、8h、10h、12h，通過對試件加載施壓，改變試件應(yīng)力值情況，采集不同應(yīng)力值下磁感應(yīng)信號大小，繪制圖形，進而對數(shù)據(jù)擬合，如圖4（b）。經(jīng)過相同的加載強度但時間不同，采集的磁感應(yīng)信號與應(yīng)力值數(shù)據(jù)分析，試件在初始2h、4h的加載時間下，應(yīng)力值與磁感應(yīng)信號強度變化較為明顯；加載8h、10h、12h之后，試件的應(yīng)力值與磁感應(yīng)信號強度變化較小。同時通過對數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，304不銹鋼板試件兩邊的邊緣磁信號強度變花不明顯。

將加載時間設(shè)定為2h，改變加載強度，分別為160MPa、165MPa、170MPa、175MPa、180MPa，通過高精度應(yīng)力測試儀采集試件在不同加載強度后的試件應(yīng)力情況，同時利用高精度磁矢量探頭對試件的磁信號進行采集，獲取應(yīng)力大小與磁感應(yīng)信號變化情況。對所采集的數(shù)據(jù)進行分析可以發(fā)現(xiàn)，170MPa加載強度后，試件的應(yīng)力值變化程度加大，但非線性。對所收集的試件信號數(shù)據(jù)進行擬合，得出如圖4（c）所示數(shù)據(jù)。試件測試應(yīng)力值與磁感應(yīng)信號是正向關(guān)系，隨著試件應(yīng)力值的增加，磁感應(yīng)信號也在增大，但幅度不一，且可以看出在加載185 MPa后，與之前狀態(tài)相比較，應(yīng)力增大較為明顯。

4 總結(jié)

研究表明，微磁檢測作為一種新的無損檢測技術(shù)，可以較好反應(yīng)構(gòu)件中應(yīng)力狀態(tài)的情況，同時也可以對構(gòu)件存在應(yīng)力區(qū)域進行判別，對構(gòu)件中應(yīng)力分布及應(yīng)力大小狀態(tài)的早期預(yù)判和堆疲勞損傷程度的早期評價具有重要意義。具體研究結(jié)論如下： （1）通過對微磁檢測技術(shù)原理的研究，并將該技術(shù)應(yīng)用于304不銹鋼板殘余應(yīng)力的監(jiān)測，實現(xiàn)了對應(yīng)力和疲勞損傷測定。將實驗結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)三種處理后所得結(jié)果一致，表明微磁檢測技術(shù)對殘余應(yīng)力檢測的可行性。（2）應(yīng)力集中區(qū)域，會導(dǎo)致該區(qū)域與周邊的區(qū)域磁導(dǎo)率發(fā)生相應(yīng)的差異，磁信號強度與應(yīng)力大小變化存在著一定的聯(lián)系，即隨著試件中所存在的殘余應(yīng)力增加，所采集得到的磁信號強度也在增大。

注釋

① 沈軍，林波，遲永剛，等.殘余應(yīng)力物理法測量技術(shù)研究狀況[J].材料導(dǎo)報，2012.26（19）：120-125.

② 王秋成，柯映林，邢鴻燕.板類構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力測試技術(shù)研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2005.39（3）：381-384.

③ 王慶明，孫淵.殘余應(yīng)力測試技術(shù)的進展與動向[J].機電工程，2011.28（1）：11-15，41.

④ Curfs C， Kipstein O， Studer A J， et al. Residual stress measurements in Australia： Present and future[J].Mater Sci Forum，2005，490-491：218-222.

⑤ STEINZIG M， TAKAHASHI T.Residual stress measurement using the hole drilling method and laser speckle interferometry part Ⅳ： measurement accuracy[J]. Experimental Techniques，2003.27（6）：59-63.

⑥ 陳勇，高德平，等.鈦合金平板電子束焊接殘余應(yīng)力的小孔法測量[J].理化檢驗-物理分冊，2001.10（37）：18-20.

⑦ 陳會麗，鐘毅，王華昆，等.殘余應(yīng)力測試方法的研究進展[J].云南冶金，2005.34（3）：52-54.

⑧ Schneider L C R， Hainsworth S V， Cocks A CF， et al. Neutron diffraction measurements of residual stress in a powder metallurgy component[J]. Scr Mater， 2005， 52（9）： 917-921.

⑨ 李峻宏，高建波，李際周，等.中子衍射殘余應(yīng)力無損測量與譜僅研發(fā)[J].無損檢測，2010.32（10）：765-769.

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