軸向應力對鐵磁材料磁極性影響研究

董麗虹，薛 楠，徐濱士，王慧鵬，董世運

(裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室，北京100072)

具有中國特色的再制造是將廢舊產品通過專業化恢復或升級改造，使其性能不低于新品的制造過程［1-3］。再制造已列入我國戰略性新興產業，在各行業獲得迅速發展，再制造產品質量問題成為工程界關注的焦點［4］，依靠先進無損檢測技術監控再制造質量成為再制造產業健康發展的關鍵［5］。

金屬磁記憶技術是一種可以發現鐵磁材料應力集中部位的先進無損檢測方法，在早期損傷診斷方面極具潛力。磁記憶技術能夠發現鐵磁材料裂紋萌生前的隱性損傷，為管道、壓力容器、主承載構件的壽命評估提供理論依據，是進行再制造質量評價的重要無損檢測手段［6-10］。

金屬磁記憶技術在我國已經歷十余年發展，雖然在工程領域取得一些成功的應用經驗，但磁記憶檢測機理仍未澄清，目前的磁機械效應理論尚不能夠很好地解釋地磁場環境下應力對鐵磁材料磁性產生的影響［11-12］，致使不同的工程領域難以制定有效的檢測評估標準，建立基于金屬磁記憶技術的鐵磁機械零件再制造壽命評估方法仍需深入探索。

文獻［13-14］通過對靜載拉伸和疲勞試驗過程磁記憶信號的變化規律進行研究，發現外加應力能夠改變鐵磁材料的宏觀磁性能，彈性變形范圍內，隨應力增大，鐵磁試件磁性增強。文獻［15-16］的研究結果發現:在外加應力作用下，預制缺陷部位磁狀態發生改變，出現磁極性的正負反轉。研究者雖然報道了這一現象，但尚無更深入的試驗研究。磁極性反轉將影響磁記憶特征參量的處理分析，為提高金屬磁記憶技術進行再制造壽命評估的可靠性，有必要深入研究應力導致的磁極性反轉規律。

筆者通過對軸狀試件進行靜載拉伸試驗，研究應力及加載方向對磁極性的影響，根據微磁學及力學理論分析磁極性反轉誘因，以推動金屬磁記憶技術機理研究。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料選用Q235鋼。Q235鋼屬于普通碳素結構鋼，主要化學成分為Fe和C，C的質量分數為0.14%～0.19%。該材料強度較低，但具有良好的塑性和韌性，一般以型材供應，用來制造一般要求的機械零件及焊接件。

筆者采用Q235鋼圓柱靜載拉伸試件。沿圓柱軸線方向等間隔布置10個檢測點，檢測線總長度90 mm。試件尺寸及檢測點布置如圖1所示。

圖1 試件形狀及表面檢測點布置

1.2 試驗方法

圓柱靜載拉伸試件在MTS810型液壓伺服試驗機上試驗。試驗機靜態誤差為±0.5%。試件分為2組，一組試件加載方向固定，即恒采用正向加載，拉伸過程中試件A端始終裝卡于試驗機上夾頭內，試件B端裝卡于試驗機下夾頭內。施加軸向拉伸應力，到達預定應力值后卸載取下試件，將試件沿南北方向放置在非磁性三維掃描平臺上，試件A端指向南，B端指向北，采用EMS-2003型金屬磁記憶檢測儀采集各測點法向分量磁信號。檢測結束后試件裝夾于試驗機上，保持試件A端在上夾頭，試件B端在下夾頭，重新加載至更高載荷，重復上述檢測步驟，直至試件斷裂。另一組試件的加載方向不固定，正向和反向加載交叉進行。反向加載時試件A端裝卡在下夾頭中，試件B端固定于上夾頭中。反向加載條件下的檢測方式同正向加載，仍為試件A端指向南，B端指向北。每級加載下采用EMS-2003磁記憶檢測儀采集試件表面10個測試點的法向分量Hp(y)磁信號。

