45＃鋼試件疲勞損傷的磁記憶檢測

李 一，于 巖，肖愛武，潘 文

（國核電站運行服務技術有限公司，上海 200233）

45＃鋼屬中碳鋼，這類鋼具有較高的強度和硬度，其塑性和韌度隨含碳量的增加而逐步降低，經調質處理后，能獲得較好的綜合力學性能。其主要用于制造受力較大的機械零件，如連桿、曲軸、齒輪和聯軸器等，使用過程中由于各式各樣應力的作用易產生損傷繼而疲勞失效，具體表現形式為長期在低于疲勞強度的應力作用下，逐漸產生出位錯、滑移等各種類型的內部微觀缺陷，進而生成肉眼可見的宏觀裂紋，最后構件在裂紋的擴展過程中失效［1］。

由于常規的無損檢測方法不能對早期疲勞損傷進行評價，而金屬磁記憶技術具有早期判斷應力集中區域的特點，疲勞的部位容易產生應力集中，因此通過在疲勞損傷領域引入金屬磁記憶技術，對早期判斷試件的損傷程度有很大的幫助［2－3］。磁記憶檢測技術具有能及時發現構件上的應力集中部位、操作簡單、不需要對構件表面作特殊清理，便于現場使用等優點，作為一種新的無損檢測技術受到了廣泛的關注。該方法基于鐵磁材料的力磁效應的應用，利用構件在工作載荷和地磁場的作用下其內部會發生磁疇組織定向和不可逆的重新取向，在應力集中區形成漏磁場［4］的特點對漏磁場進行檢測，并結合被檢構件的實際運行條件來確定構件表面或近表面的以應力集中為主要特征的早期損傷部位。

通過對45＃鋼U 型缺口試件進行疲勞試驗和磁記憶檢測，研究了疲勞過程中的法向磁場值隨循環次數的變化規律以及磁信號特征參量與疲勞損傷之間的關系；并且建立了基于磁記憶信號特征參量Kmax的磁信號疲勞損傷模型，為疲勞損傷評估領域運用金屬磁記憶檢測技術做了一定的鋪墊。

1 試驗材料和方案

筆者采用應用廣泛的45＃鋼試件，尺寸如圖1所示，厚度為5 mm。試件受到材料本身和機械加工的影響，試驗前對試件進行去應力退火熱處理［5］。

采用INSTRON 公司的8801低頻疲勞試驗機進行疲勞試驗。試驗為應力控制的高周疲勞試驗，動載荷為9kN，靜載荷為12kN，正弦波形，應力比為0.11，加載頻率為30 Hz。漏磁場數值采用離線測量，為獲得足夠的原始數據，試驗初始階段試件經過5萬次循環之后便將試件從疲勞機上卸載，測量如圖1所示不同路徑的磁場值；當試件出現明顯的應力集中現象，甚至是裂紋時，試件經過5千次循環之后便離線測量磁場值。

采用TSC－1M－4型金屬磁記憶檢測儀，離線測量如圖1所示三條路徑的磁場值，從開始位置到結束位置進行測量，長度為100mm。使用TSCM－2FM 應力集中檢測儀分別在線和離線測量如圖1所示的A、B、C、D四個點磁場值在不同循環周次下磁場值。A 點與C點，B點與D點是關于Z軸對稱。

圖1 45＃鋼U 型缺口試件

2 試驗結果

2.1 磁場強度分布與循環次數的關系

圖2為路徑1至路徑3的磁場分布與循環次數的變化關系，加載到40萬次時，在路徑1處的缺口根部最早萌生出裂紋，在43萬次時裂紋快速增長。在循環次數40萬次之前，磁記憶信號的變化規律均是近似為線性減少，變化范圍很小；40萬次之后，磁記憶信號變化極為明顯，在距離裂紋尖端左端10mm處有磁場最小值，距離裂紋尖端右端10mm處有磁場最大值，在裂紋尖端附近出現法向磁場值過零點的現象［6］。

圖2 三條路徑磁場分布與循環次數的關系曲線

法向磁場值梯度K＝dHZ／dL，法向梯度值能夠很好地反映材料的損傷部位，如圖3所示試件上路徑1的K值隨不同循環次數的變化關系。

圖3 路徑1的K 值分布與循環次數的關系曲線

缺口根部在沒有萌生出裂紋時，K值變化規律雜亂無章；當萌生出裂紋時，曲線變得光滑，有明確的極值，能夠很好地預測應力集中區域。結合法向磁場強度過零點和K值，能很好地預測應力集中區域。

2.2 法向磁場強度與循環次數的關系

由于疲勞試驗的限制，不易于在線測量不同路徑的法向磁場強度值與循環次數的關系，因此使用TSCM－2FM 應力集中檢測儀在線記錄了如圖1所示A、B、C、D 四個位置的法向磁場強度值與循環次數的關系。

圖4為試件上A 點、C 點在不同循環次數下，法向磁場強度值隨循環次數的變化情況，A 點、C點的磁場值為在線測量。A 點與B 點的法向磁場強度值與循環周次的關系有相同的變化規律；C 點與D 點法向磁場強度值與循環周次的關系也具有相同的變化規律。由圖4可知：A 點的磁場強度值在15萬次循環之前線性增加；在15萬次之后線性減少，在15萬次循環時磁場強度值具有極大值。C點的磁場強度值在15 萬次循環之前線性減小；15萬次循環之后磁場強度值線性增加。綜合A 點和C點的磁場強度值隨循環次數的變化關系可以認為該試件在15萬次循環左右，磁場強度值出現反轉。

