利用磁記憶信號特征參數表征拉伸應力狀態*

易術春，王 威，蘇三慶，徐 秦，曾發榮

(西安建筑科技大學土木工程學院 西安,710055)

利用磁記憶信號特征參數表征拉伸應力狀態*

易術春，王 威，蘇三慶，徐 秦，曾發榮

(西安建筑科技大學土木工程學院 西安,710055)

金屬磁記憶； 量化關系； 特征參量； 損傷程度

引 言

鐵磁構件由于其具有輕質高強、材質均勻、制作簡單、韌性好和耐高壓等特點，被廣泛應用于機械和建筑領域。但這些構件的受力和構造復雜，在服役過程中遭受長期循環載荷、自然災害以及人為因素的影響，不可避免地產生一些隱性損傷，威脅整個設備和結構的正常使用和安全。常規的無損檢測技術(超聲波法、射線法和渦流檢測方法等)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]。金屬磁記憶檢測技術是一種新興的無損檢測方法，能夠對構件的應力集中和早期損傷進行診斷，防止突發性失效，是迄今為止對鐵磁構件進行早期診斷唯一有效的無損檢測方法[4]。該方法的原理是鐵磁構件受工作載荷和地球磁場的共同作用，在應力和變形集中區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，進而導致漏磁場Hp的變化，即切線分量具有最大值，法向分量改變符號且過零點[5-6]。通過檢測鐵磁構件表面的漏磁場分布情況，可對應力集中或缺陷進行準確判斷[7-8]。

由于金屬磁記憶檢測技術操作簡單方便且不需要對被測構件進行清理、人工磁化以及貼附傳感器等，因此廣泛應用于石油、化工和機械等領域的檢測。近年來，對漏磁信號與應力狀態之間的關系展開了大量研究。文獻[9]研究了應力狀態、微觀缺陷長度及掃描路徑對漏磁信號的影響。文獻[10]研究了20鋼V型缺陷平板在拉伸載荷下應力磁化的反轉效應。文獻[11]研究了帶圓孔平板試件在靜拉應力作用下應力集中區磁信號和磁疇組織的變化規律。這些研究均未能建立磁記憶信號與應力之間的定量關系。

筆者通過對Q345B鋼試件進行靜載拉伸試驗，采集規定路徑上的法向漏磁場值，得到了不同應力狀態下的磁記憶信號變化規律，研究了試件斷裂處的法向分量Hp(y)值和特征參量隨應力的變化，并建立磁場梯度指數與應力的量化關系，利用磁記憶信號表征試件應力狀態。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為常用的Q345B鋼，其力學性能和化學組成如表1和表2所示。

表1 Q345低碳鋼力學性能Tab.1 Mechanical properties of Q345 low carbon steel

表2 Q345低碳鋼化學組成Tab.2 Chemical composition of Q345 low carbon steel

利用線切割機將試件尺寸加工為200 mm×50 mm×10 mm。考慮到實際應用情況,未對試件進行退磁。試驗前在試件正面測量范圍內畫好檢測線,檢測線長度為80 mm，如圖1所示。

圖1 試件尺寸及檢測線位置(單位:mm)Fig.1 Size of specimen and the arrangement of measured lines (unit:mm)

1.2 試驗設備及方法

拉伸試驗在WAW-2 000D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%，試驗力測量范圍為最大試驗力的2%～100%，如圖2所示。磁記憶信號檢測設備選用高精度的WT10B型數字高斯計，其基本誤差為±2%，精度為0.01 mT。

圖2 WAW-2 000D試驗機Fig.2 WAW-2 000D testing machine

試驗開始前，預先對試件進行靜載拉伸，得到力-位移關系曲線，如圖3所示。由曲線可知，試件加載到96 kN時發生屈服，加載到120 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，采取分級加載方式，并在屈服強度處進行細化，試件的加載等級為0，40，70，80，90，96，100，110和120 kN。在試驗過程中，當載荷達到預先設定值后，靜置一段時間，然后采用磁記憶檢測儀進行在線檢測。測量前，將檢測設備初始化，將初始值校正到0.05 mT≈40 A/m。由于磁場是矢量場，位置及環境的改變會對磁信號產生很大影響，所以本試驗均是在同一位置和同一環境下進行。檢測時，沿著檢測線從左至右逐點依次檢測，檢測步距為5 mm。根據文獻[12]，將傳感器直接貼著試件表面進行磁信號采集是消除提離效應的好方法。因此，測量時將傳感器垂直并緊貼試件表面，保證在檢測過程中提離值保持為零，且每個檢測點至少檢測3次，直至信號穩定，以減小誤差。

