外加磁場對Q235鋼力磁效應影響試驗研究

樊清泉 任尚坤 任仙芝 許洋 段振霞

摘要：為研究外加磁場對鐵磁材料力磁效應的影響，制作通不同大小直流電的螺旋管作為外加磁場，對帶有圓孔缺陷的Q235鋼試件進行干擾的靜載拉伸試驗。結果表明：在地磁場環境中，經去應力退火的試件在沒有施加載荷時，初始磁感應強度值趨近于0，磁記憶信號曲線近似水平直線;在施加載荷時，法向磁信號和切向磁信號曲線均發生波動，產生非線性變化;在一定外加磁場范圍內，在外加磁場方向和地磁場方向存在差異時，外加磁場與磁記憶信號具有不同的相關性，同向外加磁場越大時，應力集中區磁記憶信號愈加明顯;外加磁場的大小不改變其法向和切向磁記憶信號曲線變化規律，但影響其磁感應強度B值和斜率K值的大小，并且對在彈性階段和塑性階段法向和切向磁記憶信號的影響也存在差異性。

關鍵詞：金屬磁記憶;外加磁場;靜載拉伸;力磁效應

中圖分類號：TG115.28 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）06-0046-08

收稿日期：2018-07-20;收到修改稿日期：2018-08-25

基金項目：國家自然科學基金（51261023）

作者簡介：樊清泉（1991-），男，河南平頂山市人，碩士研究生，專業方向為金屬磁記憶的研究。

0 引言

金屬磁記憶檢測技術作為無損檢測方面的新型檢測技術[1]，相比于傳統漏磁檢測主要運用在壓力容器、鐵路軌道、飛機起落架等化工和交通方面[z-;金屬磁記憶檢測技術目前能廣泛應用于對鐵磁性材料進行快速、早期的檢測，具有其他檢測所不具有的優勢[8-10]。該項技術由俄羅斯科學家DUBOV教授[11]于1994年首次提出這個概念，其原理實質上是磁彈性和磁機械效應共同作用的結果[12]，磁記憶檢測技術就是利用了鐵磁構件在地磁場環境中，受到工作載荷的作用，殘余磁性發生改變和重新分布，并在應力消失后得到了保留，從而能成為鐵磁構件無損評價的早期診斷方法。目前多以研究應力和磁信號之間的對應關系[13-15]，通過磁信號的變化來對試件早期損傷進行預判，但是相比其他傳統無損檢測技術需要外加激勵磁場[16]，金屬磁記憶是不需要外加激勵磁場的，因此外磁場強度對磁記憶信號的影響至關重要[17]，在不同的環境磁場中測得的磁信號具有顯著差異[18-19]。以上多數只是單一的改變外部磁場環境，對其法向磁記憶信號變化規律進行分析，對其微觀作用機制，以及切向磁記憶信號變化規律卻很少提及。

為充分了解外加磁場對鐵磁材料力磁效應變化規律的影響，本文將采用靜載拉伸試驗，結合理論知識，對法向和切向磁場信號曲線變化規律及力磁效應的微觀機制進行分析，并且結合數學理論分析，充分驗證應力與磁記憶信號之間的相關性，分析對比彈性階段和塑性階段外加磁場對力磁效應的影響，為通過運用磁記憶檢測技術更好地進行早期診斷提供依據。

1 試驗方案

1.1 實驗設備

本文采用直流穩壓電源進行單路輸出，外加磁場設備采用自制螺線管，直徑50mm，漆包線直徑0_67mm，蛤靛戈管長180mm，有效長度范圍40160mm，漆包線匝數400匝，共兩層。磁記憶信號采集將采用由美國Lake Shore公司設討生產的421 Gaussmeter弱磁場測量儀，測量范圍為10～30T;測量誤差為±02%。

1.2 試驗方法

本實驗材料選用Q235碳素鋼，為確保試驗結果的可靠性，對每種試塊均預備加工試塊2塊進行試驗，總計預備12塊圓孔缺陷試件，編號1～12。實驗前，對試件進行去應力退火試驗，消除試件的內應力，然后用砂紙對試件表面進行打磨處理。試件尺寸如圖1所示，試件厚度為3mm。

