溫度對(duì)金屬磁記憶檢測(cè)的影響

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(南昌航空大學(xué) 無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南昌 330063)

目前對(duì)磁記憶檢測(cè)的影響因素的研究，主要有以下幾個(gè)方面[1-4]：通過改變拉伸速率，研究不同的拉伸速率對(duì)磁記憶檢測(cè)信號(hào)分布狀態(tài)的影響；通過改變材料的應(yīng)力狀態(tài)，研究應(yīng)力對(duì)漏磁場(chǎng)大小的影響，且通過應(yīng)力的改變，分析其對(duì)磁疇組織的影響，以此研究磁記憶效應(yīng)的變化；通過改變測(cè)量磁場(chǎng)時(shí)的提離值來研究提離值對(duì)磁記憶信號(hào)的影響,以及通過改變測(cè)量路徑研究不同測(cè)距對(duì)磁記憶信號(hào)的影響等。這些磁記憶檢測(cè)的影響因素都是在常溫下進(jìn)行研究的，溫度變化對(duì)磁記憶信號(hào)造成的影響并沒有考慮[5-8]，因此，筆者通過建立典型試樣仿真模型，施加不同的溫度進(jìn)行ANSYS有限元仿真，來研究溫度的改變對(duì)磁記憶檢測(cè)的影響。

1 試驗(yàn)方案

以鐵磁性材料20鋼、45鋼、12Cr1MoV為研究對(duì)象，基于熱力耦合效應(yīng)和力磁耦合效應(yīng)，建立三維有限元仿真模型，并對(duì)其加載求解，得到其應(yīng)力狀態(tài)分布和磁記憶檢測(cè)信號(hào)的分布結(jié)果，然后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，以此來探討改變溫度時(shí)不同材料的磁記憶檢測(cè)信號(hào)的變化規(guī)律。20鋼、45鋼、12Cr1MoV的主要成分以及不同溫度下的性能如表1～4所示。表1～3中的化學(xué)成分百分比為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

表1 20鋼的主要性能參數(shù)

表2 45鋼的主要性能參數(shù)

表3 12Cr1MoV鋼的化學(xué)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表4 12Cr1MoV在不同溫度下的力學(xué)性能

文章所仿真的試樣模型的形狀為中心含小孔的平板，其尺寸如圖1所示(圖中δ表示厚度)。

圖1 中心含圓孔的平板試樣尺寸示意

首先建立熱力耦合的試樣ANSYS有限元模型，并對(duì)其施加不同的溫度載荷，得出不同溫度下試樣的應(yīng)力分布結(jié)果；將應(yīng)力分布結(jié)果導(dǎo)入另一個(gè)力磁耦合的試樣有限元模型，再對(duì)該模型施加拉伸載荷并求解；根據(jù)求得的應(yīng)力分布結(jié)果修改材料屬性，并對(duì)其施加地磁場(chǎng)；最后再進(jìn)行求解，得出模型在圓孔附近的磁場(chǎng)分布情況。

2 試樣的有限元仿真

2.1 熱力耦合單元的有限元仿真

首先對(duì)12Cr1MoV材料進(jìn)行ANSYS有限元仿真。為了對(duì)模型施加不同的溫度，在建立試樣模型時(shí)，采用的是Solid45單元。該單元可用來構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu)，并且每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有3個(gè)沿著x，y，z方向平移的自由度。

選好結(jié)構(gòu)單元之后，定義模型的材料屬性，建模并劃分網(wǎng)格。由于模型是軸對(duì)稱模型，為了節(jié)約計(jì)算資源，提高計(jì)算效率，僅建立一半的試樣模型。建立的仿真模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 試樣模型及網(wǎng)格劃分

在劃分好網(wǎng)格之后，對(duì)模型施加不同的溫度載荷，模型最外圍設(shè)置為絕熱邊界條件，然后進(jìn)行求解計(jì)算。計(jì)算完成之后通過Element Switch命令將熱單元轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)單元，并施加大小為240 MPa的拉伸載荷。因?yàn)椴豢紤]拉伸載荷對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響，所以對(duì)模型施加一個(gè)固定不變的拉伸載荷。然后，將前面熱分析計(jì)算得到的結(jié)果施加在結(jié)構(gòu)分析單元上，再進(jìn)行熱力耦合計(jì)算，得到試樣的應(yīng)力分布結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，在只考慮熱力耦合，不考慮磁場(chǎng)及磁導(dǎo)率的情況下，當(dāng)對(duì)試樣施加的溫度逐漸升高時(shí)，試樣在圓孔附近的應(yīng)力也隨之增大，并且應(yīng)力集中程度也越來越高。

