磁場對鐵磁試件力磁耦合關系的影響研究

祖瑞麗，任尚坤，段振霞，趙珍燕

（南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，江西 南昌 330063)

磁場對鐵磁試件力磁耦合關系的影響研究

祖瑞麗，任尚坤，段振霞，趙珍燕

（南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，江西 南昌 330063)

為研究磁場對鐵磁試件力磁信號分布規律的影響，對不同附加環境磁場下的45#鋼試件進行靜載拉伸試驗，檢測試件表面的磁記憶信號B的大小，并對試件在不同附加環境磁場下的力磁耦合關系進行分析討論。試驗結果表明：在磁場環境作用下B隨應力增大而增大，在屈服點附近達到最大值，此后各點B值基本保持穩定；附加環境磁場并未改變力磁信號的變化規律，但可增加磁記憶信號的大小數值，且磁化狀態變化量D隨著附加環境磁場的增大而增大，當H為240A/m時達到最大，隨后開始減小；在塑性變形階段，力磁信號表現為先減小后增大的磁化反轉現象。故附加環境磁場不影響金屬磁記憶技術的定性評價，但影響定量評價，因此可用磁記憶檢測技術來判斷鐵磁試件的力磁耦合特征，對金屬磁記憶定量檢測的進一步研究具有重要意義。

無損檢測；附加環境磁場；力磁耦合關系；磁化狀態變化量；定量檢測

0 引 言

金屬磁記憶檢測技術是利用鐵磁材料的力磁效應，對鐵磁試件上以應力集中為特征的危險區域的自發漏磁場進行分析[1-2]，進而通過對受載試件的損傷程度進行早期診斷并可靠評價，預防災難事故的發生，是一種新型且綠色環保的無損檢測技術[3-4]，具有傳統無損檢測技術無可比擬的優點。金屬磁記憶效應的實質是鐵磁性構件在弱磁場（地磁場)下的力磁耦合效應，屬于弱磁場信號[5]，容易受人為因素（在線或離線檢測、提離高度)和外界磁場環境的干擾，因此只有確定各個因素對磁記憶信號的影響，并有效排除各種因素的干擾，才能利用磁記憶信號來評價應力集中區的損傷程度，提出有效的判據和評價參數，并對鐵磁構件所處的應力狀態和變形階段進行綜合分析[6-8]，以便在構件被破壞或存在潛在性危險之前實現早期診斷。

自磁記憶檢測技術興起以來，國內外很多專家學者都對該項檢測技術做了大量的理論研究和儀器開發，并取得了卓越的貢獻[9-10]。JILES[11-12]通過對力磁效應的深入研究，定義了磁機械效應，提出了無磁滯磁化過程的接近定律，建立了著名的J-A模型；常福清等[13]從最小能量原理出發，采用拉格朗日乘法推導出了應力-磁化率關系表達式；冷建成[14-15]通過對力磁信號的研究得出磁記憶信號與工作應力之間具有相關性，但應力與磁場的關系尚不明確。北京理工大學的邱忠超[16]、張衛民等[17]通過對不同弱磁環境下的Q235平板試件進行靜拉伸試驗探討了試件在弱磁激勵下磁場梯度K與應力之間的相關性；鐘力強等[18]對磁記憶信號的存在及測量與環境磁場的關系進行了研究；任尚坤等[19]通過對鐵磁試件的力磁效應分析得出環境磁場對力磁效應的關系規律具有明確影響，并提出了應力磁化反轉模型，但并未對外界磁環境對力磁耦合信號影響進行具體分析。目前針對磁記憶檢測技術的研究，從基礎理論和應用角度上還存在著許多問題[20]：1)地磁場的存在是否是引起鐵磁性試件應力集中的必要條件[19]；2)外界磁場環境對磁記憶信號有何具體影響；3)磁記憶檢測如何對被檢測對象的損傷情況進行定量評價[4]。

本文針對問題2)，對磁場對試件力磁耦合關系等問題進行研究和討論，以普通鐵磁材料45#鋼為研究對象，并對不同附加環境磁場下的45#鋼試件進行靜載拉伸試驗，通過分析試驗結果，討論了外界附加環境磁場對鐵磁試件力磁耦合關系的影響分析，對磁記憶定量檢測的進一步研究提供參考，并為金屬磁記憶實踐與工程應用檢測提供重要依據。