圖4 不同點法向磁場強度與循環周次的關系曲線

圖5為試件上坐標分別為（X＝－10，Z＝10）的點、（X＝10，Z＝10）的點，法向磁場值與循環周次的關系。由圖5可知：坐標X＝－10，Z＝10的點的磁場值在15萬次循環之前線性增加；在15萬次之后線性減少，在15萬次循環時磁場值具有極大值。坐標X＝10，Z＝10的點的磁場值在15萬次循環之前線性減小；15萬次循環之后磁場值線性增加。試件在15萬次循環周次時（最終循環周次的30%左右）出現反轉現象［7］。

圖5 不同坐標點法向磁場強度與循環周次的關系曲線

2.3 磁記憶特征參量與循環次數的關系

為了定量評估材料的損傷程度，一定要提取磁信號的特征參量。通過對試驗數據進行分析，提取法向磁場強度梯度的最大值Kmax為磁信號特征參量。

圖6 磁場強度梯度最大值Kmax與循環次數的關系曲線

圖6為路徑1和路徑2的法向磁場強度的梯度Kmax與循環次數的關系。路徑1和路徑2的變化特征可以分為三個階段：第一個階段是快速增加階段，即在疲勞試驗的開始階段，Kmax值快速增加，這個階段是材料的循環軟化階段；第二個階段為進入穩定循環階段，Kmax值變化較小；第三個階段進入裂紋萌生增長階段，該階段Kmax值變化顯著。因此，磁信號特征參量Kmax隨著疲勞損傷的加劇而增加，反映了構件疲勞損傷的程度。

3 疲勞損傷評估模型

損傷參量（D）是一種描述材料內部損傷狀態變化發展及其對材料力學作用影響的內部狀態參量。隨著循環的進行，材料內部產生損傷，用應力－位移曲線面積間接反映循環塑形的累積，損傷參量式為公式（1）：

式中：ΔS0為初始無損傷時的應力－位移曲線面積，取初始循環內應力－位移曲線面積的平均值；ΔSn為損傷過程中的應力－位移曲線面積，即第N次循環時的應力－位移曲線面積。

將磁信號特征參量的變化規律與損傷力學模型中損傷參量進行對比發現，材料損傷參量D可以通過磁信號特征參量Kmax進行表述，如式（2）所示：

式中Kmax0為初始時特征參量Kmax，KmaxN為循環過程中第N次循環時的磁信號特征參量Kmax。

圖7為基于Kmax的試件疲勞損傷與循環周次的關系。根據Kmax與D之間的對應關系，利用波爾茲曼函數對曲線進行擬合，可以得到：

式 中：A1為0.25 487；A2為7.85 708；N0為1.37 664；dN為0.15 582；N表示循環周次。

損傷參量D隨循環周次的關系圖如圖7所示。

隨著循環周次的增加，損傷參量D逐漸增加，當萌生出裂紋后，損傷顯著增加。因此基于Kmax的損傷參量D的描述是合理的，能夠清楚的描述試件的損傷程度。

圖7 基于Kmax的試件疲勞損傷參量與循環周次的關系曲線

4 結論

通過對45＃鋼含U 型缺陷平板試件的測量試驗，在沒有萌生裂紋的情況下，無明顯的應力集中，法向磁場值隨著循環次數的增加而減小，K值變化不明顯；當出現裂紋的情況下，裂紋尖端區域有顯著的應力集中，法向磁場值變化顯著，有明顯的過零點現象，K值變化明顯。綜合過零點和K值能夠很好地預測應力集中區域。通過分析不同點磁記憶信號隨循環周次的變化規律，發現磁記憶信號出現反轉現象。并且，建立了基于磁記憶信號特征參量Kmax的磁信號疲勞損傷模型，試驗證明該模型能夠較好地描述試件的損傷程度，為疲勞損傷評估領域運用金屬磁記憶檢測技術做了一定的鋪墊。

［1］邢海燕，楊文光，黃保富，等.基于磁記憶機理的焊縫疲勞累計損傷特征［J］.無損檢測，2012，34（3）：25－29.

［2］任尚坤，李新蕾，任吉林，等.金屬磁記憶檢測技術的物理機理［J］.南昌航空大學學報，2008，22（2）：11－17.

［3］任吉林，林俊明.金屬磁記憶檢測技術［M］.北京：中國電力出版社，2000：12.

［4］郭貽誠.鐵磁學［M］.北京：人民教育出版社，1982：11.

［5］唐繼紅，潘強華，任吉林，等.靜載拉伸下磁記憶信號變化特征分析［J］.儀器儀表學報，2011，32（2）：581－586.

［6］任吉林，林俊明，任文堅，等.金屬磁記憶檢測技術研究現狀與發展前景［J］.無損檢測，2012，34（4）：3－11.

［7］任尚坤，周莉，任仁珍.鐵磁試件應力磁化過程中的磁化反轉效應［J］.鋼鐵研究學報，2010，22（12）：48－52.