低合金鋼彈塑性變形狀態的磁記憶檢測

（合肥通用機械研究院，合肥 230031）

低合金鋼廣泛應用于壓力容器及結構件，在實際應用中由于自身重量或工作環境的影響常發生塑性變形，使材料不能保持原有的形狀和尺寸，影響正常工作，因此檢測出低合金鋼構件何時屈服有著重要的實際應用價值。

Q345R鋼為鐵磁性材料，在力磁效應作用下，對其施加拉伸應力會出現磁性能的改變，利用這一特性來判斷構件的彈塑性狀態是一個有意義的研究課題。但目前常用的磁參數（如矯頑力、剩磁和磁滯回線的特征等）往往存在以下缺點［1]：一是磁參數變化對施加應力的靈敏度較低；二是難以對較大構件進行檢測。磁記憶技術可以檢測地磁環境中鐵磁性材料表面的磁場強度和梯度，設備輕便、操作簡單，能對較大的構件進行快速檢測。

磁記憶技術可檢測出應力集中部位，通過應力集中部位磁信號特征變化可對構件的彈塑性狀態加以區分。目前，對拉伸過程中試件表面磁信號隨外力的變化關系進行了較多研究，發現試件磁場強度Hp隨外力增大有不同的變化趨勢［2－5]，但其磁場梯度K的變化趨勢相同，一般表現為先隨外力增大變化較小，在外力接近屈服應力時增大較快，并在屈服應力下達到最大值，接著隨外力的進一步增大而有所降低。由這些研究可知用K的大小能判斷拉伸試件的彈塑性狀態。但以往研究多是離線檢測（將試件取下后進行測量［2－6]，檢測表面平行于地面），這時試件不受其他部件磁信號的影響；而實際檢測中，某些構件屬于設備的一部分，各部位之間磁信號互有干擾，因此，有必要研究磁記憶技術在線檢測（試件仍放置在試驗機上，檢測表面垂直于地面）時試件磁信號的變化規律。

筆者對Q345R試件進行了拉伸試驗，對其表面磁記憶信號分別進行在線檢測和離線檢測，并給出了HP、最大磁場梯度Kmax、平均磁場梯度Kave及強屈評價因子最大值mmax隨拉伸應力和塑性應變的變化規律。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗以正火態Q345R為研究對象，屈服強度在400 MPa左右，其主要化學成分如下：0.12%C，0.33%Si，1.35%Mn，0.015%P，0.003%S。按照GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》標準加工成厚約6 mm的光滑板狀試件，如圖1所示。拉伸試驗前將試件在惰性氣體氣氛、650℃熱處理30 min，以降低初始磁信號的影響。

圖1 試件尺寸圖

1.2 試驗方法

采用SHT 4505型多功能試驗機對試件進行拉伸試驗，當施加應力小于屈服應力時，以10 MPa/s的加載速率施加載荷。在試驗過程中，當載荷達到預先設定值時，采用磁記憶儀分別進行在線檢測和離線檢測，接著將試件加載至更高的載荷進行相同的檢測。試驗對三個試件進行了拉伸試驗，均在380 MPa達到屈服。當施加應力大于屈服應力時，采用位移控制，在不同的塑性應變下進行磁記憶檢測。塑性應變大小按式ε＝（l－l0）/l0計算，l0為試件的平行長度；l為拉伸后試件的平行長度。離線檢測時，試件沿南北方向放置。

用TSC－1 M－4型應力集中磁檢測儀采集表面磁信號，每次信號采集控制在90 s內完成。利用MM－System對HP進行分析，得到不同狀態下試件的Kmax，Kave和mmax值。

1.3 判斷參數

Dubov等通過試件的靜載拉伸試驗和疲勞試驗，得到材料處于危險狀態時的極限強屈評價因子mlim與力學性能間存在如下關系［7]：

式中σt和σy分別為試件的抗拉強度和屈服強度；Klim為構件趨于條件強度極限時的磁場梯度；K y則為屈服應力下的磁場梯度。Dubov等認為當檢測數據得到的mmax大于式（1）計算值時，試件處于危險狀態［7]。試驗前期對兩Q345R軸狀試件進行了力學性能測試，按式（1）計算得到mlim的平均值為2。

用MM－System進行數據處理時，檢測區域的最大值mmax是按式（2）計算得到的。

式中Kave為所有應力集中區的平均磁場梯度；Kmax為所有應力集中區的最大磁場梯度。當mmax＞mlim時，應該對構件引起注意。

2 試驗結果

由于沿兩條測量線檢測所得結果相近，文章只給出其中一條的測量結果。

2.1 在線檢測

在線檢測中，彈性變形階段HP信號隨載荷增加和塑性變形階段HP信號隨應變增加的變化都不明顯，均在－100～60 A/m之間，但其HP過零點位置和HP曲線形狀有很大不同（圖2）。彈性變形階段，HP信號過零點位置集中在距檢測起始點30 mm左右，HP與檢測位移近似成線性關系；屈服后，HP沿檢測位移呈“S”型曲線關系，不同應變下的HP過零點位置不同，較為分散。