1 試驗方案

1.1 試驗材料及設備

本試驗材料選用45#鋼，具有較高的強度和較好的切削加工性，屬于常用的中碳調質結構鋼。材料的化學成分如表1所示。為確保試驗結果的準確性，本次試驗共制作了13根尺寸完全一樣的45#鋼圓棒，分別編號為 1#，2#，…，13#，結構尺寸如圖 1 所示，試件的長度120 mm，直徑10 mm，對加工后的試件進行去應力退火處理，用以消除試件內的殘余應力。

表1 45#鋼化學成分（質量分數） %

圖1 45#鋼圓棒結構尺寸圖（單位：mm)

圖2 螺線管實物圖

圖3 螺線管軸線上的磁場分布

圖4 螺線管內部磁感應強度與電流的關系

以螺線管電流磁場提供外加磁場，如圖2所示，螺線管直徑13 mm，漆包線絲徑0.67 mm，在塑料管上繞漆包線3層，每層160匝，螺線管長度120mm，得到單位長度內匝數為4 000。對螺線管通直流電60 mA，圖3為螺線管軸線上的磁場分布，縱坐標B為磁感應強度，L為軸線上的位移。從圖中可以看出，在20mm≤L≤100mm范圍內，B基本不變，所以L在[20，100]范圍內時，該螺線管所產生的磁場基本為勻強磁場。圖4為螺線管中心位置的磁感應強度B與電流I的關系，可以看出B與I基本呈線性關系，可擬合為直線B=0.312 3+0.049 6I，B隨I的增大而線性增大。當I=0mA時，B=0.3123×10-4T，即是螺線管內地磁場環境下的磁感應強度。

試驗設備：WDW-100型電子拉伸試驗機，其主要參數：最大試驗力100kN，測力示值誤差±（0.5%～1%)，加載速率0.3mm/min。LakeShore421型弱磁場測量儀（美國LakeShore公司)的測量范圍為0.001Gs～300kGs（1Gs=10-4T)、測量誤差±0.2%、分辨率 4%。

1.2 試驗方法

首先將編號為13#的試件在室溫下進行靜載拉伸，測定試件的應力應變曲線，可得屈服強度為510MPa，抗拉強度為640MPa。在彈性階段采用5kN的加載梯度進行加載試驗記錄，在塑性階段采用2kN的加載梯度進行加載試驗。

對試件 1#和 2#、3#和 4#、5#和 6#、7#和 8#、9#和10#，分別套上螺線管（南北放置)，使其產生-60 A/m豎直向上的磁場，80，160，240，320 A/m 豎直向下的磁場以及不加外磁場的試件11#和12#（地磁場)，將試件豎直放置在拉伸試驗機上進行靜載拉伸試驗，所用的加載速率為0.2mm/min。試驗每加載到固定載荷時，卸載后取下工件，以東西方向放置在遠離鐵磁性物體的水平臺上，用弱磁場測量儀測量13個固定點處法向漏磁場值大小。測定后將試件重新放置在試驗機上加載更高預定載荷，重復以上操作，直至工件斷裂。

2 實驗結果與討論

2.1 環境磁場下的磁記憶信號

環境磁場包括地磁場和拉伸機夾具磁場，將環境磁場下的試件11#和12#在室溫下進行靜載拉伸試驗，實驗數據如圖5所示。在彈性階段，當拉應力σ＜510 MPa時，隨著σ的不斷增大，各點的磁記憶信號逐漸增大。在應力作用的初始階段，磁記憶信號隨應力的變化較大，且隨應力的進一步增加，磁記憶信號的變化率逐步減小，第1點和第13點的漏磁場之差達 ΔBmax=3.57×10-4T。 當 σ＞510MPa時，即在塑性階段，各點的磁記憶信號趨于穩定，ΔBmax=3.708×10-4T。在屈服點附近至抗拉強度處，第1點和第13點的漏磁場之差最小可達到ΔBmin=3.513×10-4T，在抗拉強度處，第1點和第13點的漏磁場之差為ΔB=3.051×10-4T。

