低合金鋼彈塑性變形狀態(tài)的磁記憶檢測

（合肥通用機械研究院，合肥 230031）

低合金鋼廣泛應(yīng)用于壓力容器及結(jié)構(gòu)件，在實際應(yīng)用中由于自身重量或工作環(huán)境的影響常發(fā)生塑性變形，使材料不能保持原有的形狀和尺寸，影響正常工作，因此檢測出低合金鋼構(gòu)件何時屈服有著重要的實際應(yīng)用價值。

Q345R鋼為鐵磁性材料，在力磁效應(yīng)作用下，對其施加拉伸應(yīng)力會出現(xiàn)磁性能的改變，利用這一特性來判斷構(gòu)件的彈塑性狀態(tài)是一個有意義的研究課題。但目前常用的磁參數(shù)（如矯頑力、剩磁和磁滯回線的特征等）往往存在以下缺點［1]：一是磁參數(shù)變化對施加應(yīng)力的靈敏度較低；二是難以對較大構(gòu)件進行檢測。磁記憶技術(shù)可以檢測地磁環(huán)境中鐵磁性材料表面的磁場強度和梯度，設(shè)備輕便、操作簡單，能對較大的構(gòu)件進行快速檢測。

磁記憶技術(shù)可檢測出應(yīng)力集中部位，通過應(yīng)力集中部位磁信號特征變化可對構(gòu)件的彈塑性狀態(tài)加以區(qū)分。目前，對拉伸過程中試件表面磁信號隨外力的變化關(guān)系進行了較多研究，發(fā)現(xiàn)試件磁場強度Hp隨外力增大有不同的變化趨勢［2－5]，但其磁場梯度K的變化趨勢相同，一般表現(xiàn)為先隨外力增大變化較小，在外力接近屈服應(yīng)力時增大較快，并在屈服應(yīng)力下達到最大值，接著隨外力的進一步增大而有所降低。由這些研究可知用K的大小能判斷拉伸試件的彈塑性狀態(tài)。但以往研究多是離線檢測（將試件取下后進行測量［2－6]，檢測表面平行于地面），這時試件不受其他部件磁信號的影響；而實際檢測中，某些構(gòu)件屬于設(shè)備的一部分，各部位之間磁信號互有干擾，因此，有必要研究磁記憶技術(shù)在線檢測（試件仍放置在試驗機上，檢測表面垂直于地面）時試件磁信號的變化規(guī)律。

筆者對Q345R試件進行了拉伸試驗，對其表面磁記憶信號分別進行在線檢測和離線檢測，并給出了HP、最大磁場梯度Kmax、平均磁場梯度Kave及強屈評價因子最大值mmax隨拉伸應(yīng)力和塑性應(yīng)變的變化規(guī)律。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗以正火態(tài)Q345R為研究對象，屈服強度在400 MPa左右，其主要化學(xué)成分如下：0.12%C，0.33%Si，1.35%Mn，0.015%P，0.003%S。按照GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》標(biāo)準加工成厚約6 mm的光滑板狀試件，如圖1所示。拉伸試驗前將試件在惰性氣體氣氛、650℃熱處理30 min，以降低初始磁信號的影響。

圖1 試件尺寸圖

1.2 試驗方法

采用SHT 4505型多功能試驗機對試件進行拉伸試驗，當(dāng)施加應(yīng)力小于屈服應(yīng)力時，以10 MPa/s的加載速率施加載荷。在試驗過程中，當(dāng)載荷達到預(yù)先設(shè)定值時，采用磁記憶儀分別進行在線檢測和離線檢測，接著將試件加載至更高的載荷進行相同的檢測。試驗對三個試件進行了拉伸試驗，均在380 MPa達到屈服。當(dāng)施加應(yīng)力大于屈服應(yīng)力時，采用位移控制，在不同的塑性應(yīng)變下進行磁記憶檢測。塑性應(yīng)變大小按式ε＝（l－l0）/l0計算，l0為試件的平行長度；l為拉伸后試件的平行長度。離線檢測時，試件沿南北方向放置。

用TSC－1 M－4型應(yīng)力集中磁檢測儀采集表面磁信號，每次信號采集控制在90 s內(nèi)完成。利用MM－System對HP進行分析，得到不同狀態(tài)下試件的Kmax，Kave和mmax值。

1.3 判斷參數(shù)

Dubov等通過試件的靜載拉伸試驗和疲勞試驗，得到材料處于危險狀態(tài)時的極限強屈評價因子mlim與力學(xué)性能間存在如下關(guān)系［7]：

式中σt和σy分別為試件的抗拉強度和屈服強度；Klim為構(gòu)件趨于條件強度極限時的磁場梯度；K y則為屈服應(yīng)力下的磁場梯度。Dubov等認為當(dāng)檢測數(shù)據(jù)得到的mmax大于式（1）計算值時，試件處于危險狀態(tài)［7]。試驗前期對兩Q345R軸狀試件進行了力學(xué)性能測試，按式（1）計算得到mlim的平均值為2。

用MM－System進行數(shù)據(jù)處理時，檢測區(qū)域的最大值mmax是按式（2）計算得到的。

式中Kave為所有應(yīng)力集中區(qū)的平均磁場梯度；Kmax為所有應(yīng)力集中區(qū)的最大磁場梯度。當(dāng)mmax＞mlim時，應(yīng)該對構(gòu)件引起注意。