圖3 不同溫度下的試樣應(yīng)力分布結(jié)果

圖4 地磁場(chǎng)模型示意

2.2 力磁耦合單元的有限元模型建立

建立如圖4所示的地磁場(chǎng)模型，由于磁記憶檢測(cè)的環(huán)境磁場(chǎng)為地磁場(chǎng)，因此需要給模型施加一個(gè)類似于地磁場(chǎng)的環(huán)境磁場(chǎng)。模型由兩塊永磁體和一塊銜鐵組成，外圍是空氣層。模型最外圍設(shè)置為平行邊界條件。模型外圍的空氣層的相對(duì)磁導(dǎo)率為1，矯頑力為0；永磁體相對(duì)磁導(dǎo)率為1.075 9，矯頑力為56 A·m-1;銜鐵的相對(duì)磁導(dǎo)率為1 840。由于地磁場(chǎng)在一定空間范圍內(nèi)的變化幾乎可以忽略不計(jì)，因此為了使模型周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度比較平均，永磁體相對(duì)試樣的大小設(shè)置得非常大，尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)為100 mm×100 mm×10 mm，兩個(gè)永磁體的間距為100 mm。這樣地磁場(chǎng)、空氣層和試樣的三維力磁耦合模型已建立好。力磁耦合模型采用的是Solid98的三維十節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)體單元。

2.3 加載和求解

定義好材料參數(shù)后，保持試樣的網(wǎng)格劃分不變，將熱力耦合單元得到的應(yīng)力分布結(jié)果導(dǎo)入到該單元中，再對(duì)試樣模型施加地磁場(chǎng)，并對(duì)地磁場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分后進(jìn)行求解，最后得到試樣模型表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布規(guī)律。

由于所研究的是不同溫度時(shí)，在地磁場(chǎng)與載荷造成的應(yīng)力集中共同作用下試樣材料表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布規(guī)律，因此提取φ2 mm圓孔附近50 mm的范圍作為磁場(chǎng)的測(cè)量路徑，提離高度為1 mm。

為了更有效更直觀地分析仿真結(jié)果，將得到的磁記憶信號(hào)的分布情況導(dǎo)出到MATLAB軟件中進(jìn)行繪圖，其中缺陷處為測(cè)量點(diǎn)位置的20 mm處,得到的結(jié)果如圖5(a)所示。

圖5 不同溫度下三種材料試樣缺陷處的磁場(chǎng)強(qiáng)度

為了研究不同材料對(duì)磁記憶檢測(cè)的影響，將試樣的材料換成20鋼和45鋼，重復(fù)以上的仿真步驟，分別得到20鋼和45鋼在不同溫度下的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布規(guī)律曲線，如圖5(b)，(c)所示。

2.4 結(jié)果分析

(1) 在不考慮其他條件，改變加載的溫度時(shí)，鐵磁材料試樣的應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力值發(fā)生相應(yīng)的改變，其趨勢(shì)是隨著溫度的升高，試樣內(nèi)部的應(yīng)力也隨之增大，并且在缺陷處的應(yīng)力集中程度也隨之升高。

(2) 當(dāng)溫度升高時(shí)，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使得鐵磁性材料的屈服強(qiáng)度下降，導(dǎo)致試樣應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力集中程度增加。因此應(yīng)力集中區(qū)域表面磁記憶信號(hào)的峰峰值增大。但是，在一定溫度范圍內(nèi)時(shí)，磁記憶信號(hào)的峰峰值大小很接近。

(3) 當(dāng)溫度升高到材料的居里點(diǎn)附近時(shí)，材料的磁導(dǎo)率急劇下降，導(dǎo)致材料的磁阻急劇變大，因此應(yīng)力集中區(qū)域的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)急劇增大。此時(shí)，在應(yīng)力集中區(qū)域的漏磁場(chǎng)峰峰值也會(huì)急劇增大。

(4) 不同的鐵磁性材料試樣在應(yīng)力集中區(qū)域表面的漏磁場(chǎng)變化規(guī)律基本沒有發(fā)生變化，磁記憶信號(hào)都是在該部位出現(xiàn)極值，材料種類的不同對(duì)磁記憶信號(hào)的影響僅僅體現(xiàn)在磁記憶信號(hào)大小的不同上，同時(shí)，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，由于不同材料的磁導(dǎo)率不同，居里溫度也不同，因此發(fā)生漏磁場(chǎng)的突變點(diǎn)以及磁場(chǎng)強(qiáng)度峰峰值的突變點(diǎn)都是處于居里點(diǎn)附近。

3 結(jié)論

為了研究不同溫度對(duì)磁記憶檢測(cè)信號(hào)的影響，對(duì)帶有典型缺陷(中心含小孔)的3種不同材料的試樣進(jìn)行了仿真研究。結(jié)果表明：當(dāng)其他條件一定，只改變加載的溫度時(shí)，隨著溫度升高，試樣的應(yīng)力集中程度也隨之增高；施加磁場(chǎng)后，當(dāng)溫度在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，磁記憶信號(hào)并沒有發(fā)生很明顯的變化，但是，當(dāng)溫度接近試樣材料的居里溫度時(shí)，由于材料的磁導(dǎo)率急劇下降，磁阻急劇上升，應(yīng)力集中區(qū)域的漏磁場(chǎng)峰峰值會(huì)急劇增大；此外，當(dāng)試樣材料不同時(shí)，不同材料在溫度發(fā)生變化時(shí)對(duì)磁記憶信號(hào)影響的規(guī)律是基本相同的，不同的只是磁記憶信號(hào)峰峰值的大小和居里溫度的不同而導(dǎo)致應(yīng)力集中區(qū)域的漏磁場(chǎng)峰峰值發(fā)生突變的點(diǎn)不同。后續(xù)將通過試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果的正確性進(jìn)行驗(yàn)證和分析。