圖5 環境磁場下的力磁關系曲線

2.2 附加環境磁場對磁記憶信號的影響

分別將不同附加環境磁場下的試件1#和2#、3#和 4#、5#和 6#、7#和 8#、9#和 10#，在室溫下進行靜載拉伸試驗。 根據實驗數據，試件 1#、3#、5#、7#、9#上各個點的力磁關系曲線，分別如圖 6（a)、圖 6（b)、圖 6（c)、圖 6（d)、圖 6（e)所示，分別對應 H 為-60 A/m（豎直向上)、80，160，240，320A/m（豎直向下)的附加環境磁場。從圖中可以看出，附加環境磁場并未改變試件力磁關系的曲線變化趨勢，與環境磁場下的力磁關系的曲線變化趨勢一致，但隨著附加環境磁場的不斷增大，試件各個點的整體變化趨勢增大，即隨著應力的增大，磁記憶信號逐漸增大。可見，附加環境磁場可使磁記憶信號增大。

圖6 不同附加環境磁場下的力磁關系曲線

1)如圖6（a)表示附加環境磁場為60A/m（豎直向上)的試件上各個點的力磁關系曲線，各個點的力磁關系的變化趨勢與環境磁場作用下的試件（圖5)基本保持一致。在彈性階段，當σ為446MPa時，磁記憶信號的幅值達到最大，ΔBmax=7.90×10-4T，是環境磁場作用下磁記憶信號最大幅值的2.2倍，但磁記憶信號最大值出現在屈服強度的0.87倍處，此后磁記憶信號逐漸降低。在塑性變形階段，磁記憶信號基本保持穩定，但磁記憶信號值ΔBmax=5.806×10-4T，大約為最大值的73%。在屈服點附近至抗拉強度處，第1點和第13點的漏磁場之差最小可達到ΔBmin=5.391×10-4T，在抗拉強度處，第1點和第13點的漏磁場之差為 ΔB=5.479×10-4T。

2)如圖6（b)中80 A/m（豎直向下)附加環境磁場下的各個點的力磁關系曲線所示，隨著拉應力的增大，各個點的磁記憶信號逐漸增大。在彈性階段，當σ為446 MPa時，磁記憶信號的幅值達到最大，ΔBmax=8.2×10-4T，是環境磁場作用下磁記憶信號最大幅值的2.3倍，且磁記憶信號最大值出現在屈服強度的0.87倍處，此后磁記憶信號逐漸降低。在塑性變形階段，當σ從510 MPa增加到586 MPa時，從ΔBmax=7.484×10-4T 迅速減小到 0.052×10-4T，拐點出現在屈服強度的1.15倍處，是環境磁場作用下磁記憶信號最大幅值的0.015倍，但當σ繼續增加到640MPa時，ΔBmax反向增大，此時 ΔBmax=3.286×10-4T，大約為最大值的40%；在屈服點附近至抗拉強度處，第1點和第13點的漏磁場之差最小可達到ΔBmin=0.052×10-4T，在抗拉強度處，第1點和第13點的漏磁場之差為 ΔB=3.286×10-4T。

3)如圖6（c)中160A/m（豎直向下)附加環境磁場下的各個點的力磁關系曲線所示，各個點的力磁關系的變化趨勢與圖5保持一致，在彈性階段，當σ為446 MPa時，磁記憶信號的幅值達到最大，ΔBmax=18.04×10-4T，是環境磁場作用下磁記憶信號最大幅值的5.05倍，且磁記憶信號最大值出現在屈服強度的0.87倍處，此后磁記憶信號趨于穩定。在塑性變形階段，磁記憶信號基本保持穩定，但信號值ΔBmax=12.804×10-4T，大約為最大值的71%。在屈服點附近至抗拉強度處，第1點和第13點的漏磁場之差最小可達到ΔBmin=11.778×10-4T，在抗拉強度處，第 1點和第13點的漏磁場之差為ΔB=11.347×10-4T。

