疲勞裂紋擴(kuò)展的金屬磁記憶信號(hào)特征

金 寶，邸新杰，張建軍，李 偉

（1天津大學(xué) 天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072；2中國(guó)石油天然氣蘭州工程質(zhì)量監(jiān)督站，蘭州730060）

鐵磁材料由于其優(yōu)良性能，已廣泛用于航空、鐵路、管道、電站、壓力容器、石油工程等焊接結(jié)構(gòu)，并且不斷向大型化和高參數(shù)的方向發(fā)展。在長(zhǎng)期承受交變載荷作用的結(jié)構(gòu)中，疲勞失效是一種主要的破壞形式。在疲勞過程中，應(yīng)力集中會(huì)導(dǎo)致裂紋、腐蝕、蠕變，是導(dǎo)致疲勞斷裂的主要來源。疲勞斷裂過程可以分為裂紋的萌生、裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展及失穩(wěn)斷裂三個(gè)過程［1］。由于疲勞斷裂時(shí)的應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料靜載下的強(qiáng)度極限，且在沒有明顯塑性變形的情況下突然斷裂，造成災(zāi)難性的后果，因此對(duì)在役構(gòu)件進(jìn)行裂紋檢測(cè)／監(jiān)測(cè)的研究具有重要意義。

金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)是由Dubov于1997提出的一種新的損傷檢測(cè)方法。金屬磁記憶檢測(cè)方法的物理基礎(chǔ)是磁機(jī)械效應(yīng)，處于地磁環(huán)境下的鐵磁構(gòu)件受工作載荷的作用，其內(nèi)部會(huì)發(fā)生具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向的和不可逆的重新取向，通過理論分析可知［2］，在應(yīng)力與變形集中區(qū)形成的漏磁場(chǎng)切向分量Hp（x）具有最大值，法向分量Hp（y）改變符號(hào)且具有零值點(diǎn)。這種應(yīng)力作用下的磁狀態(tài)不可逆變化在載荷消除后繼續(xù)保留，從而通過漏磁場(chǎng)法向分量Hp（y）的測(cè)定，便可推斷工件應(yīng)力集中和損傷部位［3－5］。

本工作通過Q235B鋼缺口試件加載疲勞載荷，在疲勞過程中測(cè)量試樣表面磁記憶信號(hào)，研究了磁記憶信號(hào)在疲勞循環(huán)過程中的變化規(guī)律，利用磁機(jī)械效應(yīng)理論解釋了循環(huán)初始階段磁記憶信號(hào)變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料為Q235B鋼，其化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1所示。疲勞試樣形式及尺寸如圖1所示，在試樣的中心缺口處用線切割制出約1mm的缺口，并在試件表面畫出起始測(cè)量的位置以及三條平行測(cè)量線路，各通道之間的距離為15mm，提離值為1mm。試樣在制造及加工后未對(duì)其進(jìn)行去應(yīng)力及退磁處理。

表1 Q235B鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）及力學(xué)性能Table1 Chemical composition（mass fraction／%）and mechanical properties of Q235Bsteel

