強化磁激勵條件下磁記憶檢測試驗研究*

(北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081)

壓力容器等高壓承載構件，在脈動性交變載荷以及應力腐蝕等多種因素作用下，容易產生微觀缺陷和隱性不連續損傷。這種微觀缺陷如果不及時發現，在極限狀態下會很快發展至宏觀裂紋失穩階段，導致失效、斷裂、爆炸等嚴重事故。

傳統的無損檢測方法(超聲、磁粉、滲透、渦流和X射線等)僅能檢測出已形成的宏觀缺陷，對應力集中造成的早期微觀損傷卻無能為力[1]，因而不能完全杜絕惡性事故的發生。金屬磁記憶檢測技術(metal magnetic memory testing, MMMT)是由俄羅斯學者Dubov于1997年提出的一種新的損傷檢測及表征方法，它是基于鐵磁材料的力-磁效應，當鐵磁構件受到微弱的地磁場(約40 A/m)激勵和載荷共同作用時，其內部會發生具有磁致伸縮性質的磁疇組織定向的和不可逆的重新取向，并在應力與變形集中區形成泄漏磁場，通過對泄漏磁場的檢測可以對構件的應力集中部位進行可靠、準確的評價，從而達到早期損傷檢測的目的[2]。

然而，由于磁記憶檢測屬于地磁場作用下的弱磁檢測方法，微缺陷的檢出信息較弱，在實際應用時易受退磁場差異、微觀組織分布、熱處理狀態等干擾因素影響，在很多情況下檢測結果嚴重失真，甚至依據檢測結果難以得出有效結論；這些問題成為制約金屬磁記憶檢測技術工程化推廣應用的主要障礙[3-4]。

本文對典型壓力容器用鋼16MnR平板試件進行拉-拉疲勞試驗，設計并制作了勵磁裝置與巨磁阻傳感器，采集微損傷發展過程中應力集中區域的漏磁場切向分量值，在已經開展的相關研究工作基礎上，探討通過適當加強外場穩恒弱磁激勵的方法，抑制雜散干擾磁場的影響，突出、強化磁記憶信號，提高檢測系統靈敏度，改善檢測效果，為提高鐵磁試件的疲勞損傷檢測效果提供新的技術途徑。

1 弱磁激勵下檢測系統靈敏度分析

磁記憶效應是一種穩恒地磁場作用下的磁機械效應。從廣義的角度看，應力和磁場之間相互耦合而使鐵磁性材料的磁性能、磁化過程等發生的一系列相關變化都可以稱為磁機械效應[5]。

根據Jiles等人的磁有效場概念，磁記憶檢測系統信號，實際上是應力作用下等效產生的磁有效場導致的磁感應強度的變化。因此，按照測試系統靈敏度概念，磁記憶檢測系統的靈敏度可定義為

(1)

式中：μ為磁導率；Heσ為載荷作用時被測試件的磁有效場；He0為載荷作用前被測試件的初始磁有效場；σ為載荷作用時試件所受應力；σ0為載荷作用前試件上的初始殘余應力。針對具體試件，可以認為He0和σ0為常數。

磁有效場Heσ可表示為[6]

(2)

因為磁致伸縮系數λ關于磁化強度M=0對稱，在M值較小的情況下，可近似令

λ=bM2

(3)

則

(4)

其中，系數b可以通過實驗確定。

根據Weiss分子場理論，在理想情況下，試樣的磁化強度M可以用修正的郎之萬函數表示，并在磁場較小的情況下，磁化強度M可表示為[7]：

(5)

整理得：

(6)

磁有效場Heσ表示為：

(7)

由式(7)知，在應力值σ一定的情況下，當外激勵磁場H增加時，磁有效場Heσ增加。

在弱穩恒磁場下，材料磁導率并不是常數，而是隨著外磁場增加會急劇增大。16MnR鋼的磁導率曲線如圖1所示[8]，在0～560 A/m外磁場激勵下，磁導率曲線急劇升高。根據相關文獻可知[9]，地磁場H=40 A/m；MS=1.71×106 A/m；a=995 A/m；α=0.8×10-3；b=2.4×10-18(A/m)-2；μ0=4π×10-7H/m。通過計算可得，當應力值恒定，磁場由H=40 A/m增加到560 A/m時，靈敏度提高約30倍。

因此，在穩恒弱磁激勵條件下，適當增加激勵強度，會使得磁導率μ和磁有效場Heσ同時增加，從而使磁記憶檢測靈敏度得到顯著提高。

2 實驗材料與方法

2.1 實驗材料

實驗材料為16MnR鋼，它是一種重要的壓力容器用鋼，具有較高的強度和韌性，抗拉強度σb=549.9 MPa，屈服強度σs=398.0 MPa，主要化學成分如表1所示。

表1 實驗材料的主要化學成分(質量分數,%)

在試件中間兩側邊緣處對稱預制加工2.5 mm的缺口，檢測區域為距試件中心兩側等距共60 mm范圍內，如圖2所示。試驗前在試件表面標定一條掃描直線，沿該直線方向進行掃描檢測，以保證獲取的檢測數據具有同向一致性。為了消除殘余應力引起的表面不均勻剩磁，達到凈化初始磁信號的目的，可利用利用TC-50退磁器提前進行退磁處理。

2.2 實驗裝置

設計并制作了可以在試件表面一端浮動的直流勵磁裝置，在試件拉伸變形情況下仍可以施加有效磁化作用，如圖3所示。其主要由線圈、鐵芯、鉸接板等幾部分組成。通電流后，線圈、鐵芯、試件通過兩端的極靴形成了閉合的勵磁回路。