4)如圖6（d)中240A/m（豎直向下)附加環境磁場下的各個點的力磁關系曲線所示，在彈性階段，當σ為382MPa時，磁記憶信號的幅值達到最大，ΔBmax=27.74×10-4T，是環境磁場作用下磁記憶信號最大幅值的7.77倍，且磁記憶信號最大值出現在屈服強度的0.75 倍處，且當 510MPa＞σ＞382MPa時，磁記憶信號在σ為446MPa時，即屈服強度的0.87倍處出現了拐點，拐點處ΔBmax=14.378×10-4T，是環境磁場作用下磁記憶信號最大幅值的4倍，此后磁記憶信號又逐漸增大。在塑性變形階段，磁記憶信號基本保持穩定，但信號值ΔBmax=25.234×10-4T，大約為最大值的91%。在屈服點附近至抗拉強度處，第1點和第13點的漏磁場之差最小可達到ΔBmin=14.378×10-4T，在抗拉強度處，第1點和第13點的漏磁場之差為ΔB=23.863×10-4T。

5)如圖6（e)中320A/m（豎直向下)附加環境磁場下的各個點的力磁關系曲線所示，在彈性階段，當σ為446MPa時，磁記憶信號的幅值達到最大，ΔBmax=26.7×10-4T，是環境磁場作用下磁記憶信號最大幅值的7.48倍，且磁記憶信號最大值出現在屈服強度的0.87倍處，此后磁記憶信號趨于穩定。在塑性變形階段，當σ從510MPa增加到561MPa時，ΔBmax迅速減小，從 27.141×10-4T 迅速減小到 8.217×10-4T，拐點出現在屈服強度的1.1倍處，是環境磁場作用下磁記憶信號最大幅值的2.3倍，但當σ繼續增大到586MPa時，ΔBmax又反向增大，此時 ΔBmax=20.132×10-4T，大約為最大值的75%。在屈服點附近至抗拉強度處，第1點和第13點的漏磁場之差最小可達到ΔBmin=8.217×10-4T，在抗拉強度處，第1點和第13點的漏磁場之差為 ΔB=17.136×10-4T。

由以上分析可知，附加環境磁場可降低材料的屈服強度，即使屈服點前移，但附加環境磁場的大小并未改變屈服強度的大小。從微觀角度看，由位錯萌生與增殖過程分析可知，是在非磁性摻雜引起的孔洞造成的釘扎作用影響下，晶體斷裂原本依附的晶格點而移動到臨近的晶格點重新連接，最終晶格整體在某一晶格面出現階梯，這種不穩定的晶格結構必然決定了整體的不穩定性[21]；從宏觀角度看，金屬鐵磁性材料內部晶格的變化作為微觀缺陷往往在載荷作用下更易出現疲勞損傷甚至斷裂的現象，即屈服強度降低。晶格的階梯變化拉長了滑移晶面上各個晶體之間的間距，因此，材料更易進入塑性變形階段，因此位錯的形成會影響鐵磁性材料的屈服強度。

現定義最大磁化狀態變化量Dmax=ΔBmax，由于試件材料的不均勻性，故取屈服點附近（446～535MPa)的最小磁化狀態變化量Dmin=ΔBmin，抗拉強度處的磁化狀態變化量為D，圖7為磁化狀態變化量D與環境磁場H的關系：

圖7 磁化狀態變化量D與環境磁場H的關系

在圖 7（a)中，當 H＜0A/m 時，Dmax反向增大，當0A/m＜H＜240A/m 時，Dmax逐漸增大，但當 H＞240A/m時，Dmax則逐漸減小。在圖7（b)中，隨著附加磁場的增大，屈服點附近Dmin變化雖極不穩定，但變化趨勢與Dmax大致相同；在圖7（c)中，抗拉強度處的磁化狀態變化量D規律與Dmax近似相同。故由此可進一步得知，磁化狀態變化量隨著附加磁場的增大而增大，當H=240A/m時，其磁化狀態變化量達到最大，隨后開始逐漸減小。

2.3 討論確定點處的力磁關系變化

為進一步分析某一確定點處的力磁耦合關系，現單獨討論試件上第11個點的不同附加環境磁場下彈性階段的力磁變化關系。為保證試驗結果的一致性，現僅討論σ＜382MPa時的力磁關系變化，如圖8所示。