實驗前對編號為12的試件利用INSTRON（8801）電液伺服疲勞試驗機進行靜載拉伸試驗，測量其屈服強度287MPa。數據采集時為減小地磁場的影響，試件東西方向放置，分別在距離圓孔中心2mm和6mm處設立路徑1和路徑2，路徑采集個數均為15個點，從左到右依次記為采樣點1，2，3，…，14，15，每兩個點間隔8mm，其中第8個點位于路徑中心處。將試件放在拉伸機上的螺線管內，并依次通上-30mA、0mA（地磁場環境）、60mA、150mA和300mA直流電產生外加磁場一80A/m，地磁場、160A/m、400A/m和800A/m，正、負分別表示磁場方向向下和向上。試驗時將試件施加到固定載荷取下，進行離線測量，拉伸速率為1mm/min，重復操作，直到試件斷裂，并對斷裂后試件進行再次測量。

2 實驗結果及分析

2.1 地磁場環境下的力磁效應分析

對試件1在地磁場下進行拉伸試驗，測量采樣點的數據進行繪圖分析，圖2（a）、圖2（b）分別為地磁場下測得的法向磁記憶信號和切向磁記憶信號強度曲線。

如圖2（a）所示，當拉應力o-為0時，法向磁記憶信號基本保持在水平線上，維持在B=OT附近。隨著拉應力o-的增加，法向磁記憶信號曲線在采樣點1～5和11～15區域呈斜直線，采樣點6～10區域呈S形，呈逆時針方向轉動，且△B=B₈-B₇總體呈現增加趨勢，圓孔附近斜率K=△B隨之不斷增加。如圖2（b）所示，在無應力時，切向磁記憶信號趨向于一條直線，維持在B=OT附近。當應力σ逐漸增加時，切向磁記憶信號曲線在采樣點1～5和11～15區域呈水平直線，采樣點6～10區域切向磁記憶信號曲線出現峰值，呈三角形，隨著應力的增加，以采樣點6～10的采集數值構成的三角形面積隨之增大。

彈性階段，法向和切向磁記憶信號變化曲線非線性都不是很明顯，S形和三角形變化不大;塑性階段，在應力的作用下影響較大，非線性較為明顯，S形和三角形變化較大。

分析其出現彈性和塑性階段曲線分布差異的原因，可能與材料初期的退火處理及后期應力磁化有關。鐵磁材料經熱處理可基本消除材料殘余應力，此時材料內的磁籌組織大體呈現出無序排布的狀態，各磁疇的磁矩相互抵消，整個物體總磁矩為零即基本不呈現磁性，表現為無應力時磁感應強度B≈OT。彈性變形階段，在施加拉應力后，材料內的磁籌組織由無序排布的狀態向有序狀態分布，磁疇組織的轉動使內部磁疇取向趨向一致，顯示一定的磁性，雖然將試件卸載后，應力恢復，但是磁疇組織的轉動所產生的磁性還是被部分保留下來，表現為使其材料表面的磁場發生了改變[20]，測得的磁感應強度數值曲線上移，數值變大，沿檢測方向呈現為非線性變化;在塑性變形階段，材料進行加載并卸載，加載時的應力或者卸載后的殘余應力導致材料發生應力磁化。根據Ludwik定理[21]的定義，在塑性階段施加拉應力后：

σ_F=σ_f-σ_y=Gε_pⁿ（1）式中：G、n——常數，與材料性質和形狀有關;

ε_p——塑性形變量，%，

σ_f——加載應力，MPa;

σ_y——材料屈服應力，MPa;

σ_F——應變硬化應力，MPa。

塑性變形使材料內位錯密度增大，導致材料釘扎點增多。晶格滑移形變，進一步影響和改變了材料內磁疇的形狀和尺寸大小，導致其微觀磁疇結構發生可逆和不可逆運動，從而影響磁記憶信號。

2.2 外加磁場環境下的力磁效應分析

取其余試件編號為3、5、7、9依次置于通有直流電的螺線管內，進行靜載拉伸，測得磁感應強度曲線分布如圖3～圖6所示。

如圖3（a）、圖4（a）、圖5（a）、圖6（a）所示，從-80A/m到800A/m在施加應力前，法向磁記憶信號分布曲線均呈現一條水平直線，無明顯非線性變化。隨著應力載荷的增加，法向磁記憶信號逆時針方向轉動。彈性階段，AB變化幅度較小，即法向磁記憶曲線的非線性特征變化不大;在塑性階段，AB變化幅度較大，即磁記憶曲線的非線性特征變化明顯，呈現跳躍式變化;在采樣點7和8之間的位置，均出現B=0T即過零點現象。由圖3（b）、圖4（b）、圖5（b）、圖6（b）所示，在-80A/m到800A/m在施加應力前，切向磁記憶信號分布曲線呈現一條水平直線，彈性階段隨著應力的增加，測得磁感應強度B相較無應力時均增加，在中間應力集中部分出現較小的非線性變化，即出現方向朝上的峰值，且峰值大小隨應力增加而逐漸增大。塑性階段，隨著應力增大，峰值區域的三角形面積變大。

