建筑鋼試件拉伸應力與其磁記憶效應漏磁場梯度的對應關系研究

王 威，易術春，蘇三慶，蘭 艷

（西安建筑科技大學土木工程學院，西安 710055）

無損檢測是在不損傷被測對象內部結構和實用性能的情況下，應用多種物理原理和化學現象，對各種工程材料、零部件和結構件進行有效的檢驗和測試，從而評估被測對象的完整性和安全性．然而，常規的磁無損檢測技術只能檢測出已經成形的宏觀缺陷，無法對早期的隱性損傷進行檢測[1-3]．且常規的磁無損檢測技術是以外加的強磁場為激勵源，將被測對象磁化到磁飽和狀態，在實際工程應用中具有一定的局限性．金屬磁記憶檢測技術是一項新興的無損檢測方法，以地磁場為激勵源，測量的是應力引起的殘余磁場，能夠對鐵磁材料的應力集中、早期損傷及損傷程度等進行診斷，防止構件的突發性失效，是迄今為止對鐵磁構件進行早期診斷唯一行之有效的無損檢測新方法[4-5]．且由于其操作簡單、方便和不需要對被測構件進行清理、人工磁化以及貼附傳感器等，被廣泛應用于石油、化工和機械等領域．

自金屬磁記憶檢測技術被提出以來，便受到各國學者的普遍重視．Yamamoto等[6]觀測了鐵磁構件在弱磁場和應力共同作用下磁疇組織的變化；黃松嶺等[7]檢測了在地磁場的作用下ASTM1020鋼板磁信號的變化，研究了磁記憶檢測中地磁場的作用；任吉林等[8]對40Cr鋼進行高周疲勞試驗，研究了疲勞損傷及應力集中對法向漏磁信號的影響規律，并將李薩如圖引入磁記憶檢測中．然而，磁記憶檢測在建筑鋼結構中的應用卻少有研究，加之建筑鋼構件的材性、受力方式及工作環境與上述設備明顯不同，故不能將其他領域現有磁記憶理論直接應用于建筑鋼結構中[9]．本文通過對鋼結構中常用的 Q345B光滑試件和人工預制淺槽試件進行靜載拉伸試驗，采集規定路徑上的法向漏磁場值，研究了不同應力狀態下磁記憶信號的變化規律，建立了磁信號特征參量與應力之間的量化關系，為磁記憶檢測技術在鋼結構領域中的應用打下基礎．

1 試驗概況

1.1 試驗設計

試驗材料選用鋼結構中廣泛應用的 Q345B結構鋼，其力學性能指標規定值如表1所示．

為更好的觀測應力集中區磁記憶信號的變化特征，本文采用的拉伸試件為光滑試件和人工預制淺槽缺口試件．試件利用線切割機進行加工，同時，為了保證試件的斷裂位置位于檢測范圍內，將中央的檢測區域面積適當減小，以增大此區域內的應力．為符合工程實際情況，試件未進行去應力退火處理．實驗前在試件的正面測試范圍內畫好檢測線，檢測線長度為100 mm．試件的具體尺寸如圖1所示．

表1 Q345鋼試件力學性能Tab.1 Mechanical properties of Q345 steel specimen

圖1 試件尺寸及檢測線位置Fig.1 Size of specimen and arrangement of measured lines

1.2 試驗設備及方法

拉伸試驗在WAW-2000D電液伺服萬能試驗機上進行，其主要技術參數：最大試驗力為2 000 kN，試驗力示值相對誤差≤±1%．磁記憶信號檢測設備選用高精度的WT10B型數字高斯計，其主要技術參數：量程范圍：0～200 mT，基本誤差：± 2%，分辨率：0.01 mT．

試驗開始前，分別對光滑試件和淺槽試件進行軸向拉伸，發現光滑試件和淺槽試件分別加載到96 kN和85 kN時發生屈服，加載到120 kN和110 kN時出現明顯的頸縮現象．為了更好地觀察試件從彈性階段過渡到塑性階段過程中磁記憶信號的變化特征，采取分級加載的方式，并在屈服強度處進行細化．光滑試件的加載等級為：0、40、70、80、90、96、100、110、120 kN；淺槽試件的加載等級為：0、20、40、60、80、85、90、100、110 kN．當載荷達到預先設定值時，采用WT10B數字高斯計進行在線檢測．檢測時，沿著檢測線從左至右逐點依次檢測，探頭垂直并緊貼于試件表面．

