激光熔覆試件疲勞過程磁記憶檢測(cè)試驗(yàn)研究

曾壽金,周金良,吳啟銳,葉建華

(福建工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院,福建 福州 350118)

1 引 言

激光熔覆技術(shù)通過高能激光束加熱熔覆材料和基體表面,使兩者之間形成良好的冶金結(jié)合,從而達(dá)到修復(fù)金屬表面并顯著改善基體表面耐磨、耐蝕性能的目的,被廣泛應(yīng)用在機(jī)械、汽車、航空等不同領(lǐng)域的零部件再制造工藝中[1-4]。但目前激光熔覆技術(shù)的研究主要集中在有關(guān)激光熔覆工藝參數(shù)影響[5-7]、熔覆層幾何形貌與性能控制[8-10]、缺陷表征與數(shù)值模擬[11-12]等方面,對(duì)于激光熔覆成型過程因快速熔化、快速冷卻而導(dǎo)致的殘余應(yīng)力關(guān)注較少,更少研究熔覆后復(fù)合材料零件在后續(xù)疲勞服役過程因應(yīng)力存在導(dǎo)致的安全服役問題。為確保激光熔覆再制造件的質(zhì)量和性能滿足服役要求,需要對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)與質(zhì)量評(píng)定以獲取足夠的預(yù)警信息,使危險(xiǎn)構(gòu)件在疲勞壽命前期即被修復(fù)或替換,既能確保構(gòu)件的安全服役,同時(shí)避免資源的大量浪費(fèi)。

金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)是一種新興的鐵磁性構(gòu)件應(yīng)力集中區(qū)快速無損檢測(cè)方法[13],能夠利用微觀缺陷或早期損傷位置呈現(xiàn)漏磁場(chǎng)法向分量Hp(y)過零、切向分量Hp(x)出現(xiàn)極值的信號(hào)特征[14],對(duì)金屬早期隱性損傷做出診斷與評(píng)價(jià),因而受到工程界和學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注[15-16]。在再制造實(shí)踐中,疲勞斷裂是承載構(gòu)件最重要的失效形式之一,圍繞疲勞失效過程的構(gòu)件磁記憶信號(hào)規(guī)律已經(jīng)成為磁記憶檢測(cè)的研究熱點(diǎn)之一[17-18]。盡管金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)在疲勞工況下的工程運(yùn)用取得了顯著成果,但目前所做的研究主要面向單一材質(zhì)的構(gòu)件磁記憶信號(hào)規(guī)律與定量表征方法,對(duì)于激光熔覆后基體加熔覆層復(fù)合材料疲勞過程的磁記憶信號(hào)規(guī)律研究較少。由于熔覆工藝過程激光引起的不均勻溫度分布會(huì)引起不均勻相變,造成材料產(chǎn)生殘余應(yīng)力,繼而影響熔覆構(gòu)件的服役安全,因此可以嘗試?yán)媒饘俅庞洃洐z測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)熔覆構(gòu)件疲勞過程的應(yīng)力變化,從而建立磁記憶信號(hào)與疲勞損傷位置、疲勞周次之間的關(guān)系模型,實(shí)現(xiàn)用磁記憶信號(hào)定量表征激光熔覆構(gòu)件的疲勞損傷程度。

本文檢測(cè)了40 Cr基體材料熔覆Ni基合金粉末的試件疲勞過程磁記憶信號(hào),采用漏磁場(chǎng)法向分量Hp(y)、切向分量Hp(x)、法向分量梯度偏離程度R等參數(shù)作為磁記憶檢測(cè)的特征參量,研究熔覆試件不同疲勞階段磁記憶信號(hào)隨著疲勞周次N的變化規(guī)律,找出利用磁記憶信號(hào)特征參量表征疲勞損傷程度的評(píng)價(jià)判據(jù),確定試件臨界斷裂的安全閾值,并基于磁彈性效應(yīng)分析了熔覆試件疲勞過程應(yīng)力評(píng)價(jià)的磁記憶檢測(cè)機(jī)理。