2 試驗結(jié)果

由于沿兩條測量線檢測所得結(jié)果相近，文章只給出其中一條的測量結(jié)果。

2.1 在線檢測

在線檢測中，彈性變形階段HP信號隨載荷增加和塑性變形階段HP信號隨應(yīng)變增加的變化都不明顯，均在－100～60 A/m之間，但其HP過零點位置和HP曲線形狀有很大不同（圖2）。彈性變形階段，HP信號過零點位置集中在距檢測起始點30 mm左右，HP與檢測位移近似成線性關(guān)系；屈服后，HP沿檢測位移呈“S”型曲線關(guān)系，不同應(yīng)變下的HP過零點位置不同，較為分散。

圖2 HP沿檢測位移的變化

Kmax，Kave及mmax在屈服前后有不同程度的變化（圖3）。當(dāng)外力小于屈服應(yīng)力時，Kmax，Kave及mmax隨外力增加變化較小，接近屈服應(yīng)力時，Kmax由320 MPa時的3.0升高至380 MPa時的4.3，Kave由2.0降為1.5，mmax則由1.5升至3.0，即三個參數(shù)在屈服應(yīng)力下發(fā)生了突變。屈服后，隨應(yīng)變的增大，Kmax和Kave有所降低，mmax則在整個塑性變形階段大于2.0。

圖3 Kmax，Kave，mmax隨載荷及塑性應(yīng)變的變化規(guī)律

2.2 離線檢測

圖4所示為離線檢測時HP與檢測位移的變化關(guān)系。HP曲線沿檢測位移的變化規(guī)律主要表現(xiàn)在兩個方面：一是HP過零點位置的變化。試件發(fā)生彈性變形時，HP過零點位置隨拉伸應(yīng)力的增大而不斷變化，塑性變形后，排除試件伸長和測量過程中的誤差引起HP過零點位置的變化，HP過零點位置較為集中，且與試件斷裂點相重合；二是HP強弱的不同。彈性階段，HP在所有載荷下均在－100～100 A/m之間，屈服后HP明顯增強，在本試驗中均在－300～300 A/m。

圖4 HP沿檢測位移的變化

圖5 Kmax，Kave及mmax隨拉伸應(yīng)力及塑性應(yīng)變的變化規(guī)律

離線檢測時，試件的Kmax，Kave隨拉伸的進行有相同的變化趨勢（圖5）。當(dāng)外力小于240 MPa時，Kmax和Kave隨應(yīng)力的增大變化較小，當(dāng)外力大于240 MPa時，Kmax和Kave隨應(yīng)力增大而逐漸增強，進入屈服后，Kmax，Kave有急劇的增大，Kmax最大為12.2。隨塑性變形的增加，Kmax，Kave有所降低，但與彈性變形階段相比仍具有較高數(shù)值。在整個拉伸過程中mmax均小于2.0。

3 試驗分析

3.1 利用HP磁信號判斷試件彈塑性狀態(tài)

在兩種情況下，HP信號強度和HP曲線形狀有不同的變化趨勢。在線檢測時，HP信號強度在－100～60 A/m之間變化，屈服前后變化不大，而其沿檢測位移的曲線形狀發(fā)生了改變，由屈服前的近似線性關(guān)系變?yōu)椤癝”型曲線關(guān)系，因此可通過HP曲線屈服前后的形狀改變來預(yù)測試件的變形狀態(tài)。

與在線檢測不同，離線檢測時，在整個拉伸過程中HP與檢測位移進行成線性關(guān)系，且屈服前后HP信號強度發(fā)生了很大改變，由屈服前的－100～100 A/m增大到屈服后的－300～300 A/m，故此時可通過HP信號強弱來判斷試件是否發(fā)生了塑性變形。

在線檢測和離線檢測時，HP沿檢測位移的不同變化可能與以下兩點有關(guān)：一是試驗機其它部件亦為鐵磁性材料，經(jīng)過長期使用其本身磁信號對試件產(chǎn)生影響［8]；二是地磁場對HP的影響。地磁場是矢量場，在水平方向和豎直方向有不同的數(shù)值，因此試件水平放置（卸載取下后）和豎直放置（在試驗機上）時，地磁場會對試件有不同的影響。

3.2 利用Kmax和mmax判斷試件彈塑性狀態(tài)

在線檢測時，Kmax在彈性變形階段變化很小，在屈服應(yīng)力發(fā)生了突變，由350 MPa時的3.0增大到380 MPa時的4.3，屈服后隨塑性變形的增大Kmax稍有降低，甚至比在彈性變形時數(shù)值還低，mmax在屈服前小于2.0，屈服后大于2.0，因此可由mmax大小來判斷試件是否已經(jīng)屈服。

離線檢測時，彈性變形階段Kmax變化較小，在屈服后Kmax有較高的數(shù)值，可用Kmax大小來判斷試件的彈、塑性狀態(tài)。由于整個試件都處于較高的應(yīng)力狀態(tài)，因此試件大部分區(qū)段都有較高的K值，使得Kave較高，因此mmax較小。

在線檢測和離線檢測時，磁記憶特征參數(shù)隨應(yīng)力增大有不同的變化趨勢，可用來判斷試件的變形狀態(tài)。實際檢測中，應(yīng)將HP曲線形狀、HP信號強弱、Kmax和mmax大小等綜合考慮來判斷構(gòu)件的彈塑性狀態(tài)，以避免其他部位信號的干擾影響判斷。

4 結(jié)論

（1）在試驗機部件和地磁場的影響下，在線檢測和離線檢測時需要用不同的磁特征參數(shù)來判斷試件的拉伸彈塑性狀態(tài)。在線檢測時，可用HP曲線形狀變化和m大小來判斷；離線檢測時，可用Hp強弱及Kmax大小來判斷。

（2）磁記憶特征參數(shù)與塑性應(yīng)變量大小沒有一一對應(yīng)關(guān)系，僅能大致判斷是否已經(jīng)發(fā)生塑性變形，而不能準確判斷塑性應(yīng)變的大小。

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