1.3 試驗數據優化

加載完成后，對試驗數據進行整理，發現每組試件都具有較好的一致性，特別是同一試件中，兩條測量線上的漏磁場值基本相同，為減小檢測誤差，同一試件的檢測結果取兩條檢測線上檢測數據的平均值．由于加載裝置的夾具也屬于鐵磁材料，會對試件端頭的磁場產生影響，因此，在進行數據分析時，去除試件兩端各兩個檢測點的數據．

2 試驗結果及分析

2.1 不同應力對磁記憶信號的影響

試件加載之前，在線測量試件表面的初始漏磁信號，測量結果如圖2所示．由圖2可知，由于試件未進行去應力退火處理，且加工過程中產生了殘余應力．初始時就有較大的磁信號，且曲線均有較大的波動，法向分量過零點的位置與試件的斷裂位置不相符，即初始磁信號不能對試件的應力集中進行判斷．

圖2 初始階段法向分量磁場強度值Fig.2 Normal component of magnetic field intensity values in initial stage

圖3 彈性階段法向分量磁場強度值Fig.3 Normal component of magnetic field intensity values in elastic stage

圖4 塑性階段法向分量磁場強度值Fig.4 Normal component of magnetic field intensity values in plastic stage

圖3為彈性階段，試件表面磁場強度的法向分量分布曲線．由圖3可知，試件表面的磁信號與初始磁信號有很大差異，磁信號曲線出現過零點現象，并沿加載方向近似為一條斜直線且保持穩定，并隨著載荷的增加，磁信號法向分量逐漸增大．這是由于應力的存在使得磁彈性能逐漸增大，為了使試件總的自由能趨于最小，在試件內部的位錯聚集處，磁疇必將發生運動，彈性應力的存在能有效促進磁疇沿著最大拉應力方向取向，從而增大了試件的空間漏磁場[10]．

圖4為塑性階段，試件表面磁場強度的法向分量分布曲線．由圖4可知，磁場分布曲線在試件的最終斷裂處附近出現小幅波動現象，表現出一定的非線性變化．這是由于塑性階段，試件內部的磁場組織的變向和分隔作用，使得試件表面漏磁場發生了畸變，進而表現出一定的非線性變化．這與Doubov所提出的應力集中區磁場法向分量具有“峰-峰值”的現象，具有一定的偏差．

為研究磁場法向分量過零點的位置與試件最終斷裂位置是否存在偏差，分別對光滑試件和淺槽試件過零點的位置進行統計，如表2所示．零點不在檢測點上時，采用線性內插的方法確定其位置．光滑試件和淺槽試件的最終實際斷裂位置分別在30和40 mm處．

由表2可知，光滑試件磁場法向分量零點位置在不同應力下并不唯一，出現了“漂移”現象，表現為隨著應力的增大，零點位置逐漸向試件的最終斷裂位置移動，并在400 MPa時已基本位于斷裂位置處．對于淺槽試件，由于淺槽缺陷的存在，試件中部有很大的應力集中，在不同應力下淺槽試件磁場法向分量零點位置唯一，且均出現在試件中部，與試件最終斷裂位置一致．因此，Doubov所提出的應力集中區磁場法向分量過零點的現象，對于光滑試件，雖不能準確的判斷應力集中區，但仍具有一定的指導意義；對于淺槽試件具有很好的一致性，能準確的判斷出應力集中區．

表2 光滑試件和淺槽試件不同應力下磁場零點位置Tab.2 Zero position of magnetic field under different tensile loads of smooth specimen and slotted specimen

2.2 不同應力對磁記憶信號梯度值的影響

從磁偶極子模型可知，磁信號反映的是應力集中區的自由漏磁場的積分場．對磁信號進行微分，可以有效的排除外界恒定磁場對試驗結果的干擾．本文采用基于離散數據的中心差分算法對磁信號法向分量進行一階微分