2 試驗(yàn)試件及方法

2.1 試驗(yàn)試件

激光熔覆試件選用的基體材料為40 Cr,熔覆層材料為Ni基合金粉末。在熔覆之前,先在40 Cr板材中心加工一道寬2 mm、深1 mm 的V型槽,然后采用同軸送粉的方式在V型槽位置進(jìn)行激光熔覆。40 Cr具有良好的綜合力學(xué)性能,良好的低溫沖擊韌性和較低的缺口敏感性,Ni 60具有良好的韌性、耐熱性、抗氧化性,可以提高熔覆層的抗裂性能。根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果,本次熔覆試驗(yàn)選用的最佳工藝參數(shù)為:激光功率1 kW、掃描速度8 mm/s、保護(hù)氣流量900 L/h,選用氬氣作為保護(hù)氣體和送粉氣體。試件熔覆后在空氣中冷卻,將凸起的熔覆層磨削至標(biāo)準(zhǔn)尺寸和精度,再將板材線切割成試驗(yàn)所需的標(biāo)準(zhǔn)樣件。試件尺寸及形狀如圖1所示,試件厚度4 mm,在試件中間區(qū)域沿試件長(zhǎng)度方向標(biāo)記1～5條長(zhǎng)為44 mm的平行檢測(cè)線,檢測(cè)線間距為5 mm。拉伸試驗(yàn)測(cè)得的熔覆前后試驗(yàn)材料力學(xué)性能如表1所示。

圖1 試件形狀及尺寸

表1 試驗(yàn)材料力學(xué)性能

2.2 試驗(yàn)方法

在SDS100型電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上對(duì)熔覆試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn),采用正弦波負(fù)荷控制方式循環(huán)加載,最大應(yīng)力設(shè)置為35.7 kN(約為0.75個(gè)應(yīng)力水平)、應(yīng)力比R=0.1、加載頻率f=10 Hz。加載至指定的循環(huán)周次后停止實(shí)驗(yàn)取下試件,依照相同的檢測(cè)方向與位置放置試件,使用俄羅斯動(dòng)力診斷公司開發(fā)的TSC-2M-8應(yīng)力集中磁檢測(cè)儀離線采集5條檢測(cè)線上的表面磁記憶信號(hào),檢測(cè)步距2 mm,提離高2 mm。為減少其他不確定因素對(duì)磁記憶信號(hào)的干擾,在磁記憶檢測(cè)前采用PTC4540退磁機(jī)對(duì)試件進(jìn)行交流感應(yīng)消磁處理,以凈化初始磁記憶信號(hào)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 不同疲勞周次磁記憶信號(hào)特征

通過試驗(yàn),可以觀察到試件外觀發(fā)生的變化。試驗(yàn)結(jié)果顯示,試件在拉-拉疲勞過程中,由于熔覆基體材料40Cr為脆性材料,延展性差,隨著疲勞周次的增加,平板試件宏觀上不發(fā)生明顯的塑形變形,直至接近斷裂時(shí)出現(xiàn)裂紋和縮頸現(xiàn)象。隨著疲勞周次的增加,熔覆試件在循環(huán)到2.45萬周次時(shí)熔覆層處出現(xiàn)肉眼可見裂紋,試件背面出現(xiàn)縮頸紋,當(dāng)循環(huán)到25822周次時(shí),熔覆試件斷裂。疲勞試驗(yàn)過程試件出現(xiàn)可見裂紋和斷裂兩個(gè)典型階段的尺寸變化數(shù)據(jù)記錄如表2所示。

表2 熔覆試件疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

利用應(yīng)力集中磁檢測(cè)儀監(jiān)測(cè)疲勞過程信號(hào)的變化,疲勞加載前試件5條檢測(cè)線漏磁信號(hào)曲線如圖2所示。在試件中間熔覆位置附近漏磁信號(hào)出現(xiàn)波動(dòng),其水平分量Hp(x)出現(xiàn)極值,法向分量Hp(y)出現(xiàn)唯一過零點(diǎn)且具有較大的梯度值。依據(jù)磁記憶檢測(cè)原理可知,該區(qū)域?qū)?yīng)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖2 熔覆試件疲勞加載前磁記憶信號(hào)分布

