碳素鋼在不同應(yīng)力作用下的漏磁場(chǎng)分布特征?

李新蕾,任尚坤,任吉林,付任珍,宋 凱

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

作為一種新的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)磁記憶檢測(cè)技術(shù)因具有能及時(shí)發(fā)現(xiàn)構(gòu)件上的應(yīng)力集中部位,操作簡(jiǎn)單,不需要對(duì)構(gòu)件表面作特殊清理,便于現(xiàn)場(chǎng)使用等優(yōu)點(diǎn),受到了廣泛的關(guān)注[1].該方法是基于鐵磁材料的力磁效應(yīng)的應(yīng)用,利用構(gòu)件在工作載荷和地磁場(chǎng)的作用下其內(nèi)部會(huì)發(fā)生磁疇組織定向和不可逆的重新取向,在應(yīng)力集中區(qū)形成漏磁場(chǎng).通過(guò)檢測(cè)漏磁場(chǎng),并結(jié)合被檢構(gòu)件的實(shí)際運(yùn)行條件來(lái)確定構(gòu)件表面或近表面的以應(yīng)力集中為主要特征的早期損傷部位[2-5].目前,對(duì)力磁效應(yīng)的基本規(guī)律及機(jī)理的理解還沒(méi)有統(tǒng)一的定論,還處于探索之中.力磁效應(yīng)規(guī)律的本質(zhì)是應(yīng)力引起試樣的磁化規(guī)律,即是試樣的磁化強(qiáng)度隨應(yīng)力的變化關(guān)系.在本次實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)漏磁場(chǎng)的變化規(guī)律來(lái)反映試樣磁化強(qiáng)度的變化.

1 拉伸實(shí)驗(yàn)

以同應(yīng)力梯度的 45# 鋼邊緣缺口試樣為研究對(duì)象,試樣的尺寸如圖1所示,試樣厚度為 2mm,分為 A,B,C三組,各組參數(shù)如表1所示.考慮到加工過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力,所有試樣均進(jìn)行了退火,以消除殘余應(yīng)力的影響.

在室溫條件下采用 WDW-E100D型電子程控實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn),加載速率為0.2 mm/min;對(duì)漏磁場(chǎng)的測(cè)量采用的是美國(guó)Lakeshore公司生產(chǎn)的弱磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x Lakeshore 421,其分辨率為 0.001 Gauss,精確度±0.25%,用于精確測(cè)量試樣表面的漏磁場(chǎng).實(shí)驗(yàn)過(guò)程測(cè)量路徑為試樣中線處長(zhǎng) 60 mm的直線,如圖1所示.

圖1 試樣尺寸示意圖Fig.1 Geometry of specimen and measu ring line

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前,分別測(cè)量各試樣的初始磁場(chǎng),以作為對(duì)比.在拉伸實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,當(dāng)試樣加載到一定的載荷,沿掃描路徑在線測(cè)量試樣漏磁場(chǎng)分布.

2 有限元分析

表1 試樣尺寸參數(shù)Tab.1 Dimensions of specimens

通過(guò)有限元模擬軟件 ANSYS10.0中的靜力學(xué)分析模塊,采用非線性分析的方法,可以得到加載模型的應(yīng)力分布結(jié)果[6].建模采用 Solid65 8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元,該單元具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力強(qiáng)化、拉裂、壓碎以及大變形大應(yīng)變和模擬各向異性等功能.單元材料屬性如表2所列.為取得良好的計(jì)算結(jié)果并節(jié)約計(jì)算機(jī)資源,人工控制有限元的網(wǎng)格劃分,圖2為試樣的有限元模型.

在靜力學(xué)分析中,對(duì)模型一側(cè)端面施加位移約束,另一端面施加拉應(yīng)力載荷,位移約束和拉應(yīng)力載荷位置會(huì)自動(dòng)地轉(zhuǎn)化到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上,B組試樣加載到 0.5 kN,5 kN,7 kN時(shí)的應(yīng)力分布結(jié)果如圖3所示.從圖3可以看出,中線上(即磁場(chǎng)掃描路徑)的最大應(yīng)力并非出現(xiàn)在正對(duì) V形缺口處,而是在 V形缺口兩側(cè)的 O形區(qū),隨著載荷的增大,最大應(yīng)力分布區(qū)向中間移動(dòng).

圖4為在 POST1模塊提取的試樣中線上的應(yīng)力數(shù)據(jù)(在 ANSYS中 SX,SY,SEQV分別代表 X方向應(yīng)力、Y方向應(yīng)力以及等效應(yīng)力).由于材料在 X方向受到均勻拉應(yīng)力 S0作用時(shí),在 V形缺口處將同時(shí)產(chǎn)生拉應(yīng)力 SX與剪切應(yīng)力 SY,試樣處在兩者的合力作用下,在試樣局部區(qū)域開(kāi)始形成與拉伸軸約成 45°的所謂呂德斯帶或屈服線,隨后再沿試樣長(zhǎng)度方向逐漸擴(kuò)展,直至屈服線布滿整個(gè)試樣長(zhǎng)度而進(jìn)入均勻塑性變形階段[7].