式中： Ki為第i個檢測點的磁場法向分量梯度值；分別為第i個檢測點的磁場法向分量值和位置坐標．

圖5和圖6分別給出了彈性階段和塑性階段，試件表面磁信號法向分量梯度值的分布曲線．在彈性階段，磁場梯度值隨應力的增大而緩慢增大，光滑試件由于應力集中不明顯，曲線的波動整體較小；淺槽試件由于中部具有較大的應力集中區，曲線的波動整體較大，并在應力集中部位出現“峰值”．在塑性階段，磁場梯度值隨應力的增大而快速增大，光滑試件和淺槽試件均在應力集中部位(最終斷裂處)出現“峰值”．

圖5 彈性階段法向分量磁場梯度值Fig.5 Normal component of magnetic field gradient values in elastic stage

圖6 塑性階段法向分量磁場梯度值Fig.6 Normal component of magnetic field gradient values in plastic stage

為研究磁場法向分量梯度最大值位置與試件最終斷裂位置是否存在偏差，分別對光滑試件和淺槽試件梯度最大值位置進行統計，如表3所示．

表3 光滑試件和淺槽試件不同應力下梯度最大值位置Tab. 3 Position of maximum gradient under different tensile loads of smooth specimen and slotted specimen

由表3可知，只有在應力為133.3 MPa時，梯度最大值位于20.0 mm處，其他應力下，梯度最大值均位于30.0 mm處，即試件的最終斷裂處，可能是由于試件加載初期，應力集中程度較小，且夾具對試件端部產生了一定的影響．因此，光滑試件梯度最大值位置較過零點位置能更好的判斷應力集中部位．對于淺槽試件，梯度最大值位置均在40.0 mm處，因此，對于已存在的應力集中區，梯度最大值位置和過零點位置都能準確判斷應力集中部位．

通過對磁信號試驗數據的分析，提取磁場梯度算術平均值對應力的導數作為特征參量，并建立K′與應力σ的關系曲線，如圖 7所示．其中 Kmean值由式(2)確定．

式中：n為檢測線上的檢測點數，即n=17．

由圖7可知，在彈性范圍內，導數K′隨著應力σ的增加而增大；當應力增加至屈服強度時，K′值出現最大值，其中光滑試件達到6.92×10-5，淺槽試件達到5.08×10-5，較初始階段分別增大了7.8倍和10.3倍；屈服以后，K′值隨應力σ增加逐漸減小．因此，可以提取特征參量K′，對試件是否進入塑性階段進行判定，且淺槽試件由于應力集中程度更大，對K′值的變化更加敏感．

圖7 應力σ與導數K′之間的曲線Fig.7 The relation curve of stress σ and derivative value K′

圖8 應力σ與梯度之間的曲線Fig.8 The relation curve of stress σ and gradient

為更好的反映試件應力集中程度，建立磁場梯度最大值的絕對值Kmax與應力σ的關系曲線，如圖8所示．在彈性階段，隨著試件內部應力的增加，磁場梯度值緩慢增大；進入塑性階段后，磁場梯度值急劇增大，當試件出現明顯的頸縮現象時，其中光滑試件達到0.033，淺槽試件達到0.042，較初始階段分別增大了4.1倍和4.2倍．這是由于隨著載荷的增加，試件內部應力水平增大，在應力集中部位由于磁機械效應的作用使得材料表面漏磁場增強而導致的．采用指數增長擬合函數式(3)對上述數據進行非線性擬合

光滑曲線：A=3.99×10-5，R0=0.0163，K0=0.0068，擬合度為 95.3%；缺陷試件：A=5.197×10-5，R0=0.014，K0=0.0105，擬合度為98.3%．結果表明，淺槽試件由于應力集中程度更大，對值的變化更加敏感，且值可以用來表征試件的受力狀態，評估損傷程度，并能通過其量化關系反演材料的應力狀態．

3 結論

(1) Doubov所提出的應力集中區磁場法向分量過零點和梯度最大值，能較好的判斷應力集中位置；但應力集中區磁場法向分量出現“峰-峰值”，對于光滑和淺槽試件，均具有一定的偏差，不能作為早期損傷判斷的依據．

(2) 分析了磁場梯度特征參量K′隨應力σ的變化特征，發現當試件達到屈服極限時，K′出現最大值，可以提取K′值作為特征量，對試件是否進入塑性階段進行判定．

(3) 建立了磁場梯度最大值的絕對值與應力σ的量化關系，可以利用來表征試件的受力狀態，并能通過其量化關系反演材料的應力狀態，評估損傷程度．

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