疲勞過程中,由于5條檢測(cè)線的磁記憶信號(hào)大小及變化規(guī)律基本保持一致,現(xiàn)取中間位置3#檢測(cè)線不同階段的磁記憶信號(hào)進(jìn)行分析。疲勞循環(huán)過程中3#檢測(cè)線的磁記憶信號(hào)變化曲線如圖3所示,隨著循環(huán)周次的增加磁記憶信號(hào)變化呈現(xiàn)不同的規(guī)律,依據(jù)不同規(guī)律特征將疲勞過程分為初期發(fā)展、中期平穩(wěn)、后期突變、瞬斷劇變等四個(gè)階段。

初期發(fā)展階段(1～6.5 k周次):磁漏信號(hào)切向分量Hp(x)具有極值,信號(hào)曲線呈現(xiàn)淺“V”分布,幅值較小；隨著疲勞周次的增加,切向磁漏信號(hào)Hp(x)數(shù)值變化較大且呈現(xiàn)顯著的整體下降趨勢(shì),下降速度較快；磁漏信號(hào)法向分量Hp(y)在試件中間應(yīng)力集中部位存在過零點(diǎn),且隨著疲勞周次增加,Hp(y)曲線圍繞中心部位發(fā)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)變化,且曲線的斜率逐漸的降低,法向分量與疲勞周次呈現(xiàn)出較為顯著的線性相關(guān)。

中期平穩(wěn)階段(6.5 k～20 k周次):磁漏信號(hào)切向分量Hp(x)仍然呈現(xiàn)淺“V”分布,隨著疲勞周次的增加,Hp(x)淺“V”曲線的幅值略有增加,曲線整體變化不大；磁漏信號(hào)法向分量Hp(y)繞中心旋轉(zhuǎn)角度變化量也非常微小。此時(shí)磁曲線的切向、法向信號(hào)變化都變得更加的微弱,疲勞周次累積對(duì)信號(hào)曲線分布特征影響減弱；這個(gè)階段僅從曲線分布特征上已經(jīng)很難分析出疲勞周次對(duì)磁信號(hào)的影響規(guī)律。

后期突變階段(20 k～24.5 k周次):熔覆部位切向和法向磁記憶信號(hào)變化幅度增大,出現(xiàn)突變現(xiàn)象。隨著疲勞周次的增加,磁漏信號(hào)出現(xiàn)突變跳躍。切向分量Hp(x)呈現(xiàn)顯著的整體下降趨勢(shì),淺“V”曲線特征轉(zhuǎn)變成深“V”特征,且“V”形深度加深越來越顯著；法向分量Hp(y)曲線圍繞中心部位發(fā)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)變化規(guī)律也變得顯著。此階段裂紋開始萌生并逐漸擴(kuò)展直至試件斷裂。

圖3 熔覆試件疲勞過程3#檢測(cè)線磁記憶信號(hào)分布

瞬斷劇變階段:熔覆試件在疲勞加載至25822周次時(shí)發(fā)生斷裂,斷裂后斷口部位磁漏信號(hào)發(fā)生突變,斷口的兩側(cè)磁極出現(xiàn)發(fā)轉(zhuǎn)。斷口切向磁漏信號(hào)Hp(x)數(shù)值由正轉(zhuǎn)負(fù),出現(xiàn)負(fù)向極大值,法向分量Hp(y)斷口位置過零呈現(xiàn)清晰異變峰信號(hào)。為了更清晰的看出瞬斷時(shí)試件熔覆區(qū)域附近信號(hào)的變化規(guī)律,在3#檢測(cè)線二維信號(hào)曲線的基礎(chǔ)上增加檢測(cè)線偏離距離維度Z,做出瞬斷時(shí)5條檢測(cè)線的三維信號(hào)曲線如圖4所示。

圖4 熔覆試件斷裂后磁記憶信號(hào)三維分布

通過三維圖可以更清晰地看出,5條檢測(cè)線出現(xiàn)了同樣的規(guī)律,試件中間瞬斷部位磁記憶異變峰非常明顯,切向信號(hào)出現(xiàn)極值和法向過零現(xiàn)象,距離熔覆區(qū)位置越遠(yuǎn),信號(hào)特征越不明顯。

