基于金屬磁記憶檢測的HT300疲勞損傷實驗研究*

潘尚峰 彭一波 孫江宏

(①清華大學，北京 100084；②北京信息科技大學，北京 100192)

再制造是綠色制造的重要組成部分，近年來受到越來越多的重視。重型機床基礎件質量大，耗材多，且長期使用后結構穩(wěn)定，若通過再制造技術使其重新利用，則能夠節(jié)省大量資源與能源，保護了環(huán)境。

重型機床實施再制造前首先要判斷其基礎件的剩余壽命能否滿足下一個生命周期，目前還沒有一種重型機床基礎件剩余壽命預測的有效方法。因此，迫切需要探究一種適用于重型機床基礎件剩余壽命評估的新技術。

上世紀90年代，以俄羅斯的Dubov教授[1-4]為代表的學者提出了采用磁記憶檢測技術檢測金屬應力集中，從而進行剩余疲勞壽命預測。金屬磁記憶檢測實質上是一種漏磁檢測技術，而金屬磁記憶的激勵磁場為地磁場，它獲取零件受地磁場作用而產生的磁信息。陳倩等通過對45#鋼的拉伸和壓縮實驗，得到了磁記憶信號和應力集中之間的關系[5]。董麗紅等[6-8]以低碳鋼和中碳鋼為研究對象，利用疲勞加載試驗機，獲得了各階段漏磁場的法向分量和切向分量。丁輝等[9]以磁通量作為表征量，研究了裂紋缺陷與磁通量的變化關系，結果顯示金屬磁記憶能夠表征裂紋的類型。Dubov[10]總結了壓力容器和石油管道等疲勞失效的例子，證實了金屬磁記憶檢測是早期損傷檢測的有效手段。

金屬磁記憶(MMM)檢測技術是一種新型的無損檢測技術，對于檢測以應力集中為特征的疲勞損傷具有獨特的優(yōu)勢，日益成為一種重要的無損檢測手段?；诮饘俅庞洃洐z測原理，俄羅斯動力診斷公司研發(fā)了TSC-1M型金屬磁記憶檢測儀，已得到了廣泛應用。

1 HT300疲勞加載實驗

本文研究重型機床基礎件疲勞過程中漏磁信號的變化規(guī)律，為鐵磁材料剩余壽命評估提供技術支撐。首先選擇重型機床常用的HT300材料作為研究對象，提取該材料在循環(huán)載荷下漏磁信號的演化特征，以期獲取表征材料疲勞壽命的特征量。

為了得到HT300材料在不同應力下的疲勞信號特征，需要以該材料的基本力學參數(shù)測定為基礎，測定其應力應變曲線及S-N曲線，以便設計較為適宜的疲勞載荷。具體實驗路線如圖1所示。

實驗用HT300材料化學成分及基本力學性能如表1和表2所示。

表1 HT300的化學成分 wt%

表2 HT300基本力學性能

材料牌號極限強度σb/MPa 屈服強度σB/MPa延伸率δ/(%)HT30027610348%

為確定疲勞加載應力，需要測定HT300材料應力應變曲線。設計如圖2所示試樣，利用INSTRON拉伸試驗機，進行靜載拉伸實驗，得到如圖3所示真實應力應變曲線。

可見，HT300的屈服強度為135 MPa，抗拉強度為215 MPa。根據(jù)以上得到的應力應變曲線，為得出材料的S-N曲線，設定加載條件如表3。利用INSTRON疲勞拉伸試驗機，將試樣在不同載荷下進行疲勞加載實驗，得到不同應力下的疲勞極限，結果如圖4所示。

表3 HT300材料疲勞性能

拉力/kN679101213應力/MPa74.488113124.6150.5163.7疲勞極限/次29 95615 1162 1971 24619325

圖3所示的HT300材料在各應力下最大循環(huán)次數(shù)可以表示為：

f(x)=1×107e-0.076x

(1)

2 HT300金屬磁記憶檢測實驗

2.1 檢測儀器介紹

實驗檢測設備包括TSC-2M-8型應力集中檢測儀主機及1-8M掃描裝置，見圖5和圖6。

TSC-2M-8應力集中磁檢測儀是8通道儀器，其功能特點如下：

(1)8檢測通道。

(2)配備新型雙向傳感器，多個鐵磁探測式轉換器放置在二維空間，用來同時檢測磁場的法向分量和切向分量。

(3)探頭可以記錄場強值和移動長度值，速度最大可達0.5 m/s。

(4)不要求對被檢測對象進行專門磁化。

(5)不要求對被檢測表面作任何準備。

(6)提供配套分析軟件MM-System，可在計算機上對數(shù)據(jù)做后續(xù)處理。

1-8M型掃描裝置是8通道接觸式焊縫檢測掃描裝置。4個雙分量磁探測傳感器分別測量磁場的法向分量與切向分量，用于管道、焊縫、容器、平板等工件應力集中的局部快速掃查。掃描裝置設計成小車形狀，4個傳感器水平布置，每個傳感器含兩個測量通道。傳感器間距、高低、方向可根據(jù)管道或焊縫的形狀調節(jié)，有鎖緊結構。4個輪子計數(shù)器記錄檢測長度，同時測量磁場的兩個分量，可以采集到更全面的數(shù)據(jù)。

