不同應(yīng)力集中系數(shù)下磁記憶信號(hào)影響因素研究

王慧鵬,董世運(yùn),董麗虹,徐濱士

(裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100072)

不同應(yīng)力集中系數(shù)下磁記憶信號(hào)影響因素研究

王慧鵬,董世運(yùn),董麗虹,徐濱士

(裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100072)

以45CrNiMoVA鋼為實(shí)驗(yàn)材料,加工不同應(yīng)力集中系數(shù)的試件進(jìn)行拉拉疲勞實(shí)驗(yàn),采用磁記憶檢測(cè)儀檢測(cè)不同載荷及疲勞周次時(shí)試件不同位置的磁記憶信號(hào)。結(jié)果表明:載荷及疲勞周次的增加,均會(huì)使磁曲線順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),且載荷的影響明顯強(qiáng)于疲勞周次;不同位置磁記憶信號(hào)特征不同。出現(xiàn)疲勞裂紋后,在一定范圍內(nèi)異變峰峰值顯著增大。

磁記憶檢測(cè);磁記憶信號(hào);應(yīng)力集中;拉拉疲勞;異變峰

機(jī)械設(shè)備中許多關(guān)鍵零部件大多由鐵磁性材料制成,它們?cè)谥圃旌瓦\(yùn)行過程中,往往由于各種微觀或宏觀的應(yīng)力作用而產(chǎn)生應(yīng)力集中。在應(yīng)力集中區(qū)域,極易萌生各種類型的微觀內(nèi)部裂紋(如位錯(cuò)滑移變形),導(dǎo)致腐蝕、疲勞和蠕變的加速,逐漸演化成為宏觀裂紋,最終由于裂紋擴(kuò)展而導(dǎo)致工件破壞,造成災(zāi)難性后果[1]。因此,金屬構(gòu)件應(yīng)力集中程度的無(wú)損檢測(cè)研究,對(duì)構(gòu)件失效預(yù)防及性能評(píng)估具有重要意義。

常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)方法(超聲、渦流、磁粉、X射線等)只能對(duì)業(yè)已形成的裂紋進(jìn)行檢測(cè),而對(duì)應(yīng)力集中所造成的疲勞損傷卻無(wú)能為力。金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)(Metal Magnetic M emory Testing,MMM T)則較好地彌補(bǔ)了這個(gè)不足,該方法能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)以應(yīng)力集中為特征的危險(xiǎn)部件和部位,是迄今為止能夠?qū)﹁F磁工件進(jìn)行早期損傷診斷的較好的無(wú)損檢測(cè)方法[2-4],已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、電力、航天航空及石油化工等領(lǐng)域[5-7]。近些年來,一些學(xué)者對(duì)疲勞過程中磁記憶信號(hào)的變化展開了研究,并取得了重要進(jìn)展[8,9]。

本工作通過對(duì)不同應(yīng)力集中系數(shù)試件在不同載荷水平及疲勞周次下不同檢測(cè)位置的磁記憶檢測(cè),研究了載荷、疲勞周次及檢測(cè)位置對(duì)不同應(yīng)力集中程度工件的磁記憶信號(hào)的影響,不僅可以為磁記憶技術(shù)評(píng)估鐵磁材料應(yīng)力集中程度提供理論依據(jù)和指導(dǎo),而且具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 試件

試件材料選用具有優(yōu)良抗疲勞性能的45CrNiMoVA合金結(jié)構(gòu)鋼,其化學(xué)成分與力學(xué)性能如表1,2所示。加工應(yīng)力集中系數(shù)為1～5的5種試件。試件為板狀,兩側(cè)預(yù)置切口,隨應(yīng)力集中系數(shù)增大,預(yù)置切口的尖銳程度增加,試件形狀及檢測(cè)線布置如圖1所示。其中A,B表示檢測(cè)線位于中心線的上、下方,其后數(shù)字則表示該檢測(cè)線與中心線的距離,單位為mm。檢測(cè)線長(zhǎng)為100mm。

表1 實(shí)驗(yàn)材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of experimentalmaterial(mass fraction/%)

表2 實(shí)驗(yàn)材料的力學(xué)性能Table 2__Mechanical p roperties of experimentalmaterial

實(shí)驗(yàn)前,所有試件均采用真空度為8×10-1Pa的WZC230型真空熱處理爐進(jìn)行真空熱處理退磁,將試件置于真空熱處理爐中加熱至850℃,保持30min,隨爐冷卻至室溫。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