A,B,C三組最小截面處施加的載荷分別為:A(7 kN/20 mm2=350 MPa),B(9.8 kN/28 mm2=350 MPa),C(12.6 kN/36 mm2=350 MPa),雖然施加的載荷大小一樣,但是由于各組的應(yīng)力集中程度不同,各組的應(yīng)力分布也不同.由圖4可得:A組拉應(yīng)力最小,切應(yīng)力最大;C組拉應(yīng)力最大,切應(yīng)力最小.

表2 45# 鋼平板試樣的主要材料參數(shù)Tab.2 Parameter of steel 45# plate

圖2 C組試樣的網(wǎng)格分布Fig.2 Finite elementm ode of specim en C

圖3 B組試樣的 von Mises應(yīng)力分布等值線圖Fig.3 Equivalen t stress distribution of specimen B

圖4 掃描路徑的應(yīng)力分布(A組:7 kN;B組:9.8 k N;C組:12.6 kN)Fig.4 Stress distribution of the scan line

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 漏磁場(chǎng)分布

圖5與圖6是 C組試樣分別加載至不同狀態(tài)時(shí)漏磁場(chǎng)的空間分布及梯度分布曲線(A組、B組規(guī)律相同,已經(jīng)減去空間初始磁場(chǎng)).盡管由于材料的不均勻性,每個(gè)試樣的漏磁場(chǎng)分布不盡相同,但通過(guò)多個(gè)試樣的測(cè)量,試樣在不同加載狀態(tài)時(shí)所反映的規(guī)律是相同的:當(dāng)試樣處于彈性階段,磁場(chǎng)梯度變化不是很明顯,且梯度極值點(diǎn)移動(dòng),此現(xiàn)象主要與試樣的材料組織狀態(tài)及熱處理工藝有關(guān),亦很好的解釋了試樣在彈性階段的磁場(chǎng)值零點(diǎn)漂移現(xiàn)象.

圖7為各組試樣在加載到屈服點(diǎn) 350 MPa時(shí)的磁場(chǎng)梯度 K分布規(guī)律,通過(guò)與圖4比較可知,此時(shí)漏磁場(chǎng)的梯度分布規(guī)律與等效應(yīng)力的分布規(guī)律具有明顯的相關(guān)性,在應(yīng)力取得極大值得區(qū)域,磁場(chǎng)梯度也取得極值.

當(dāng)載荷進(jìn)一步增加,試樣進(jìn)入均勻塑變及不均勻塑變,如圖6,450 M Pa,480M Pa時(shí),磁場(chǎng)梯度依然與屈服階段的變化趨勢(shì)相近,但當(dāng)載荷到達(dá) 500M Pa時(shí),由于試樣已經(jīng)出現(xiàn)明顯的縮頸現(xiàn)象,此時(shí)的最大應(yīng)力區(qū)域已經(jīng)移至中央,磁場(chǎng)梯度值只有一個(gè)極值.通過(guò)以上分析可以說(shuō)明漏磁場(chǎng)的梯度分布可以反映構(gòu)件的應(yīng)力分布狀態(tài).

3.2 磁記憶信號(hào)能量特征值

能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生,也不會(huì)憑空消失,它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為別的形式,或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體,在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中其總量不變.

根據(jù)鐵磁學(xué)的研究,在沒(méi)有外應(yīng)力和外磁場(chǎng)作用時(shí),處于穩(wěn)定狀態(tài)的磁晶體內(nèi)總的自由能為

式中:EK為磁晶各向異性能;Ems為磁彈性能;Eel為彈性能.

在鐵磁體受到彈性應(yīng)力的作用時(shí),會(huì)在磁晶體內(nèi)增加應(yīng)力能 E e,總的自由能變?yōu)閇8]

信號(hào)能量的定義[13]:對(duì)于給定的能量有限連續(xù)信號(hào) x(t),在時(shí)間間隔 (-T/2,T/2)內(nèi)的能量為

圖8 A組試樣信號(hào)能量隨加載狀態(tài)的變化Fig.8 The signal energy changes w ith stress

圖9 歸一化信號(hào)能量Fig.9 The normalized signal energy changes with stress

實(shí)驗(yàn)中所采集的磁記憶信號(hào)是能量有限離散信號(hào),且采集過(guò)程勻速掃描,積分由取和代替,故在此定義磁記憶信號(hào)的能量為