2.3 斷裂時磁場強度變化分析

從圖7（a）可以看出，在試件斷裂后，法向磁記憶信號均發生偏轉，呈現倒S形。在外加磁場不斷增大的前提下，磁感應強度值最高點和最低點的|B|增大。圖7（b）顯示試件斷裂后，切向磁感應強度出現的三角形方向發生轉變，且隨著外加磁場強度的增加，倒三角形面積越大。將在同向和反向磁場測的法向和切向磁記憶信號分析可知，在外加磁場為-80A/m時，磁感應強度曲線幾乎呈現水平狀態，相比于其他外加磁場強度B≥0A/m的變化幅度，|B|反而變化很小，本應該在此增大的|B|，反而比地磁場下的變化更小，線性較平緩，應力集中區也沒有出現很大的非線性變化。因此在外加磁場強度不斷增大的情況下，方向和地磁場同向時，施加磁場與地磁場進行疊加，讓非線性更加明顯，磁信號更強，便于識別應力集中;相反的，方向不一致時，施加磁場與地磁場進行相互抵消一部分，磁信號稍弱。這對于不需要外加激勵磁場，單單依靠地磁場進行檢測的金屬磁記憶具有重要的指導意義。

2.4 數據分析

由于各磁場環境下，一定拉伸應力階段下的的法向和切向磁記憶信號變化規律趨向一致，因此以下試驗將以彈性階段拉應力σ為83MPa和塑性階段拉應力σ為333MPa統計的數據為例，并且采用均值和標準差進行數值計算分析。

通過圖8（a）和圖9（a），圖8（b）和圖9（b）對比發現，在拉應力σ為333MPa的作用下的磁信號，均呈現和σ為83MPa一樣的變化規律，但是數值變化幅度較大。以圖9為例，在圖9（a）中，進入塑性階段，在外磁場強度增加的情況下，法向磁記憶信號且呈逆時針方向旋轉。圖9（b）中切向磁記憶信號數值隨應力增加，且圓孔附近采樣點6、7、8、9測得磁感應強度構成的三角形面積增加較大，但是峰值出現的位置幾乎不發生改變。始終顯示出和圖8一樣的規律，說明外加磁場在塑性階段只對其磁記憶信號大小產生影響，特別是在外加磁場增加到400A/m、800A/m時，變化比較明顯。

設定n為高斯計對σ下采集的數據樣本數，這里取n=15，計為σ誤差均值，△B（σ，k）為σ下第k個采樣點的磁感應強度，σ取值83MPa、333MPa以及k取磁場分別為-80A/m、地磁場、160A/m、400A/m和800A/m，j=1，2，3，…，14，15。

設B_j（σ，0）為地磁場下在σ時采樣點j的磁感應強度，B_j（σ，k）為不同外加磁場下在σ時采樣點J的磁感應強度測量值，△B_j（σ，k）=B_j（σ，k）-B_j（σ，0）則表示在外磁場環境為k時，高斯計所測得的磁感應強度與地磁場下所測得的磁感應強度的誤差值。

基于以上定義，對σ下的誤差均值和誤差標準差有以下統計量：

式（2）表示σ誤差均值;式（3）表示σ誤差標準差。

由表1數據可以看出，在σ= 83MPa和σ二333MPa時，外加磁場對其法向磁感應強度均值影響不大，基本上在。附近震蕩;表2可以得出外加磁場方向和地磁場方向同向時，σ= 83MPa時的標準差均大于σ=333MPa的標準差，說明彈性階段外加磁場對法向磁感應強度值的影響要大一些;反向時，則相反。

由表3數據可以看出，在σ= 83MPa和σ=333MPa時，外加磁場對其切向磁感應強度平均值均產生影響，同向磁場下，隨外磁場增大而影響越大;表4可以得出，σ=83MPa時的標準差均小于σ= 333MPa的標準差，說明相同外加磁場環境下，塑性階段較彈性階段影響較大。且在一定應力不同外加磁場條件下，外加磁場對切向磁感應強度的影響隨自身強度的增加影響越大。

3 結束語

以各個固定磁場環境下的法向和切向磁記憶信號變化特征為切人點，研究在不同磁場環境中的力磁耦合關系，并對試件在不同磁場環境中斷裂時的磁記憶信號進行了分析，結合數學理論研究可得如下結論：