檢測系統主要包括巨磁阻傳感器探頭、處理電路、采集系統及數據后置處理，如圖4所示。探頭選用AA002-02型巨磁阻芯片，它對測量磁場具有很高的靈敏度，采用惠斯通電橋輸出模擬信號，最高持續工作溫度達125 ℃，具有較寬的線性輸出范圍，接近6 V的工作電壓，頻率響應為0～1 MHz，通常在較低磁場情況下使用。

2.3 實驗方法

對試件進行σmax=330 MPa，σmin=30 MPa的拉-拉疲勞試驗，加載頻率f=1 Hz。試驗分別在地磁場和外加磁場激勵條件下進行，采用勵磁裝置產生外加激勵磁場，勵磁電流為0.01 A,計算得此時試件中的磁感應強度為0.035T,而一般低碳鋼的飽和磁感應強度大于1T，因此所加外磁場屬于弱磁激勵范圍。試驗過程中，探頭以10 mm/s的移動速率在試件中部掃描，跟蹤試件從未加載直至斷裂的整個過程中漏磁場切向分量的變化。由于離裂紋尖端較遠，此時得到的檢測結果應該為試件中部由應力集中區所產生的磁記憶信號。

3 實驗結果與討論

3.1 激勵磁場對磁記憶信號的影響

分析檢測結果發現，盡管不同循環次數下磁記憶信號的幅值不同，但基本呈現相同的變化規律，將疲勞過程分為初始階段、中間階段與最后階段，每個階段選取具有代表性的一組檢測信號進行分析。

圖5為循環1 000周次，5 000周次，9 000周次時不同勵磁條件時的磁記憶信號曲線，橫坐標為檢測距離，縱坐標為GMR傳感器檢測的磁信號切向分量值。從宏觀角度看，在地磁場激勵條件下，循環1 000次后試件下側切口根部出現微裂紋，循環至5 000周次后裂紋生長至約1 mm，9 000周次后生長至2 mm左右，此時裂紋處試件寬度僅為11 mm。繼續拉伸至11 015周次時發生斷裂；外加磁場激勵條件下與地磁場激勵條件下的試件裂紋擴展情況類似，循環至12 867次后發生斷裂。

在地磁場環境中，由于磁記憶信號受環境干擾因素影響較大，導致檢測區域內出現多個異常峰，如圖5中地磁場激勵時的曲線，并且每個最大峰值出現的位置不集中，因此僅通過漏磁場切向分量出現峰值難以判斷應力集中區域。采用勵磁裝置對試件進行弱磁激勵后，磁記憶信號得到加強，外界干擾因素得到有效的抑制，此時檢測區域內有且只有一個異常峰，且每次異常峰的位置保持在30～33 mm之間，試驗結果與圖2中試件預制缺陷處吻合，如圖5中外磁場激勵后的曲線。由此可得，通過適當加強外場穩恒弱磁激勵的方法，可以有效地抑制雜散干擾磁場，提高檢測系統的靈敏度，使檢測效果得到顯著改善。

3.2 循環周次對磁記憶信號的影響

圖6為試件在不同磁激勵條件下磁記憶信號幅值隨循環次數的變化曲線。在地磁場激勵條件下，磁記憶信號的幅值范圍為100～900 mV，并且由于干擾因素的存在，幅值隨循環次數的變化曲線呈現無規律性。在穩恒弱磁激勵條件下，由于外加磁場的作用，磁記憶信號的幅值變化范圍為300～5 700 mV，并且外加弱磁激勵可以加強磁記憶信號，減小了干擾磁場影響。

磁記憶信號隨循環次數增加而逐漸增大，并且在疲勞過程的不同階段磁信號幅值的變化率不同，如圖6中外磁場激勵曲線。在循環應力作用下，交變應力使疇壁發生不可逆移動或使磁疇磁化矢量產生不可逆改變而導致磁化強度發生變化，并且磁場強度隨循環拉伸次數增加會產生累積作用，致使檢測得到的漏磁場逐漸增大。當微觀裂紋形成后，在裂紋周圍迅速產生應力集中區域，加快了局部磁化效應，在微裂紋的兩個端面會立刻形成兩個磁極，當裂紋擴展成宏觀裂紋時，裂紋處及端面達到磁飽和狀態，N-S磁極形成，產生了較強的漏磁場。

4 結語

(1)由于地磁場條件下外界干擾磁場的影響，難以通過磁記憶信號切向分量出現峰值來判斷應力集中區域，適當加強外磁場激勵可以突出、強化磁記憶信號，提高檢測結果的靈敏度及信噪比，使檢測效果得到顯著改善。

(2)穩恒弱磁場激勵的作用，可以顯著提高鐵磁材料磁導率、增大應力導致的磁有效場，從而提高磁記憶檢測系統靈敏度。

(3)在穩恒弱磁場激勵條件下，受動載荷拉伸的試件在應力集中處產生了Hp(x)極大值，其值隨循環次數的增加而逐漸增大，且在疲勞的不同階段由于損傷程度的不同幅值的變化率不同。其規律性比無激勵作用時更加明顯。

[1]Gilanyi A, Morishita K, Sukegawa T, et al.Magnetic nondestructive evaluation of fatigue damage of ferromagnetic steels for nuclear fusion energy systems[J].Fusion Engineering and Design, 1998,42:485-491.

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[4]Dong Li-hong, Xu Bin-shi, Dong Shi-yun,et al.The effect of tensile stress and residual stress on the spontaneous stray field signals from the surface of 0.45%C steel[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2007,20(6):29-32.

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[9]Jiles D C.Theory of the magnetomechanical effect[J].Journal of physics D-applied physics, 1995,28(8):1537-1546.