拉拉疲勞實(shí)驗(yàn)在國(guó)產(chǎn)JN T150471型電液伺服動(dòng)靜萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)機(jī)的最大動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)力為50kN,動(dòng)態(tài)載荷誤差為1%,加載頻率范圍為0.01～40Hz。加載的動(dòng)態(tài)載荷為正弦恒幅波。

選用EM S22003型智能磁記憶/渦流檢測(cè)儀,使用二通道筆式探頭在非磁性的三維電控平臺(tái)上采集試件表面的磁記憶信號(hào)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

試件在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)之前,先檢測(cè)其初始磁記憶信號(hào),檢測(cè)方法:將試件以固定方式置于三維電控平臺(tái),探頭由三維電控平臺(tái)驅(qū)動(dòng),以恒定的檢測(cè)速度和提離高度,采集試件表面各檢測(cè)線的磁記憶信號(hào)。

將試件豎直夾持于試驗(yàn)機(jī)的上下夾頭之間,采用四級(jí)遞增恒幅載荷對(duì)試件進(jìn)行拉拉疲勞試驗(yàn),各級(jí)最大載荷(簡(jiǎn)記為Pmax)分別為10,20,30kN和40kN,應(yīng)力比為0.1,加載頻率為5Hz。在各級(jí)載荷下分別循環(huán)1000,3000,6000,11000疲勞周次。達(dá)到預(yù)定循環(huán)周次后,取下試件,按照相同方式采集試件各檢測(cè)線的磁記憶信號(hào)。

疲勞試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,檢測(cè)過程中,試件遠(yuǎn)離其他鐵磁性工件,環(huán)境磁場(chǎng)是相對(duì)恒定的地磁場(chǎng)。

2 結(jié)果與討論

2.1 載荷及疲勞循環(huán)周次對(duì)磁記憶信號(hào)的影響

分析檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn),各檢測(cè)線磁記憶信號(hào)的幅值不同,但是呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律,本工作只選取具有代表性的檢測(cè)信號(hào)及其特征進(jìn)行分析。

圖2為在不同載荷及疲勞周次下,應(yīng)力集中系數(shù)分別為2,5(簡(jiǎn)記為Kt=2,Kt=5)的試件B10檢測(cè)線的磁記憶信號(hào)曲線,其橫坐標(biāo)為檢測(cè)距離,縱坐標(biāo)為磁記憶信號(hào)。實(shí)驗(yàn)過程,Kt=2試件未出現(xiàn)裂紋;Kt=5試件在最大載荷為40kN加載條件下,循環(huán)1000次后,下側(cè)切口根部出現(xiàn)裂紋,循環(huán)至5000次時(shí),裂紋長(zhǎng)至5mm,停止實(shí)驗(yàn)。

從圖2可以看出,試件初始磁記憶信號(hào)的幅值均處于地磁場(chǎng)信號(hào)幅值范圍內(nèi),顯示試件具有純凈的初始狀態(tài)。加載后,每條磁曲線均是左側(cè)信號(hào)為正,右側(cè)信號(hào)為負(fù)。檢測(cè)線的中間位置呈現(xiàn)波峰波谷的分布特征,而在此區(qū)域之外,曲線基本是一條直線,載荷及疲勞周次的增加,均能使磁曲線逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。相同載荷下,隨著疲勞周次的增加,曲線逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),但是這種轉(zhuǎn)動(dòng)并不明顯(見圖2(a),(c));相同疲勞周次時(shí),隨著載荷增大,曲線逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)效果顯著,但轉(zhuǎn)動(dòng)幅度逐漸減小(見圖2(b),(d))。雖然磁記憶曲線隨著載荷及疲勞周次的增加而發(fā)生逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),但是在應(yīng)力集中區(qū)域(40～60mm區(qū)域內(nèi))出現(xiàn)的異變峰幅值并未發(fā)生顯著的改變,只是在試件出現(xiàn)裂紋后,異變峰才會(huì)顯著地增大。