3.2 疲勞損傷定量評(píng)估

進(jìn)一步研究熔覆試件的表面磁漏信號(hào)Hp(y)隨疲勞循環(huán)周次N的變化規(guī)律,在初期發(fā)展階段(1～6.5 k疲勞周次),法向漏磁信號(hào)的變化與循環(huán)加載周次之間存在明顯的線性關(guān)系,并且這種線性的斜率k與疲勞周次密切相關(guān)?，F(xiàn)取中間位置的3# 檢測(cè)線,選取離熔覆位置較近區(qū)域的位移(12～32 mm,該處為應(yīng)力集中區(qū)域)各循環(huán)周次的法向漏磁信號(hào)強(qiáng)度曲線進(jìn)行線性擬合,如圖5所示。

在相同疲勞載荷作用下,激光熔覆試件的磁記憶法向信號(hào)與加載循環(huán)周次之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式為:

HP(y)=kx+A

(1)

式中,Hp(y)為法向磁漏信號(hào)的磁場(chǎng)強(qiáng)度；x為測(cè)量位移；k為擬合直線的斜率；A為常數(shù)。

可以得到不同疲勞周次法向漏磁信號(hào)擬合直線斜率k值,如表3所示；擬合直線斜率k與疲勞周次關(guān)系曲線如圖6所示。

圖5 熔覆試件法向信號(hào)線性擬合曲線

圖6 參數(shù)k與疲勞周次N關(guān)系曲線圖

從表3和圖6可以發(fā)現(xiàn),平板試件疲勞過程的法向漏磁信號(hào)Hp(y)曲線經(jīng)擬合得到的斜率k值,在初期發(fā)展階段,k值隨循環(huán)次數(shù)增加顯著下降,且直線的擬合優(yōu)度R2數(shù)值大小接近1,擬合程度較佳；在中期平穩(wěn)階段,k值趨于穩(wěn)定且隨循環(huán)次數(shù)增加緩慢降低,擬合優(yōu)度隨循環(huán)次數(shù)增加越來越偏離1,回歸直線的擬合程度越差,因此中期平穩(wěn)階段之后,不再適合將k值作為試件損傷情況的判定依據(jù)。

表3 法向漏磁信號(hào)擬合曲線斜率k值

為進(jìn)一步研究試件表面磁信號(hào)法向分量隨外加載荷的變化規(guī)律,對(duì)各循環(huán)周次的磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線進(jìn)行一階求導(dǎo),圖7為熔覆試件的3#檢測(cè)線的漏磁信號(hào)梯度曲線。

圖7 熔覆試件磁漏信號(hào)梯度曲線

記磁記憶切向、法向分量梯度值分別kx、ky如下:

kx=|d[Hp(x)]/dx|

(2)

ky=|d[Hp(y)]/dx|

(3)

由圖7可以看出,不同疲勞周次磁信號(hào)切向分量梯度kx曲線為類似正弦函數(shù)曲線,法向分量梯度ky曲線為類似余弦函數(shù)曲線,且余弦函數(shù)曲線的頻率為正弦函數(shù)曲線的頻率的2倍。隨著疲勞周次的繼續(xù)增加,切向與法向的漏磁信號(hào)梯度曲線的幅值越來越大,且均在斷裂時(shí)出現(xiàn)突增。為定量評(píng)估平板試件在各疲勞周次作用下的疲勞損傷程度,需對(duì)磁記憶信號(hào)的法向漏磁信號(hào)梯度作進(jìn)一步處理?？梢杂胟ave表示所有位置法向漏磁信號(hào)梯度的平均值:

(4)

式中，X0和Xn分別對(duì)應(yīng)檢測(cè)線上的起始點(diǎn)和終點(diǎn);Hp(y)i是檢測(cè)線上第i點(diǎn)Xi所對(duì)應(yīng)的磁記憶信號(hào)法向分量值。

用Km表示熔覆區(qū)域法向漏磁信號(hào)梯度突變峰值,將Kj作為法向漏磁信號(hào)梯度的平均值Kave和法向漏磁信號(hào)梯度突變峰值Km的差值:

Kj=Kave-Km

(5)