2 試驗結果

2.1 正向加載試件的磁極性變化規律

正向加載試件加載及檢測方式固定。軸向應力作用在具有一定長徑比的軸狀鐵磁試件上，產生等效磁場Hσ磁化試件，試件將呈現變化的弱磁性，其宏觀磁性類似于條形磁鐵，試件一端表現為正的磁極性，另一端為負的磁極性，point1和point10兩個檢測點具有最為強烈的正負磁極性，試件中間檢測點磁極性最微弱。

圖2為正向加載方式下，試驗過程中每級軸向應力加載后兩端測點point 1和point 10的磁極性變化。采集的point 1和point 10測點的Hp(y)信號是鐵磁試件自發產生的弱磁信號，兩測點Hp(y)信號幅值差代表了軸狀試件檢測段在軸向應力下呈現的最大正負磁極性。

圖2 正向加載試件的磁極性特征

由圖2可見:未加載前，point 1和point 10測點的Hp(y)信號幅值接近，表明初始狀態下軸狀試件未呈現明顯磁極性;隨著軸向應力增大，兩測點的Hp(y)信號的幅值差增大(虛線所示)，表明軸向應力作用下試件的磁性增強;加載至270 MPa時，兩測點磁極性差值達到647 A/m，此時材料發生屈服;繼續加載，材料塑性變形增大，兩測點磁極性差值輕微下降，直至390 MPa試件斷裂，斷裂前386 MPa軸向應力加載后檢測試件磁極性差值為590 A/m。

由上述試驗現象可知:單一加載方向的試驗條件下，試件在整個拉伸過程顯示相同的磁極性。磁極性幅值差在彈性變形階段持續增加，塑性變形階段略有下降。

2.2 正反向交替加載試件磁極性變化規律

正反向交替加載試件的檢測方式與正向加載試件相同，只是在預定的某一級應力下分別進行正向和反向加載，觀察試件反轉加載方向對磁極性的影響。圖3給出三級典型應力下正反向加載后各測點Hp(y)信號幅值。第1級應力6 MPa，第2級應力133 MPa，這2級應力均為彈性應力，加載時試件發生彈性變形，卸載后變形恢復。第3級應力380 MPa，接近試件的抗拉強度，在此應力作用下試件發生不可恢復的塑性變形。加載順序為6 MPa正向、6 MPa反向、133 MPa正向、133 MPa反向、380 MPa正向、380 MPa反向。

圖3 正反向加載試件的測點Hp(y)信號分布

由圖3可見:正向加載和反向加載試件A、B兩端呈現的磁極性相反，正向加載A端為負極性，B端為正極性，反向加載磁極性與之相反。

未加載前，試件各測點初始信號幅值范圍位于地磁場量級(±40 A/m)，施加6 MPa正向應力后，試件的宏觀磁性明顯增強，point1測點磁極性為負，point10測點磁極性為正，兩點磁極性幅值差絕對值達到206 A/m;隨后調轉試件的夾持方向，施加6 MPa的反向應力，按照相同的檢測方式檢測，發現試件的磁極性反轉，point1測點磁極性為正，point10測點磁極性為負，兩點磁極性幅值差絕對值67 A/m。

