基于巴克豪森效應的預應筋應力檢測試驗研究

李 匯，王學國，何國武

中國十五冶金建設有限公司（435000）

基于巴克豪森效應的預應筋應力檢測試驗研究

李 匯，王學國，何國武

中國十五冶金建設有限公司（435000）

基于巴克豪森噪聲效應的應力檢測方法是一種新型的無損檢測方法，巴克豪森噪聲特征依賴于材料的微觀組織結構與應力狀態。采用與現場材質、組織狀態、晶粒度等相同的預應力筋進行張拉試驗研究，可獲得巴克豪森噪聲與張拉應力的對應關系，得到巴克豪森噪聲與應力的標定曲線。

巴克豪森噪聲；預應力；應力檢測

預應力筋是預應力混凝土結構的關鍵受力構件,預應力筋在張拉及服役使用過程中,由于多種因素會產生預應力損失，造成預應力水平的降低和預應力分布的不均勻。預應力筋的應力分布及其變化會直接影響結構承載能力,若不能及時準確地了解和掌握其應力狀態和變化規律,就難以正確地評價結構的整體性能。預應力筋的應力狀態監測是大型預應力結構健康監測的關鍵,也是當前監測技術中的難點和亟待解決的主要問題。

目前國內外預應力測試方法主要有:錨端預應力測試、混凝土壓應變間接測試、預應力直接測試、無損超聲測試。其中無損測試技術因不破壞結構并能實現在線檢測而被廣泛應用于眾多領域。基于巴克豪森效應的磁測法是一種新型的無損檢測方法——利用鐵磁材料的磁化特性檢測鐵磁材料構件表面缺陷、次表面顯微組織及應力狀態變化，近幾年已廣泛應用于汽車、航空航天和冶金機械設備等制造業的在檢測，其精度、靈敏度和可靠性均比傳統的無損探傷方法優越[1]。該方法可對鐵磁材料的殘余應力、服役應力及疲勞壽命等進行在線、無損、定向檢測。

1 磁巴克豪森噪聲MBN

鐵磁材料包含著許多小磁疇,每個磁疇都有一個特定的自發磁化方向,各磁疇之間由一個被稱為疇壁的邊界分開[2]。在無外界因素作用下,每個磁疇沿其易極化的結晶方向取向,其總體磁化效果為零；當有外加交變磁場或應力作用時，磁疇沿其作用方向發生反轉或沿磁疇壁移動,磁疇的不可逆運動和疇壁的不可逆跳躍式位移,使鐵磁材料表面釋放連續的高頻脈沖電壓信號，這些信號由德國物理學家Barkhausen教授于1919年發現[3]。利用法拉第電磁感應原理，鐵磁材料表面的接收線圈會接收到磁疇錯動釋放的抖動脈沖電壓和噪音，經放大、濾波、抑制及信號處理，形成特征的磁巴克豪森噪聲（MBN）。

圖1是磁疇未磁化的結構示意圖,箭頭代表每一個磁疇的磁矩方向，磁疇按疇壁兩側磁矩方向可分為180°和90°疇壁（2個相鄰磁疇的方向相反，2疇間的疇壁稱為180°疇壁；2個相鄰磁疇的磁化方向垂直，稱為180°疇壁）。目前比較公認的看法是MBN主要源于180°疇壁的不可逆運動、90°度疇壁的不可逆運動和磁疇的不可逆轉動[4]。

研究表明，材料的MBN 信號強烈依賴于材料的彈性變形，MBN的特征可以反映材料磁疇結構和磁疇的運動規律。一般認為，對具有正磁致伸縮系數的材料（如鋼材），磁疇磁矩位于拉應力方向時，磁彈性能最低，因此拉應力將使磁疇趨于應力的方向排列,這樣應力方向上的180°疇壁不可逆位移產生的巴克豪森信號強。相反，在壓應力作用下，為了使磁彈性能降低，與應力方向成90°疇壁擴大，而180°疇壁減小，從而導致磁化時巴克豪森信號減弱[5]。MBN的強度對材料的微觀結構、晶粒度、晶體缺陷及所受應力狀態等因素比較敏感。其中，當其他因素相對固定時，若試樣上的拉應力越大，MBN信號的強度越高；壓應力越大，MBN信號的強度越低[6]。利用材料的這個特性，通過測量MBN信號的強度，就可以確定試樣中的應力大小。