為表征法向漏磁信號(hào)梯度偏離程度,可以將R作為差值Kj和法向漏磁信號(hào)梯度的平均值Kave的比值的絕對(duì)值:

R=|Kj/Kave|

(6)

根據(jù)式(4)、(5)和(6)對(duì)3#檢測(cè)線上的法向漏磁信號(hào)梯度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到表4。

表4 各疲勞周次法向漏磁信號(hào)梯度偏離程度R

圖8 疲勞耦合損傷R-疲勞周次N變化規(guī)律

由圖8疲勞耦合損傷R隨疲勞次數(shù)的變化規(guī)律可得,試件在初期發(fā)展階段(1～6.5 k),隨著疲勞周次的增加,熔覆試件的法向漏磁信號(hào)梯度偏離程度R值緩慢平穩(wěn)增加,R值在0.56～0.83之間變化,數(shù)值非常接近且均小余1,該階段壽命占全生命周期的比例接近25.17 %,此時(shí)熔覆試件輕度損傷,可以繼續(xù)安全使用。

試件在中期平穩(wěn)階段(6.5 k～20 k次),隨著疲勞周次的增加,熔覆試件的法向漏磁信號(hào)梯度偏離程度R值保持平穩(wěn)增加,R值最高達(dá)到2.82,該階段壽命占比約為77.45 %,此時(shí)熔覆試件中度損傷,可以繼續(xù)使用,需要定期安全檢測(cè)。

在后期磁記憶信號(hào)突變階段(20 k～24.5 k次),隨著疲勞周次的增加,向漏磁信號(hào)梯度偏離程度R值迅速陡增,R值高達(dá)到9.40,此階段的壽命占比約為5.11 %,處于臨界斷裂狀態(tài),此時(shí)熔覆試件損傷嚴(yán)重,繼續(xù)使用可能造成安全事故,應(yīng)及時(shí)干預(yù),確保其安全服役。

在斷裂時(shí)磁信號(hào)急劇異變階段,磁信號(hào)梯度偏離程度R值急劇突增到最大值,試件發(fā)生斷裂失效。

由此可見,法向漏磁信號(hào)梯度偏離程度R值,可以很好地表征熔覆試件疲勞損傷變化狀況。根據(jù)實(shí)際檢測(cè)結(jié)果,擬將熔覆試件的損傷程度劃分為3個(gè)等級(jí),分別為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí),其閾值分別為0.83、2.82和9.40,如表5所示。

3.3 應(yīng)力磁記憶評(píng)價(jià)機(jī)理

鐵磁學(xué)研究表明,當(dāng)彈性應(yīng)力作用于鐵磁性材料時(shí),鐵磁體不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生彈性應(yīng)變,還會(huì)產(chǎn)生磁致伸縮性質(zhì)的應(yīng)變,從而引起磁疇壁位移,改變其自發(fā)的磁化方向,我們稱之為磁彈性效應(yīng)。處于地磁場(chǎng)環(huán)境下的鐵磁材料在受到外力作用時(shí),磁晶體的內(nèi)部總能量Et可以表達(dá)為[19]:

表5 熔覆試件磁記憶綜合質(zhì)量評(píng)級(jí)

Et=Eel+Eme+Ek+Eb+Eσ

(7)

其中,Eel為彈性能;Eme為磁彈性能;Ek為磁晶各向異性能;Eb為退磁能;Eσ為外力引起的應(yīng)力能。

在裂紋萌生過程中,熔覆試件疲勞載荷作用過程中,彈性能Eel,磁彈性能Eme,以及磁晶各向異性能Ek都會(huì)有所增加,所以為使系統(tǒng)總能量趨于平衡,應(yīng)力能Eσ要減小,應(yīng)力能Eσ表達(dá)式為:

(8)

式中,λs為飽和磁致伸縮系數(shù);θ為應(yīng)力與磁化方向之間的夾角,當(dāng)θ=0或θ=π時(shí)Eσ最小。應(yīng)力集中處原本雜亂無序的磁矩會(huì)向磁化方向偏轉(zhuǎn),如式(8)所示,使得此處發(fā)生有序磁化,導(dǎo)致此處的磁信號(hào)增強(qiáng)。同時(shí),退磁能Eb也會(huì)增大,這表明材料內(nèi)部磁矩產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)會(huì)增強(qiáng)。因此磁荷密度會(huì)提高,微觀上就會(huì)表現(xiàn)為應(yīng)力集中處的磁荷會(huì)產(chǎn)生堆積,散射磁信號(hào)增強(qiáng)。在裂紋萌生的整個(gè)階段,隨著損傷不斷累積,磁信號(hào)不斷增強(qiáng)。