圖8 第11個點不同附加環境磁場下彈性階段力磁變化關系

如圖所示，當H為-60A/m的附加環境磁場和原始環境磁場下時，隨拉應力的增大，B在負方向上不斷增大；當附加環境磁場H=80 A/m、H=160 A/m、H=240A/m和H=320 A/m時，隨拉應力σ的增大，B在正方向上不斷增大。但在相同拉應力作用下，當H＜240A/m時，隨H的增大，B不斷增大，且當H=240A/m時，B為最大值，當H＞240A/m，隨H的增大，B反而減小；故在相同附加環境磁場作用下，隨拉應力σ的增大，B值（不考慮方向)不斷增大。

圖9為圖8中第11個點彈性階段力磁耦合關系擬合直線的斜率K與環境磁場的關系，由此圖可更直觀地反映此規律，當H＜240A/m時，K隨環境磁場的變化趨勢近似為一條直線，將其擬合成一條直線，如圖10所示，擬合直線公式為K=aH+b，此等式中的a和b都是與試件的材料、所加拉應力和附加環境磁場有關的系數，a和b會隨它們改變而改變，在本次試驗中，a=9.7875×10-5，b=-0.00121。

3 結束語

1)在應力作用的初始階段，磁記憶信號隨應力的變化較大；隨應力的進一步增加，磁記憶信號的變化率逐步減小，在屈服點附近達到最大值。進入塑性階段，各點的磁記憶信號基本保持穩定。

圖9 彈性階段斜率與環境磁場的變化關系

圖10 彈性階段斜率與環境磁場的擬合直線

2)附加環境磁場不會改變力磁信號的變化規律，但可增加磁記憶信號的大小數值，且磁化狀態變化量D隨著附加環境磁場的增大而增大，當H為240A/m時，D達到最大，隨后D開始減小。故附加環境磁場不影響金屬磁記憶技術的定性評價，但影響定量評價，對金屬磁記憶檢測定量檢測的進一步研究具有重要意義。

3)彈性變形階段，在拉應力σ作用下，所有點的力磁變化趨勢整體呈“張開”的趨勢，相同附加環境磁場作用下，隨σ的增大，B值（不考慮方向)不斷增大，且基本成線性關系；但在塑性變形階段，力磁信號表現為先減小后增大的磁化反轉現象。故用金屬磁記憶檢測技術可以有效地判斷磁場對力磁效應的影響。

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Study on the influence of magnetic field on force-magnetic coupling relationship of ferromagnetic specimen

ZU Ruili， REN Shangkun， DUAN Zhenxia， ZHAO Zhenyan
（Key Laboratory of Nondestructive Testing of Ministry of Education，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China)

In order to study the effect of magnetic field on the distribution law of force-magnetic signal in ferromagnetic specimen，static tensile test is carried out on 45#steel specimens under different additional environmental conditions to examine the size of the magnetic memory signal on the surface of the test specimen and analyze and discuss the force-magnetic coupling relationship of the specimen under different additional magnetic fields.The results show that，under the action of magnetic field，the magnetic memory signal B increases with the increase of stress， it reaches the maximum value near the yield point， and then the magnetic memory signal B is basically stable.The additional environmental magnetic field does not change the variation law of the force-magnetic signal，but it can increase the magnitude of the magnetic memory signal，and the change of the magnetization state D increases with the increase of the additional environmental magnetic field.It reaches the maximum value when H is 240A/m，and then begins to decrease.In the plastic deformation stage，the force-magnetic signal shows the magnetization reversal phenomenon that it decreases first and then increases.So the additional environmental magnetic field does not affect the qualitative evaluation of metal magnetic memory technology，but affects the quantitative evaluation.Therefore，magnetic memory detection technology can be used to judge the force-magnetic coupling characteristics of ferromagnetic specimen，which is of great significance for the further study of quantitative detection of metal magnetic memory.

nondestructive testing； additional environmental magnetic field； force-magnetic coupling relationship； magnetic state change； quantitative detection

A

1674-5124（2017）10-0127-07

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.10.025

2017-03-20；

2017-04-28

國家自然科學基金（51261023)

祖瑞麗（1993-)，女，河南商丘市人，碩士研究生，專業方向為金屬磁記憶檢測。

（編輯：劉楊）