圖3 試件的力-位移曲線Fig.3 Force vs.displacement curve of specimen

2 試驗結果

2.1 不同載荷對磁記憶信號的影響

加載完成后，對4組試驗數據進行整理，發現4組試件重復試驗中檢測線的磁信號有相同的變化趨勢，尤其同一試件的兩條測量線上法向分量值表現出很強的相似性。為減小檢測誤差，檢測結果取兩條檢測線上法向分量的平均值，并選取其中一個試件作為研究對象。

圖4為彈性階段和塑性階段試件表面法向分量分布曲線。初始階段，試件表面具有較大的磁信號，主要是因為在試件制作過程中磁疇組織發生了重新排列。彈性階段，試件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，沿加載方向近似為斜直線且保持穩定，并隨著應力的增大而增加。這表明在應力和地磁場共同作用下，試件內部產生了很高的應力能。根據物質結構實際存在狀態必是能量最小狀態的原則，為了使總的自由能趨于最小，在試件內部的位錯聚集處磁疇壁必將發生不可逆的重新取向。同時，由于金屬的多種內耗效應，試件內部將出現不同程度的磁化，且鋼材在制造過程中其內部本身就有雜質和缺陷，而這些雜質和缺陷會導致材料局部的磁導率下降，形成高磁阻區，阻礙磁力線的通過，在這些缺陷區域內形成不均勻的磁勢差，使原本均勻的磁力線出現畸變，從而在試件表面產生不等的自有漏磁場[13-14]。隨著應力的增大，試件內部逐漸達到磁飽和狀態，磁信號的分布趨于穩定。屈服階段，磁信號曲線出現非線性變化，斜率由負變為正，相對于彈性階段磁信號發生了反轉現象，且Hp(y)變化幅度相對于彈性階段出現了明顯降低。這是由于塑性變形加速了位錯密度的積累，位錯對磁疇的釘扎作用阻礙了磁疇的有序化運動，并降低了磁化強度。

圖4 不同拉伸載荷下Hp(y)值的變化Fig.4 Variations of Hp(y) values under different tensile loads

2.2 應力σ與磁記憶信號特征參數之間的關系

1) 根據磁偶極子模型，自由漏磁場反映的是磁荷密度的積分場。為了更好的建立應力σ與磁信號之間的量化關系，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

(1)

其中：Ki為第i個檢測點的法向分量梯度值，反映了磁信號變化的快慢程度；Hp(y)i和li分別為第i個檢測點的法向分量值和位置坐標。

圖5 應力σ與梯度Kmax之間的關系曲線Fig.5 Relationship between stress σ and gradient Kmax

(2)

圖6 應力σ與梯度之間的關系曲線Fig.6 Relationship between stress σ and gradient

圖7 應力σ與斷裂處Hp(y)之間的關系曲線Fig.7 Relationship between stress σ and Hp(y) at the fracture position

3) 試件的最終斷裂位置為檢測線L=45 mm處。為研究鋼結構易損部位的磁記憶信號變化特征，建立了試件斷裂處磁場法向分量Hp(y)與應力σ的關系曲線，如圖7所示。Hp(y)隨著應力σ的增加而增大，并在屈服強度處出現跳變。在加載初期，Hp(y)變化幅度很小，主要是由于此時應力小，試件內部沒有出現應力集中。當應力增加至屈服極限時，試件內部發生應力集中，出現滑移和位錯，并且導致試件產生微裂紋，磁記憶信號出現突然地跳變。當應力增加到試件出現明顯的頸縮現象時，隨著裂紋的增多及相互交錯，法向分量急劇增大，此時試件瀕臨破壞。可見，斷裂處Hp(y)值能很好地反映試件斷裂處的損傷程度，為鋼結構易損部位的量化提供依據。

y=Aexp(R0x)+y0

(3)

圖8 應力σ與磁場梯度指數ξ之間的關系曲線Fig.8 Relationship between stress σ and magnetic field gradient index ξ

得到γ值與應力σ之間的量化關系

ξ=Aexp(R0σ)+ξ0

(4)