損傷不斷累積過程中,磁信號(hào)并非以均勻的速度增強(qiáng),這與塑性變形區(qū)應(yīng)力應(yīng)變的發(fā)展速度不同有關(guān)。應(yīng)力應(yīng)變直接影響磁導(dǎo)率,從而使得應(yīng)力集中處磁荷累積的速度產(chǎn)生變化。根據(jù)能量守恒定律可得相對(duì)磁導(dǎo)率μ的表達(dá)式為[20]:

(9)

式中,λs為飽和磁致伸縮系數(shù);Bm為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度;μ0為真空磁導(dǎo)率;μ1為初始磁導(dǎo)率。對(duì)于同一鐵磁試件,可以把它們看作是定值。可以從表達(dá)式看出,相對(duì)磁導(dǎo)率隨著應(yīng)力的增加減小。

為明確磁記憶信號(hào)Hp(y)與機(jī)械應(yīng)力的變化量Δσ之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,戴光等人根據(jù)居里定律和狀態(tài)方程推導(dǎo)出下列方程式[21]:

(10)

式中,λH為磁彈性效應(yīng)不可逆分量;μ0為真空磁導(dǎo)率,μ0=4π×10-7H/m。λH它是一個(gè)取決于機(jī)械應(yīng)力、外加磁場(chǎng)強(qiáng)度和溫度的函數(shù)。

初始疲勞階段,由于熔覆區(qū)域存在熱不均勻和缺陷等因素,導(dǎo)致位錯(cuò)密度快速增加,局部塑性應(yīng)變和應(yīng)力集中累積很快,此時(shí)磁導(dǎo)率會(huì)迅速減小,因此磁荷累積速率比較高。在Hp(y)曲線上可以看出最初階段的曲線較陡峭,說明磁信號(hào)隨循環(huán)次數(shù)的增加也發(fā)生顯著的變化。

中期階段,隨著疲勞加載的次數(shù)增加,試件內(nèi)部應(yīng)力集中重新分布并趨于穩(wěn)定,磁信號(hào)的變化幅度減弱或者基本保持不變。由式(9)可以看此時(shí)磁導(dǎo)率μ的變化就會(huì)趨于平緩。從位錯(cuò)積累的角度看,疲勞中期熔覆區(qū)域的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定,且接近飽和狀態(tài),所以位錯(cuò)發(fā)展速率就會(huì)比損傷初期降低很多。因此在這一階段,可從Hp(y)曲線上看出磁信號(hào)隨疲勞循環(huán)次數(shù)的增加,相應(yīng)的磁信號(hào)變化不會(huì)很明顯。

疲勞后期階段,由于疲勞損傷的不斷累積,高密度的滑移帶和位錯(cuò)會(huì)不斷進(jìn)行聚合,這時(shí)熔覆部位局部塑性區(qū)在進(jìn)入裂紋萌生后期時(shí)不斷擴(kuò)大的表現(xiàn)。此時(shí)疲勞損傷區(qū)的磁導(dǎo)率又進(jìn)入一個(gè)快速下降的階段,磁荷累積速率再一次上升,Hp(y)曲線的變化速率又會(huì)逐漸變大,磁記憶信號(hào)出現(xiàn)突變。隨著循環(huán)次數(shù)的進(jìn)一步增加,已經(jīng)擴(kuò)展的高密度位錯(cuò)區(qū)會(huì)進(jìn)一步積累能量,直至達(dá)到損傷區(qū)能量的極限狀態(tài)而發(fā)展為宏觀裂紋,此時(shí)占疲勞壽命絕大部分的裂紋萌生階段結(jié)束。