施加軸向載荷前,由于經(jīng)過真空熱處理退磁,試件內(nèi)部磁疇結(jié)構(gòu)的磁矩取向是隨機(jī)分布的,其對(duì)外作用相互抵消,因而試件宏觀上顯示極微弱的磁性[10]。施加軸向載荷后,由于磁致伸縮逆效應(yīng)和壓磁效應(yīng),試件的磁彈性能發(fā)生變化,導(dǎo)致磁疇結(jié)構(gòu)按照“疇壁運(yùn)動(dòng)(可逆)→疇壁兼并(不可逆)→磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)(可逆)”的順序變化,試件初始磁疇結(jié)構(gòu)雜散分布的狀態(tài)被打破,逐步向有序狀態(tài)轉(zhuǎn)變,表現(xiàn)為:在軸向載荷和疲勞周次的作用下,磁記憶信號(hào)曲線顯示正負(fù)極性,隨著兩者的增加,磁疇結(jié)構(gòu)的磁矩不斷轉(zhuǎn)向拉伸應(yīng)力的方向,試件的自磁化程度不斷提高,磁極性不斷增強(qiáng)。

圖1 試件尺寸及檢測(cè)線布置示意圖Fig.1 Sketch map of specimens and scan lines

圖2 不同載荷及循環(huán)周次時(shí)試件B10檢測(cè)線的磁記憶信號(hào)(a)Kt=2,Pmax=10kN;(b)Kt=2,1000周次; (c)Kt=5,Pmax=10kN;(d)Kt=5,1000周次Fig.2 Magnetic memo ry signals on measured line B10 of specimensw ith different loads and cycles (a)specimen Kt=2,Pmax=10kN;(b)specimen Kt=2,1000 cycles; (c)specimen Kt=5,Pmax=10kN;(d)specimen Kt=5,1000 cycles

應(yīng)力對(duì)磁場(chǎng)的作用可以分為可逆和不可逆兩部分[11],其中不可逆部分是由試件上的最大應(yīng)力作用決定的。實(shí)驗(yàn)中施加的是正弦恒幅載荷,在各級(jí)載荷的疲勞周次中,軸向應(yīng)力產(chǎn)生的磁場(chǎng)的不可逆部分相同,均由各級(jí)載荷的最大載荷決定,而疲勞周次改變的則是磁場(chǎng)的可逆部分。因此,同級(jí)載荷下,各疲勞周次的磁記憶信號(hào)變化不大,而不同載荷時(shí),磁記憶信號(hào)變化則十分明顯。

試件在中部上下兩側(cè)的預(yù)制切口處不連續(xù),由于空氣的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)小于試件材料的磁導(dǎo)率,切口處地磁場(chǎng)磁力線通路被截?cái)?切口上下表面積累極性相反的磁荷,缺陷位置處的磁場(chǎng)強(qiáng)度增大,磁記憶曲線在切口位置附近出現(xiàn)異變峰。出現(xiàn)裂紋之前,由于載荷與疲勞周次的作用,試件內(nèi)部的滑移線(和/或滑移帶)不斷增加[12],異變峰信號(hào)增強(qiáng),由于滑移線/帶的運(yùn)動(dòng)是試件內(nèi)部微觀的運(yùn)動(dòng),因此,它對(duì)異變峰信號(hào)的影響不如宏觀缺陷的影響強(qiáng)烈。當(dāng)疲勞達(dá)到一定程度,絕大部分滑移線(和/或滑移帶)就基本停止運(yùn)動(dòng),異變峰信號(hào)基本不變。出現(xiàn)疲勞裂紋后,試件在裂紋位置開裂,形成了新的裂紋面,基于相同的原理,磁荷在裂紋(含預(yù)制缺口)位置迅速累積,異變峰的峰峰值驟然增大。

2.2 不同檢測(cè)位置對(duì)磁記憶信號(hào)的影響

最大載荷為40kN,疲勞周次為1000次和5000次時(shí)Kt=5試件各檢測(cè)線的磁記憶信號(hào)如圖3所示,圖3左下角是40～60mm檢測(cè)區(qū)域磁的記憶信號(hào)。疲勞周次為1000次時(shí),試件尚未出現(xiàn)裂紋;疲勞周次為5000次時(shí),試件左側(cè)根部裂紋長(zhǎng)為5mm。

從圖3(a)可以看出,在出現(xiàn)裂紋前,試件各檢測(cè)線的磁記憶信號(hào)關(guān)于中心線對(duì)稱分布,隨著與中心線距離的增大,信號(hào)幅值不斷增加,信號(hào)異變峰的峰峰值變大。

