外加磁場對Q235鋼力磁效應(yīng)影響試驗(yàn)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(yīng)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(jìn)行干擾的靜載拉伸試驗(yàn)。結(jié)果表明：在地磁場環(huán)境中，經(jīng)去應(yīng)力退火的試件在沒有施加載荷時(shí)，初始磁感應(yīng)強(qiáng)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(shí)，法向磁信號和切向磁信號曲線均發(fā)生波動，產(chǎn)生非線性變化;在一定外加磁場范圍內(nèi)，在外加磁場方向和地磁場方向存在差異時(shí)，外加磁場與磁記憶信號具有不同的相關(guān)性，同向外加磁場越大時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)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(guī)律，但影響其磁感應(yīng)強(qiáng)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(guān)鍵詞：金屬磁記憶;外加磁場;靜載拉伸;力磁效應(yīng)

中圖分類號：TG115.28 文獻(xiàn)標(biāo)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(xiàng)目：國家自然科學(xué)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(yè)方向?yàn)榻饘俅庞洃浀难芯俊?/p>

0 引言

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

為充分了解外加磁場對鐵磁材料力磁效應(yīng)變化規(guī)律的影響，本文將采用靜載拉伸試驗(yàn)，結(jié)合理論知識，對法向和切向磁場信號曲線變化規(guī)律及力磁效應(yīng)的微觀機(jī)制進(jìn)行分析，并且結(jié)合數(shù)學(xué)理論分析，充分驗(yàn)證應(yīng)力與磁記憶信號之間的相關(guān)性，分析對比彈性階段和塑性階段外加磁場對力磁效應(yīng)的影響，為通過運(yùn)用磁記憶檢測技術(shù)更好地進(jìn)行早期診斷提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本文采用直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行單路輸出，外加磁場設(shè)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(shù)400匝，共兩層。磁記憶信號采集將采用由美國Lake Shore公司設(shè)討生產(chǎn)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(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)材料選用Q235碳素鋼，為確保試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，對每種試塊均預(yù)備加工試塊2塊進(jìn)行試驗(yàn)，總計(jì)預(yù)備12塊圓孔缺陷試件，編號1～12。實(shí)驗(yàn)前，對試件進(jìn)行去應(yīng)力退火試驗(yàn)，消除試件的內(nèi)應(yīng)力，然后用砂紙對試件表面進(jìn)行打磨處理。試件尺寸如圖1所示，試件厚度為3mm。

實(shí)驗(yàn)前對編號為12的試件利用INSTRON（8801）電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行靜載拉伸試驗(yàn)，測量其屈服強(qiáng)度287MPa。數(shù)據(jù)采集時(shí)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(shè)立路徑1和路徑2，路徑采集個(gè)數(shù)均為15個(gè)點(diǎn)，從左到右依次記為采樣點(diǎn)1，2，3，…，14，15，每兩個(gè)點(diǎn)間隔8mm，其中第8個(gè)點(diǎn)位于路徑中心處。將試件放在拉伸機(jī)上的螺線管內(nèi)，并依次通上-30mA、0mA（地磁場環(huán)境）、60mA、150mA和300mA直流電產(chǎn)生外加磁場一80A/m，地磁場、160A/m、400A/m和800A/m，正、負(fù)分別表示磁場方向向下和向上。試驗(yàn)時(shí)將試件施加到固定載荷取下，進(jìn)行離線測量，拉伸速率為1mm/min，重復(fù)操作，直到試件斷裂，并對斷裂后試件進(jìn)行再次測量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 地磁場環(huán)境下的力磁效應(yīng)分析

對試件1在地磁場下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測量采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)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(qiáng)度曲線。

如圖2（a）所示，當(dāng)拉應(yīng)力o-為0時(shí)，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(yīng)力o-的增加，法向磁記憶信號曲線在采樣點(diǎn)1～5和11～15區(qū)域呈斜直線，采樣點(diǎn)6～10區(qū)域呈S形，呈逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動，且△B=B₈-B₇總體呈現(xiàn)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(yīng)力時(shí)，切向磁記憶信號趨向于一條直線，維持在B=OT附近。當(dāng)應(yīng)力σ逐漸增加時(shí)，切向磁記憶信號曲線在采樣點(diǎn)1～5和11～15區(qū)域呈水平直線，采樣點(diǎn)6～10區(qū)域切向磁記憶信號曲線出現(xiàn)峰值，呈三角形，隨著應(yīng)力的增加，以采樣點(diǎn)6～10的采集數(shù)值構(gòu)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(yīng)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(xiàn)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(yīng)力磁化有關(guān)。鐵磁材料經(jīng)熱處理可基本消除材料殘余應(yīng)力，此時(shí)材料內(nèi)的磁籌組織大體呈現(xiàn)出無序排布的狀態(tài)，各磁疇的磁矩相互抵消，整個(gè)物體總磁矩為零即基本不呈現(xiàn)磁性，表現(xiàn)為無應(yīng)力時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度B≈OT。彈性變形階段，在施加拉應(yīng)力后，材料內(nèi)的磁籌組織由無序排布的狀態(tài)向有序狀態(tài)分布，磁疇組織的轉(zhuǎn)動使內(nèi)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(yīng)力恢復(fù)，但是磁疇組織的轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的磁性還是被部分保留下來，表現(xiàn)為使其材料表面的磁場發(fā)生了改變[20]，測得的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)值曲線上移，數(shù)值變大，沿檢測方向呈現(xiàn)為非線性變化;在塑性變形階段，材料進(jìn)行加載并卸載，加載時(shí)的應(yīng)力或者卸載后的殘余應(yīng)力導(dǎo)致材料發(fā)生應(yīng)力磁化。根據(jù)Ludwik定理[21]的定義，在塑性階段施加拉應(yīng)力后：