在瞬斷前期,熔覆部位裂紋不斷擴(kuò)展,裂紋間距變得越寬,磁導(dǎo)率越低,堆積的磁荷就越多,瞬斷之后磁荷分布會(huì)發(fā)生變化,最新斷裂處的磁荷堆積最多。這是因?yàn)榱鸭y構(gòu)件即將斷裂時(shí),其內(nèi)部應(yīng)力能遠(yuǎn)大于退磁能、磁彈性能、彈性能和各向異性能。瞬斷后,應(yīng)力能Eσ會(huì)立即釋放,同時(shí)彈性能Eel和磁彈性能Eme都有一定程度的降低,如式(7)所示。根據(jù)熱力學(xué)平衡原理,此時(shí)退磁能Eb要迅速增大,以使系統(tǒng)能量趨于穩(wěn)定,此時(shí)退磁能會(huì)立即占到主導(dǎo)地位,也即總能量由斷口兩側(cè)磁荷產(chǎn)生的能量為主。所以瞬斷區(qū)會(huì)很快積累大量磁荷,試件一旦開裂,瞬斷區(qū)域的晶格被撕裂,軸向應(yīng)力釋放的瞬間,兩個(gè)裂紋面將發(fā)射強(qiáng)烈的磁記憶信號(hào),最終形成疲勞斷口的急劇異變的磁記憶信號(hào)分布特征。磁荷隨著疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展和失穩(wěn)斷裂的堆積過程如圖9所示[22]。

圖9 疲勞裂紋擴(kuò)展及斷裂發(fā)射異變磁記憶信號(hào)物理模型

4 結(jié) 論

(1)激光熔覆試件磁漏信號(hào)法向分量Hp(y)在中間應(yīng)力集中部位存在過零點(diǎn),且隨著疲勞周次的增加,曲線以過零點(diǎn)為中心發(fā)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)變化；水平分量Hp(x)具有極值,呈現(xiàn)“V”分布,隨著疲勞周次的增加,切向磁漏信號(hào)呈現(xiàn)顯著的整體下降趨勢(shì)。

(2)疲勞損傷逐漸累積的過程中,磁記憶信號(hào)變化存在初期顯著、中期平穩(wěn)、后期突變、斷裂劇變的階段特征,通過引入損傷參量R建立損傷參量模型,可以對(duì)隱形損傷臨界狀態(tài)進(jìn)行定量評(píng)估。

(3)疲勞過程中R值越大,說明該試件的法向漏磁信號(hào)梯度突變峰值偏離其法向漏磁信號(hào)梯度的平均值的程度越大,則疲勞損傷程度越嚴(yán)重；且將R=2.82、R=9.4作為熔覆試件的安全閾值,當(dāng)R值介于2.82與9.4之間,需定期進(jìn)行安全檢測(cè)；R值達(dá)到9.4的閾值時(shí),試件即將出現(xiàn)裂紋和縮頸現(xiàn)象,應(yīng)在熔覆試件失效前及時(shí)進(jìn)行替換,確保其安全服役。

(4)從磁彈性效應(yīng)的角度闡述了熔覆試件裂紋萌生過程磁信號(hào)的變化機(jī)理,退磁能增加、應(yīng)力能減小,應(yīng)力集中處的磁荷會(huì)產(chǎn)生堆積,散射磁信號(hào)會(huì)不斷增強(qiáng)。且損傷不斷累積過程中,磁信號(hào)并非以均勻的速度增強(qiáng)；

(5)磁荷的堆積與磁導(dǎo)率的變化密切相關(guān),應(yīng)力越大磁導(dǎo)率越低,磁導(dǎo)率越低越容易堆積磁荷,磁漏信號(hào)也就越強(qiáng)；根據(jù)能量守恒定律推導(dǎo)可得疲勞壽命初期磁導(dǎo)率會(huì)迅速減小,中期變化就會(huì)趨于平緩,后期疲勞損傷區(qū)的磁導(dǎo)率又進(jìn)入一個(gè)快速下降的階段；所以磁記憶信號(hào)曲線宏觀表現(xiàn)出最初階段的曲線變化較陡峭、中期變化較平緩、后期磁曲線的變化速率又會(huì)逐漸變大,瞬斷時(shí)磁記憶信號(hào)出現(xiàn)劇變。