2.2 實驗結果分析

根據(jù)S-N曲線，設定疲勞載荷加載應力，并根據(jù)式(1)，確定各應力下的疲勞極限，選定加載應力及疲勞極限如表4所示。

表4 不同應力下的疲勞極限

應力/MPa7588115124139143疲勞極限/次33 46012 4581 601807258191

在本實驗中，分別提取理論疲勞損傷量(歸一化疲勞損傷量，0代表開始使用狀態(tài)，1代表斷裂狀態(tài))為0、0.25、0.5及0.75時所對應的漏磁信號作為研究對象。利用圖5及圖6所示檢測設備，記錄各應力下不同損傷量下漏磁信號，結果如圖7所示。

圖7中各條曲線代表了不同理論損傷程度下漏磁信號的變化，可見損傷量的改變會造成漏磁信號梯度K發(fā)生變化。但由各應力下漏磁信號可見，梯度K與累積損傷量并無明顯映射關系。且重型機床運行過程中伴隨應力釋放，應力集中度與運行時間并無明顯映射關系，所以單純以漏磁信號梯度K不能判定機床損傷量。

由圖7可見，在相同應力下，隨著損傷量的不斷增加，漏磁信號斜率并未表現(xiàn)出增大或者是減小的趨勢，單純從漏磁信號斜率大小難以判定材料的損傷情況。

由于疲勞過程是時間維度下的材料損傷累積過程，且在重型機床運行過程中，隨著加工工件的不同，機床所受應力會發(fā)生明顯的改變和波動，單純的研究單一應力下材料漏磁信號演變規(guī)律，難以在工程實際中得到應用，故而有必要將疲勞損傷判定過程轉變?yōu)榕c應力無關的量，轉而單純觀測時間尺度上漏磁信號轉變規(guī)律，有利于工程實際應用。故而，提取各應力下隨著疲勞損傷量的增加，漏磁信號梯度值K變化如圖8所示。

重型機床基礎件從服役到疲勞破壞，其內應力經(jīng)歷了早期加工應力釋放階段、平穩(wěn)工作階段和裂紋形成擴展階段，其內應力也經(jīng)歷了逐漸減小、平穩(wěn)及急劇增大的階段。而內應力的大小能夠用漏磁梯度?K/?t表示，故而可以用漏磁梯度作為疲勞損傷判定參數(shù)。重型機床基礎件應力集中程度變化規(guī)律如圖9所示。

在重型機床服役初期階段，由于加工或者鑄造缺陷，材料內部存在原始內應力，此時漏磁信號表現(xiàn)出較大的梯度值；隨著服役過程的進行，機床加工過程中伴隨振動、自然時效等過程，材料內部應力逐漸釋放，此時表現(xiàn)出較小的內應力及較為穩(wěn)定的機床精度，漏磁梯度也維持在較小水平；隨著材料疲勞損傷的累計，重型機床基礎件出現(xiàn)位錯累積，微裂紋開始萌生、擴展，缺陷聚集處出現(xiàn)應力集中，并且隨著缺陷的發(fā)展應力集中狀況不斷加劇，此時表現(xiàn)出漏磁信號梯度不斷增大；最后當微裂紋連接形成宏觀裂紋，應力得到釋放，表現(xiàn)出漏磁梯度在疲勞壽命后期階段再次出現(xiàn)減小的現(xiàn)象，此時應屬于材料服役后期階段，應注意材料疲勞失效。

由圖9可見，應力集中程度(用漏磁場梯度表征)經(jīng)歷了變小、低位保持以及逐漸增大的過程。當?K/?t<0時，基礎件處于應力釋放階段；當?K/?t保持較小值時，基礎件處于穩(wěn)定階段；當?K/?t>0時，基礎件開始加速疲勞過程。

鐵磁材料在疲勞過程中漏磁信號基本以斜線形式存在，漏磁信號梯度K可以較好反映漏磁信號的變化情況，但隨著疲勞過程的進行，梯度K并無明顯的增大或者減小趨勢，而是先減小后增大，最后再減小。在工程實際中，可利用?K/?t對重型機床基礎件材料進行疲勞損傷評估。

3 結語

本文研究了重型機床常用材料HT300在循環(huán)載荷下漏磁信號的變化規(guī)律，提取了漏磁信號的特征參量漏磁信號梯度K，并研究了漏磁信號梯度K隨時間的變化情況，研究結果表明隨著疲勞損傷程度的增加，漏磁信號梯度先減小，隨后增大，最后再減小。利用該規(guī)律，可對重型機床用材料HT300的疲勞損傷過程進行監(jiān)測，為重型機床基礎件的可再制造性評估提供技術支持。

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