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

ε_p——塑性形變量，%，

σ_f——加載應(yīng)力，MPa;

σ_y——材料屈服應(yīng)力，MPa;

σ_F——應(yīng)變硬化應(yīng)力，MPa。

塑性變形使材料內(nèi)位錯(cuò)密度增大，導(dǎo)致材料釘扎點(diǎn)增多。晶格滑移形變，進(jìn)一步影響和改變了材料內(nèi)磁疇的形狀和尺寸大小，導(dǎo)致其微觀磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生可逆和不可逆運(yùn)動，從而影響磁記憶信號。

2.2 外加磁場環(huán)境下的力磁效應(yīng)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(nèi)，進(jìn)行靜載拉伸，測得磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)力前，法向磁記憶信號分布曲線均呈現(xiàn)一條水平直線，無明顯非線性變化。隨著應(yīng)力載荷的增加，法向磁記憶信號逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)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(xiàn)跳躍式變化;在采樣點(diǎn)7和8之間的位置，均出現(xiàn)B=0T即過零點(diǎn)現(xiàn)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(yīng)力前，切向磁記憶信號分布曲線呈現(xiàn)一條水平直線，彈性階段隨著應(yīng)力的增加，測得磁感應(yīng)強(qiáng)度B相較無應(yīng)力時(shí)均增加，在中間應(yīng)力集中部分出現(xiàn)較小的非線性變化，即出現(xiàn)方向朝上的峰值，且峰值大小隨應(yīng)力增加而逐漸增大。塑性階段，隨著應(yīng)力增大，峰值區(qū)域的三角形面積變大。

2.3 斷裂時(shí)磁場強(qiáng)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(fā)生偏轉(zhuǎn)，呈現(xiàn)倒S形。在外加磁場不斷增大的前提下，磁感應(yīng)強(qiáng)度值最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的|B|增大。圖7（b）顯示試件斷裂后，切向磁感應(yīng)強(qiáng)度出現(xiàn)的三角形方向發(fā)生轉(zhuǎn)變，且隨著外加磁場強(qiáng)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(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線幾乎呈現(xiàn)水平狀態(tài)，相比于其他外加磁場強(qiáng)度B≥0A/m的變化幅度，|B|反而變化很小，本應(yīng)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(yīng)力集中區(qū)也沒有出現(xiàn)很大的非線性變化。因此在外加磁場強(qiáng)度不斷增大的情況下，方向和地磁場同向時(shí)，施加磁場與地磁場進(jìn)行疊加，讓非線性更加明顯，磁信號更強(qiáng)，便于識別應(yīng)力集中;相反的，方向不一致時(shí)，施加磁場與地磁場進(jìn)行相互抵消一部分，磁信號稍弱。這對于不需要外加激勵(lì)磁場，單單依靠地磁場進(jìn)行檢測的金屬磁記憶具有重要的指導(dǎo)意義。

2.4 數(shù)據(jù)分析

由于各磁場環(huán)境下，一定拉伸應(yīng)力階段下的的法向和切向磁記憶信號變化規(guī)律趨向一致，因此以下試驗(yàn)將以彈性階段拉應(yīng)力σ為83MPa和塑性階段拉應(yīng)力σ為333MPa統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)為例，并且采用均值和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。

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

設(shè)定n為高斯計(jì)對σ下采集的數(shù)據(jù)樣本數(shù)，這里取n=15，計(jì)為σ誤差均值，△B（σ，k）為σ下第k個(gè)采樣點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)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(shè)B_j（σ，0）為地磁場下在σ時(shí)采樣點(diǎn)j的磁感應(yīng)強(qiáng)度，B_j（σ，k）為不同外加磁場下在σ時(shí)采樣點(diǎn)J的磁感應(yīng)強(qiáng)度測量值，△B_j（σ，k）=B_j（σ，k）-B_j（σ，0）則表示在外磁場環(huán)境為k時(shí)，高斯計(jì)所測得的磁感應(yīng)強(qiáng)度與地磁場下所測得的磁感應(yīng)強(qiáng)度的誤差值。

基于以上定義，對σ下的誤差均值和誤差標(biāo)準(zhǔn)差有以下統(tǒng)計(jì)量：

式（2）表示σ誤差均值;式（3）表示σ誤差標(biāo)準(zhǔn)差。

由表1數(shù)據(jù)可以看出，在σ= 83MPa和σ二333MPa時(shí)，外加磁場對其法向磁感應(yīng)強(qiáng)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(shí)，σ= 83MPa時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)差均大于σ=333MPa的標(biāo)準(zhǔn)差，說明彈性階段外加磁場對法向磁感應(yīng)強(qiáng)度值的影響要大一些;反向時(shí)，則相反。

由表3數(shù)據(jù)可以看出，在σ= 83MPa和σ=333MPa時(shí)，外加磁場對其切向磁感應(yīng)強(qiáng)度平均值均產(chǎn)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(shí)的標(biāo)準(zhǔn)差均小于σ= 333MPa的標(biāo)準(zhǔn)差，說明相同外加磁場環(huán)境下，塑性階段較彈性階段影響較大。且在一定應(yīng)力不同外加磁場條件下，外加磁場對切向磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響隨自身強(qiáng)度的增加影響越大。

3 結(jié)束語

以各個(gè)固定磁場環(huán)境下的法向和切向磁記憶信號變化特征為切人點(diǎn)，研究在不同磁場環(huán)境中的力磁耦合關(guān)系，并對試件在不同磁場環(huán)境中斷裂時(shí)的磁記憶信號進(jìn)行了分析，結(jié)合數(shù)學(xué)理論研究可得如下結(jié)論：