圖2 HP沿檢測位移的變化

Kmax，Kave及mmax在屈服前后有不同程度的變化（圖3）。當外力小于屈服應力時，Kmax，Kave及mmax隨外力增加變化較小，接近屈服應力時，Kmax由320 MPa時的3.0升高至380 MPa時的4.3，Kave由2.0降為1.5，mmax則由1.5升至3.0，即三個參數在屈服應力下發生了突變。屈服后，隨應變的增大，Kmax和Kave有所降低，mmax則在整個塑性變形階段大于2.0。

圖3 Kmax，Kave，mmax隨載荷及塑性應變的變化規律

2.2 離線檢測

圖4所示為離線檢測時HP與檢測位移的變化關系。HP曲線沿檢測位移的變化規律主要表現在兩個方面：一是HP過零點位置的變化。試件發生彈性變形時，HP過零點位置隨拉伸應力的增大而不斷變化，塑性變形后，排除試件伸長和測量過程中的誤差引起HP過零點位置的變化，HP過零點位置較為集中，且與試件斷裂點相重合；二是HP強弱的不同。彈性階段，HP在所有載荷下均在－100～100 A/m之間，屈服后HP明顯增強，在本試驗中均在－300～300 A/m。

圖4 HP沿檢測位移的變化

圖5 Kmax，Kave及mmax隨拉伸應力及塑性應變的變化規律

離線檢測時，試件的Kmax，Kave隨拉伸的進行有相同的變化趨勢（圖5）。當外力小于240 MPa時，Kmax和Kave隨應力的增大變化較小，當外力大于240 MPa時，Kmax和Kave隨應力增大而逐漸增強，進入屈服后，Kmax，Kave有急劇的增大，Kmax最大為12.2。隨塑性變形的增加，Kmax，Kave有所降低，但與彈性變形階段相比仍具有較高數值。在整個拉伸過程中mmax均小于2.0。

3 試驗分析

3.1 利用HP磁信號判斷試件彈塑性狀態

在兩種情況下，HP信號強度和HP曲線形狀有不同的變化趨勢。在線檢測時，HP信號強度在－100～60 A/m之間變化，屈服前后變化不大，而其沿檢測位移的曲線形狀發生了改變，由屈服前的近似線性關系變為“S”型曲線關系，因此可通過HP曲線屈服前后的形狀改變來預測試件的變形狀態。

與在線檢測不同，離線檢測時，在整個拉伸過程中HP與檢測位移進行成線性關系，且屈服前后HP信號強度發生了很大改變，由屈服前的－100～100 A/m增大到屈服后的－300～300 A/m，故此時可通過HP信號強弱來判斷試件是否發生了塑性變形。

在線檢測和離線檢測時，HP沿檢測位移的不同變化可能與以下兩點有關：一是試驗機其它部件亦為鐵磁性材料，經過長期使用其本身磁信號對試件產生影響［8]；二是地磁場對HP的影響。地磁場是矢量場，在水平方向和豎直方向有不同的數值，因此試件水平放置（卸載取下后）和豎直放置（在試驗機上）時，地磁場會對試件有不同的影響。

3.2 利用Kmax和mmax判斷試件彈塑性狀態

在線檢測時，Kmax在彈性變形階段變化很小，在屈服應力發生了突變，由350 MPa時的3.0增大到380 MPa時的4.3，屈服后隨塑性變形的增大Kmax稍有降低，甚至比在彈性變形時數值還低，mmax在屈服前小于2.0，屈服后大于2.0，因此可由mmax大小來判斷試件是否已經屈服。

離線檢測時，彈性變形階段Kmax變化較小，在屈服后Kmax有較高的數值，可用Kmax大小來判斷試件的彈、塑性狀態。由于整個試件都處于較高的應力狀態，因此試件大部分區段都有較高的K值，使得Kave較高，因此mmax較小。

在線檢測和離線檢測時，磁記憶特征參數隨應力增大有不同的變化趨勢，可用來判斷試件的變形狀態。實際檢測中，應將HP曲線形狀、HP信號強弱、Kmax和mmax大小等綜合考慮來判斷構件的彈塑性狀態，以避免其他部位信號的干擾影響判斷。

4 結論

（1）在試驗機部件和地磁場的影響下，在線檢測和離線檢測時需要用不同的磁特征參數來判斷試件的拉伸彈塑性狀態。在線檢測時，可用HP曲線形狀變化和m大小來判斷；離線檢測時，可用Hp強弱及Kmax大小來判斷。

（2）磁記憶特征參數與塑性應變量大小沒有一一對應關系，僅能大致判斷是否已經發生塑性變形，而不能準確判斷塑性應變的大小。

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