133 MPa和380 MPa正反向順序加載后磁極性變化規律與6 MPa加載相同。三級應力正反向順序加載后試件兩端測點磁極性幅值差絕對值如表1所示。

表1 試件三級正反向順序加載后磁極性幅值差

對試件進行正向和反向順序加載，試件的磁極性發生逆轉。每一級應力水平下，正向加載在前，反向加載在后，正向加載試件獲得的磁極性幅值差絕對值大于反向加載。

2.3 正反向加載次數及加載順序的影響

為深入分析正反向加載后磁極性反轉影響因素，在單一方向加載過程中增加同一應力的反復加載次數，并且調換正反加載順序，研究試件磁極性的變化。

圖4給出先經一輪6 MPa正向和反向順序加載，再經3次6 MPa正向加載條件下試件各測點的Hp(y)信號變化。圖4顯示第1次6 MPa正向加載后，試件獲得的磁極性最強。隨后的一次反向加載使試件磁極性反轉，試件呈現較正向加載弱的磁極性特征。第2次6 MPa正向加載雖然再次逆轉試件的磁極性，但其磁極性受反向加載影響，幅值差明顯小于第1次正向加載。第3次正向加載使試件磁極性繼續增強，但仍未達到第1次正向加載后的幅值。第4次正向加載獲得的磁極性幅值差與第3次正向加載基本重疊。后續如繼續正向加載相同軸向應力，試件各測點信號仍與第4次正向加載基本重疊，接近但是仍完全未達到第1次正向加載試件獲得的磁極性。

圖4 加載次數對試件磁極性的影響

由圖4可知:某一應力水平下，經歷一輪反向加載，試件磁極性發生反轉后，即便在同一應力水平下多次重復正向加載，仍不能完全恢復到第1次正向加載的磁極性水平。

為進一步明確加載順序對試件磁極性的影響，設計試驗在133 MPa進行先正向后反向一輪順序加載后，提高應力水平，改變加載順序，在380 MPa應力條件下先反向重復3次加載，再正向380 MPa加載，獲得的試件磁極性變化如圖5所示。

圖5 改變正反向加載順序試件弱磁性變化

試件在133 MPa反向加載基礎上繼續反向加載380 MPa，試件磁極性顯著增大。重復3次380 MPa的反向加載，各測點Hp(y)信號值重合，point 1和point 10測點的磁極性差絕對值達420 A/m。而后再進行380 MPa的正向加載，試件獲得的磁極性顯著弱于反向加載，兩端測點磁極性差絕對值為326 A/m。

由圖5可以得到結論:不改變加載順序條件下，在同一方向上多次重復加載測點磁信號幅值基本不變;如先反向再正向加載，則反向加載獲得的磁極性顯著大于正向加載。

3 分析討論

目前學術界和工程界公認產生磁記憶現象有2個主要因素:外加應力和地磁場。外加應力能夠產生等效磁場Hσ，地磁場在確定的經度緯度條件下保持恒定。

試驗機MTS加載時上夾頭固定不動，依靠下夾頭施加軸向拉伸應力。試驗過程中將試件調轉夾持方向，不改變試件在試驗機上下夾頭內垂直夾持的空間狀態。按照力學作用力和反作用力原理分析，正向和反向加載試件沿軸向都受到相同的應力作用。夾持狀態下，軸向應力產生的等效磁場Hσ相同，但由于試件夾持方向相反，在試件內部引起相反的磁疇取向;試驗時地磁場He相同，由于試件夾持方向相反，地磁場對試件磁極性產生相反方向的影響。試件夾持狀態下應力及地磁場對試件磁極性影響如圖6所示。

圖6 加載時應力與地磁場對試件磁性影響

檢測時試件已卸載，2種加載條件下試件的檢測方式相同。加載應力等效磁場Hσ對試件磁極性的影響卸載后仍被保留，檢測時地磁場He對試件的影響相同。圖7為檢測時應力及地磁場對試件磁極性影響。

圖7 檢測時應力與地磁場對試件磁性影響

由于試驗采集的信號均是在卸載狀態下測得，地磁場對2種加載方式的試件磁極性影響相同，地磁場信號微弱，可略去不計。正向和反向加載造成的試件不可恢復的磁極性差異主要由應力導致。2種加載方式分別使試件磁疇結構產生相反的取向，因此兩端呈現相反的磁極性。

當加載方向不變時，每級應力能夠驅動的磁疇結構數量一定，因此產生的磁極性幅值差絕對值一定，在該級載荷下即使多次重復加載，鐵磁材料的宏觀磁極性不變(見圖5重復反向加載)。