不同位置磁記憶信號(hào)異變峰的峰峰值的變化規(guī)律是[13]:沿裂紋擴(kuò)展方向,距裂紋尖端越近,異變峰信號(hào)越微弱;沿裂紋擴(kuò)展的相反方向,距裂紋尖端越遠(yuǎn),異變峰信號(hào)越強(qiáng)烈。疲勞周次為1000次時(shí),9條檢測(cè)線中,上下10,11,12mm 6條經(jīng)過切口,其中10mm檢測(cè)線經(jīng)過切口根部。依此理論,上述檢測(cè)線上異變峰的峰峰值由大到小排列為:12,11,10mm,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。上下5mm檢測(cè)線雖然不經(jīng)過切口,但亦能夠“感應(yīng)”到切口的存在,磁記憶信號(hào)有微弱的波動(dòng),略顯波峰波谷形狀,指示附近裂紋的存在。

圖3 Kt=5試件各檢測(cè)線Pmax=40kN時(shí)不同循環(huán)周次的磁記憶信號(hào)(a)1000周次;(b)5000周次Fig.3 Magnetic memory signals of different scan lines under different cycles w hen P max=40kN (a)1000 cycles;(b)5000 cycles

疲勞周次為5000時(shí),左側(cè)切口根部裂紋長(zhǎng)為5mm,試件不同檢測(cè)位置的磁記憶信號(hào)如圖3(b)所示。可以看出,磁曲線如圖3(a)所示的對(duì)稱性不復(fù)存在,有裂紋一側(cè)檢測(cè)線信號(hào)異變峰的峰峰值比無(wú)裂紋一側(cè)對(duì)應(yīng)異變峰的峰峰值大。裂紋從左側(cè)切口根部向右擴(kuò)展了5mm,此時(shí),左5mm檢測(cè)線恰好經(jīng)過裂紋尖端,左側(cè)其各檢測(cè)線距裂紋尖端的距離則增加了5mm。因此,左側(cè)所有檢測(cè)線異變峰的峰峰值均增大。該過程中,試件右側(cè)部分并未發(fā)生明顯的變化,故右側(cè)檢測(cè)線異變峰的峰峰值變化不大。

從圖3(b)可以看出,檢測(cè)位置距離裂紋較遠(yuǎn)時(shí),磁記憶信號(hào)變化不明顯,無(wú)法指示缺陷的存在。因此,實(shí)際檢測(cè)工件時(shí),必須選擇合適的位置,否則可能造成缺陷的漏檢。

3 結(jié)論

(1)載荷與疲勞周次的增加,均會(huì)使磁曲線順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),同級(jí)載荷下,疲勞周次對(duì)曲線轉(zhuǎn)動(dòng)的作用不明顯,而載荷對(duì)曲線的轉(zhuǎn)動(dòng)則有顯著影響。

(2)裂紋導(dǎo)致磁記憶信號(hào)出現(xiàn)異變峰的范圍是有限的,使用磁記憶方法檢測(cè)工件時(shí),必須選擇適當(dāng)?shù)臋z測(cè)位置。

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Study on Influence Facto rs of M agnetic M emo ry Signals Under Different Stress Concentration Factors

WANG Hui2peng,DONG Shi2yun,DONG Li2hong,XU Bin2shi
(National Key Laboratory for Remanufacturing,Academy of A rmored Forces Engineering,Beijing 100072,China)

The tension2tension fatigue testsw ere carried out w ith specimens under different stress con2 centration facto rsmade of 45CrNiMoVA steel.The magnetic memo ry signals of different scan lines under different loads and fatigue cycles weremeasured by magnetic memory instruments.The results showed that the signal curves rotated clockw ise as the increase of load and cycle,and load p layed a m uch mo re impo rtant ro le in the rotation.The magnetic memo ry signals showed different characteris2 tics on the different measured lines.The peak2to2peak value of abnormal peaks increased dramatically in a certain range after fatigue crack initiation.

magnetic memo ry testing;magnetic memory signal;stress concentration;tension2tension fa2 tigue;abnormal peak

TG115.28

A

100124381(2010)1220035204

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(50735006);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50975287;50975283)

2009206228;

2010205210

王慧鵬(1983—),男,碩士研究生,主要從事金屬磁記憶檢測(cè)方面的研究,E2mail:wanghuipeng1983@126.com

董世運(yùn),聯(lián)系地址:北京市豐臺(tái)區(qū)杜家坎21號(hào)裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(100072),E2mail:syd422@ sohu.com