式中:x0,x1為掃描路徑上的兩點(diǎn),為消除漏磁場(chǎng)邊緣效應(yīng)帶來(lái)的影響,在此分別取 10mm與 50mm做為計(jì)算的起點(diǎn)與終點(diǎn).圖8為磁記憶信號(hào)能量隨加載狀態(tài)的變化趨勢(shì),由圖8可知:在彈性階段,隨著應(yīng)力的增加,磁記憶信號(hào)的能量基本保持不變;但是一旦試樣過(guò)了屈服點(diǎn)進(jìn)入塑性階段,磁記憶信號(hào)的能量就迅速增加.B組、C組試樣具有相同的規(guī)律,但是由于應(yīng)力集中程度的不同,各組試樣的磁記憶信號(hào)能量大小不盡相同.為此,對(duì)磁記憶信號(hào)的能量進(jìn)行歸一化處理,如圖9所示,可以發(fā)現(xiàn),各組的歸一化能量曲線基本重合.我們可以利用磁記憶信號(hào)能量這一特征值在屈服點(diǎn)后迅速激增的這一現(xiàn)象,來(lái)對(duì)構(gòu)件的受力狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè).

4 結(jié) 論

1)應(yīng)力集中部位與磁場(chǎng)梯度的極值部位具有很好的一致性,故磁場(chǎng)梯度是進(jìn)行磁記憶檢測(cè)的有效特征值.

2)磁記憶信號(hào)作為一種能量有限信號(hào),可以利用磁記憶信號(hào)能量這一特征值在屈服點(diǎn)后迅速激增的現(xiàn)象,來(lái)對(duì)構(gòu)件的受力狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè).

[1] 任吉林,林俊明.金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2000:1-4.

[2] Dubov A A.Method o fmagnetic memory o fmetals[J].Tyazheloe Mashinostroenie,2003(8):6-7.

[3] Roskosz M,Gaw rilenko P.Analysis of changes in residual magnetic field in loaded notched samp les[J].NDT&E International,2008,41(1):570-576.

[4] Pal'a J,Stupakov O.Magnetic behaviour of low-carbon steel in parallel and perpendicular directions to tensile deformation[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials,2007,310(1):57-62.

[5] Yang En,Li lum ing.Magnetic field aberration induced by cycle stress[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials,2007,312(1):72-77.

[6] 宋凱,唐繼紅,鐘萬(wàn)里,等.鐵磁構(gòu)件應(yīng)力集中的有限元分析和磁記憶檢測(cè)[J].材料工程,2004,(4):40-42.

Song Kai,Tang Jihong,Zhong W an li,et al.Finiteelementanalysis andmagneticmemory testing o f ferromagnetism items[J].Journal of Materials Engineering,2004,(4):40-42.(in Chinese)

[7] 束德林.工程材料力學(xué)性能[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003:9-24.

[8] 鐘文定.鐵磁學(xué)(中冊(cè))[M].北京:科學(xué)出版社 ,1987:21-53.

[9] 任吉林,王東升,宋凱,等.應(yīng)力狀態(tài)對(duì)磁記憶信號(hào)的影響[J].航空學(xué)報(bào),2007,28(3):724-728.

Ren Jilin,W ang Dongsheng,Song Kai,et al.In fluence of stress state on magnetic memory signal[J].ACTA Aeronautica Et Astronautica Sinica,2007,28(3):724-728.(in Chinese)

[10] 董麗虹,徐濱士,董世運(yùn),等.金屬磁記憶技術(shù)檢測(cè)低碳鋼靜載拉伸破壞的實(shí)驗(yàn)研究[J].材料工程,2006(3):40-43.

Dong Lihong,Xu Binshi,Dong Shiyun,et al.Study on metalmagneticmemory signals of low carbon steel under static tension test condition[J].Jouran l o f Materials Engineering,2006(3):40-43.(in Chinese)

[11] 任尚坤,李新蕾,任吉林,等.金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)的物理機(jī)理 [J].南昌航空大學(xué)學(xué)報(bào),2008,22(2):11-17.

Ren Shangkun,Li Xin lei,Ren Jilin,et a l.Studies 0n physical mechanism o f metal magnetic memory testing technique[J].Journal o f Nanchang Hangkong University,2008,22(2):11-17.(in Chinese)

[12] 張衛(wèi)民,劉紅光,孫海濤.中低碳鋼靜拉伸時(shí)磁記憶效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究 [J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2004,24(7):571-574.

Zhang W eim in,Liu Hongguang,Sun Haitao.Magnetic memory effecto f low and medium carbon steel under static tension conditions[J].Transactions of Beijing Institute of Technology,2004,24(7):571-574.(in Chinese)

[13] 張玲華,鄭寶玉.隨機(jī)信號(hào)處理[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003:48-49.