當加載方向改變時，必須抵消前一輪加載方向誘發的相反磁疇結構取向的影響，逆轉磁疇結構的取向，如果2種加載方向施加的應力值相等，即使多次重復加載，也只能使一些容易逆轉的磁疇結構方向調轉，使試件的磁極性略有回升，但仍將有個別磁疇結構的取向不能逆轉，最終獲得的試件宏觀磁極性較不改變加載方向呈現的磁極性弱(見圖4正反向順序加載)。

4 結論

筆者針對加載方向、應力大小導致的鐵磁試件磁極性反轉規律開展了試驗研究。當前后加載方向相同時，試件的磁極性不變，加載應力大小決定試件磁極性的強弱。在加載方向相同、加載應力相同的條件下，重復加載次數對試件的磁極性無影響。

當前后加載方向改變時，試件將產生相反的磁極性。分析認為:施加的反向應力需要逆轉已形成的磁疇結構取向，重復反向加載能夠驅動更多磁疇反轉，加載次數增多使反向磁極性略有增強，但不能恢復到首次正向加載的磁極性水平。

上述研究結果為對利用金屬磁記憶技術進行再制造壽命評估提供理論依據。今后將進一步深入研究應力類型、幅值與磁極性的量化關系。

［1］ 徐濱士.再制造與循環經濟［M］.北京:科學出版社，2007.

［2］ 徐濱士.裝備再制造工程的理論與技術［M］.北京:國防工業出版社，2007.

［3］ 徐濱士.綠色再制造工程的發展現狀和未來展望［J］.中國工程科學，2011，13(1):4-10.

［4］ 徐濱士，劉世參，史佩京.再制造工程的發展及推進產業化中的前沿問題［J］.中國表面工程，2008，21(1):1-6.

［5］ 徐濱士.中國再制造工程及其進展［J］.中國表面工程，2010，23(2):1-6.

［6］ Dubov A A.Diagnostics of Boiler Tubes with Usage of Metalmagnetic Memory［M］.Moscow:Energoatomizdat，1995.

［7］ 冷建成，徐敏強，邢海燕，等.鐵磁構件磁記憶檢測技術的研究進展［J］.材料工程，2010(11):88-93.

［8］ 張衛民，Dubov A A，孫海濤，等.高強度鋼磨削時的金屬磁記憶現象初探［J］.兵工學報，2005，26(3):375-378.

［9］ 董麗虹，徐濱士，董世運，等.金屬磁記憶技術用于再制造毛坯壽命評估初探［J］.中國表面工程，2010，23(2):106-111.

［10］ 董世運，徐濱士，董麗虹，等.金屬磁記憶技術用于再制造毛坯壽命預測的試驗研究［J］.中國表面工程，2006，19(5):71-75.

［11］ 李路明，王曉鳳，黃松嶺，等.磁記憶現象和地磁場的關系［J］.無損檢測，2003，25(8):387-389.

［12］ 王歡，康宜華.磁記憶現象與應力場的關系［J］.2006，28(10):526-528.

［13］ 董麗虹，徐濱士，董世運，等.拉伸及疲勞載荷對低碳鋼磁記憶信號的影響［J］.中國機械工程，2006，17(7):742-745.

［14］ 尹大偉，徐濱士，董世運，等.中碳鋼疲勞試驗的磁記憶檢測［J］. 機械工程學報，2007，43(3):60-65.

［15］ Dong L H，Xu B S，Dong S Y，et al.Monitoring Fatigue Crack Propagation of Ferromagnetic Materials with Spontaneous Abnormal Magnetic Signals［J］.International Journal of Fatigue，2008，30(9):1599-1605.

［16］ Li L M，Huang S L，Wang X F.Magnetic Field Abnormality Caused by Welding Residual Stress［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2003，26(1):385-391.