2 預應力筋應力檢測試驗設計

試驗設備:張拉臺座、錨具、千斤頂、Rollscan250磁彈儀、20 MHz示波器。

張拉材料:預應力鋼筋采用12根鋼絲捻制而成的15.2 mm的高強低松弛預應力鋼鉸線（化學成分如表1）,強度標準值fptk=1 860MPa，張拉控制應力 σcom=0.75fptk，彈性模量 E=1.95×105MPa。

試驗在室溫環境下進行，采用先張法施加預應力，測試系統如圖2所示。測試系統對鋼鉸線進行分級加載，直至張拉控制應力。Rollscan250磁彈儀采用電壓脈沖時域范圍內的均方根來描述巴克豪森信號強弱變化，并以MP值表示噪聲強度大小。測量時，將磁彈儀的探頭固定于鋼絞線表面，測量方向與加載方向相同，調節儀器的磁化參數，使其輸出量MP的分辨率為最大。記錄張拉過程中巴克豪森噪聲輸出信號強度隨張拉力的變化,從而標定出巴克豪森噪聲信號與應力大小之間的關系曲線。

表1 鋼絞線化學成分

3 試驗檢測結果分析

巴克豪森效應在測試系統傳感探頭產生的感應電壓為微伏量級,可通過調節磁彈儀可調節參數使有用信號得以放大，干擾信號得到抑制。本試驗取磁化參數為45，信號檢測頻率70～150 kHz（試驗發現，對應力變化較敏感的MBN頻帶在50～150 kHz之間[7]），測量深度為0.07 mm，用數字存儲示波器記錄巴克豪森噪聲的波形，采樣時間為。測量時，將示波器的探頭接到儀器的信號輸出端和地線,調節示波器的時間、電壓調節旋鈕，觀測巴克豪森噪聲輸出信號。巴克豪森噪訊經檢波后輸出給數據采集系統,然后進行信號分析處理,測試顯示結果為幾個磁循環的巴克豪森信號的均方根值，即MP值。表2為試驗測試所獲得的巴克豪森噪聲強度MP值。

表2 巴克豪森噪聲強度測試數據

對表2所測得的數據進行回歸分析,根據離散點分布特征，選擇三次多項式作為回歸分析模型，因此實測鐵磁材料磁巴克豪噪聲強度MP值與張拉應力的關系式為:

式中:Y—巴克豪森噪聲強度MP值；

X—預應力筋張拉應力；

a，b，c，d—由測試數據確定的回歸系數值。

圖3即為磁巴克豪森噪聲強度MP值隨預應力筋張拉應力變化曲線。由圖可知巴克豪森噪聲與應力呈非線性關系，巴克豪森噪聲強度隨著張拉應力的增大而增強。

4 結語

巴克豪森噪聲的強度不僅與構件所受的應力有關，而且與材料的組織狀態、硬度、晶粒尺寸及表面狀況有關[8]，采用磁彈性法測量鐵磁構件中的應力，必須進行標定試驗。標定試樣的材質、組織狀態、晶粒度、表面硬度及表面狀態必須與將進行現場實測的鐵磁材料相同。本試驗中采用與現場預應力構件中預應力筋材質一致的預應力筋試樣，通過試驗研究確定巴克豪森噪聲與張拉應力的對應關系，得到同種顯微組織下巴克豪森噪聲強度與張拉應力的標定曲線。將現場實測預應力筋中的巴克豪森噪聲強度值與標定曲線進行對比,就可以實現預應力筋應力大小及分布的現場測量。

[1]王獻鋒,李紅濤.巴克豪森噪聲無損檢測技術[J].測量與儀器,2003,(8):27～28.

[2]紀洪廣,沙海飛,等.巴克豪森效應在金屬錨桿荷載檢測中的實驗[J].煤炭科學技術,2005,33(6):40～42.

[3]盧誠磊,倪純珍,等.巴克豪森效應在鐵磁材料殘余應力測量中的應用[J].無損檢測,2005,27(4):176～178.

[4]尹何遲,顏煥元,等.磁巴克豪森效應在殘余應力無損檢測中的研究現狀及發展方向[J].無損檢測2008,30(1):34～36.

[5]王威,王杜良,等.鋼鐵材料結構構件工作應力的檢測方法及特點[J].鋼結構,2004,19(5):43～46.

[6]張家棟,李強,等.利用巴克豪森效應測量轉向架焊接構架殘余應力[J].機車車輛工藝,2009,(2):1～4.

[7]祁欣,劉殿魁.應力對磁、聲Barkhausen噪訊頻譜特征的影響[J].哈爾濱工程大學學學報,1998,19(4):13～18.

[8]苗莉莉,張新.磁彈性法無損測試轉向架殘余應力分布的試驗研究[J].鐵道車輛,2009,47(2):1～3.