其中：A=1.21×10-10；R0=0.066 MPa-1；ξo=2.85；擬合度為99.1%。

結果表明，ξ值可以準確表征試件的應力狀態并對構件的失效進行預警。

3 分析及討論

3.1 磁信號反轉分析

文獻[15]中，根據Jiles-Atherton模型，單軸應力可以通過磁致伸縮改變試件內部的有效場，相當于附加了一個應力場，這個應力場為

(5)

其中：λ為磁致伸縮系數；μ0為真空磁導率；M為磁化強度；θ為應力與磁場強度之間的夾角；ν為泊松比。

本試驗中，Q345B鋼的泊松比ν=0.3，θ=46°，則有效磁場Heff為

(6)

試件的磁致伸縮系數λ可由經驗模擬

(7)

利用文獻[16]可知

γ1(0)=7×10-18m2/A2

γ2(0)=-3.3×10-30m2/A4

在本試驗中，地磁場強度H=40 A/m，Q345B鋼按線性物質考慮，假定其磁化率為210，內磁疇耦合系數α=0.001，真空磁導率μ0=4π×10-7H/m。屈服后的磁信號發生反轉現象，說明Heff<0

(8)

將各參數值帶入式(8)，當拉應力大于308.6 MPa和壓應力大于238.7 MPa時，均會導致磁信號發生發轉現象，與本試驗結果一致。因此，圖4中磁信號Hp(y)的反轉現象可用Jiles-Atherton模型解釋。

3.2 斷裂處法向分量分析

試驗結束后觀察到，橫截面積的變化主要發生在關于試件斷裂處對稱的區域內。假定這個區域A為無限小，并且在拉應力作用下只在區域交界處橫截面積發生變化，而區域內和區域外的橫截面積保持不變，如圖9所示。

圖9 感應磁場分布模型Fig.9 Model of inductive magnetic field

設試件垂直于地磁場H的橫截面積為S，在應力作用下經過時間Δt后，橫截面積變化了ΔS，則交界面處感應電動勢為

(9)

其中：μr為材料相對磁導率；μ0為真空磁導率。

由式(9)可知，電動勢E正比于ΔS。在電動勢的作用下，交界面處將產生感應電流i，且i正比于感應電動勢，因此感應電流i也正比于ΔS。

根據比奧-薩伐爾定律可知，在電流i作用下，試件表面某點P處的磁場強度為

(10)

由式(10)可知，試件表面的磁場強度正比于電流i，因此磁場強度也正比于ΔS。

根據鋼材的本構關系，應力的作用必然導致試件產生縱向應變，且應變隨著應力的增加而增大。由泊松比的定義可知,橫向應變與縱向應變呈正比關系，橫截面積的改變量ΔS和試件斷裂處的磁場強度H隨著應力的增加而增大，故圖7中的磁信號隨應力增加而增大的現象可由式(10)定性分析。

此外，式(10)還可解釋磁信號隨著提離值的增大而減弱的原因。由式(10)可知，磁場強度H與測量半徑r呈反比，即提離值越大時，檢測到的磁場強度越小，這一現象在文獻[17]已經證實。

4 結 論

1) 彈性階段的磁信號曲線沿加載方向近似為斜直線且保持穩定，隨著應力的增加而增大；屈服階段的磁信號曲線出現非線性變化，相對于彈性階段磁信號發生了反轉現象。Jiles-Atherton模型可解釋磁信號發生反轉的原因。

2) 分析了磁信號特征參量Kmax隨應力的變化特征，當試件達到屈服極限時，磁信號特征參量Kmax出現極大值，可以提取Kmax的極大值作為特征量，對試件是否進入塑性階段進行判定。

4) 建立了磁場梯度指數ξ與應力σ的量化關系，ξ值可表征試件的應力狀態，為金屬磁記憶檢測技術定量評估和安全預警提供理論和試驗依據。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2017.04.005

* 國家自然科學基金資助項目(51578449，51478383，51378413)；陜西省自然科學基金資助項目(2015JM5192)

2015-04-28；

2015-08-19

TH140.7； TG115.28

易術春，男，1990年9月生，博士生。主要研究方向為金屬磁記憶無損檢測技術的測試、分析及其應用。曾發表《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》(《西安建筑科技大學學報：自然科學版》2015年第47卷第3期)等論文。 E-mail:yscone@live.xauat.edu.cn