圖1 疲勞試樣形狀示意圖及測(cè)量線Fig.1 Fatigue specimen shape and measurement lines

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)過程中，首先將試樣裝夾于INSTRON1343型電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上，設(shè)定加載波形為方波，最大載荷為120kN（200MPa），應(yīng)力比為0.5，加載頻率為3Hz。加載后，每循環(huán)1000次中斷，用低倍放大鏡觀察試樣是否出現(xiàn)裂紋，用TSC－1M－4型金屬磁記憶檢測(cè)儀沿著試件表面測(cè)量線路在線測(cè)量其磁記憶信號(hào)，然后繼續(xù)加載，宏觀裂紋出現(xiàn)后，每循環(huán)500次中斷，并在線測(cè)量磁記憶信號(hào)，繼續(xù)加載，直至試件斷裂，典型磁記憶信號(hào)如圖2～4所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2～4給出了不同循環(huán)次數(shù)時(shí)各測(cè)量線的磁記憶信號(hào)變化規(guī)律，由圖可見，在循環(huán)初始階段（N1050），試樣表面有一隨機(jī)分布的磁記憶信號(hào)。試驗(yàn)過程中，裂紋從16000次循環(huán)加載時(shí)開始擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展13mm時(shí)，裂紋尖端和測(cè)量線2的距離為2mm，試件發(fā)生失穩(wěn)斷裂。測(cè)量線2在各循環(huán)次數(shù)下的磁記憶信號(hào)分布曲線逐漸在30mm左右處相交，磁記憶信號(hào)強(qiáng)度隨著循環(huán)次數(shù)的增加略有減小。測(cè)量線3各循環(huán)次數(shù)下的磁記憶信號(hào)分布曲線沒有相交的現(xiàn)象，其磁記憶信號(hào)強(qiáng)度逐漸減小，測(cè)量線2與測(cè)量線3在各循環(huán)次數(shù)下的磁記憶信號(hào)分布曲線之間變化較小。測(cè)量線1在各循環(huán)次數(shù)下的磁記憶信號(hào)分布曲線發(fā)生明顯變化，如圖4，在循環(huán)初始階段（N1050），試件表面磁記憶信號(hào)有多個(gè)波峰波谷；經(jīng)過5000次循環(huán)加載后，磁記憶信號(hào)曲線轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸粋€(gè)波峰波谷的曲線波形；在循環(huán)穩(wěn)定階段，磁記憶信號(hào)曲線趨于穩(wěn)定；當(dāng)宏觀裂紋出現(xiàn)后，磁記憶信號(hào)曲線波形發(fā)散；最后階段，磁記憶信號(hào)逐漸增強(qiáng)。測(cè)量線2、測(cè)量線3與測(cè)量線1在不同循環(huán)次數(shù)下其磁記憶信號(hào)分布曲線變化不同，這是由于測(cè)量線1位于試件缺口處，在循環(huán)加載下，缺口處應(yīng)力最大，在該處發(fā)生裂紋的萌生與裂紋的擴(kuò)展，導(dǎo)致磁場(chǎng)變化最大。測(cè)量線2距離缺口處15mm，由于應(yīng)力集中效應(yīng)，其各循環(huán)次數(shù)下的磁記憶信號(hào)曲線逐漸在30mm左右處相交，在測(cè)量過程中，由于裂紋未擴(kuò)展至測(cè)量線2，其各磁記憶信號(hào)曲線與初始循環(huán)階段磁記憶曲線相似，有多個(gè)波峰波谷，變化不顯著。測(cè)量線3距離缺口處30mm，在測(cè)量過程中缺口及裂紋擴(kuò)展引起的應(yīng)力集中對(duì)其影響很小，其各循環(huán)次數(shù)下的磁記憶信號(hào)曲線在30mm左右處沒有出現(xiàn)相交的現(xiàn)象。

圖2 測(cè)量線2各循環(huán)次數(shù)下磁記憶信號(hào)的變化關(guān)系Fig.2 Magnetic memory signal variation according to different cycles of line 2

圖3 測(cè)量線3各循環(huán)次數(shù)下磁記憶信號(hào)的變化關(guān)系Fig.3 Magnetic memory signal variation according to different cycles of line 3

圖4 測(cè)量線1各循環(huán)次數(shù)下磁記憶信號(hào)的變化關(guān)系（a）初始階段；（b）穩(wěn)定階段；（c）裂紋開始擴(kuò)展；（d）裂紋擴(kuò)展至試樣斷裂Fig.4 Magnetic memory signal variation according to different cycles of line 1（a）initial stage；（b）stable stage；（c）cracks begin to propagate；（d）cracks propagate to the sample fracture

由于測(cè)量線2與測(cè)量線3距離缺口較遠(yuǎn)，在裂紋擴(kuò)展過程中，其磁記憶信號(hào)變化不顯著，本工作主要分析測(cè)量線1在不同循環(huán)次數(shù)下磁記憶信號(hào)的變化規(guī)律，從圖4可以看出，各循環(huán)次數(shù)時(shí)的磁記憶信號(hào)曲線在30mm左右處相交，這與試件切口位置相符，表明磁記憶信號(hào)可以很好的檢測(cè)試件缺陷位置。信號(hào)交點(diǎn)的位置與零點(diǎn)存在一定的偏離，與理論分析得出的“零點(diǎn)準(zhǔn)則”并不一致，這是由于試件在制造和加工時(shí)引起的殘余磁化造成的。將疲勞循環(huán)過程中試件表面各點(diǎn)的磁記憶信號(hào)減去第一次檢測(cè)時(shí)各點(diǎn)的磁記憶信號(hào)，部分?jǐn)?shù)據(jù)處理結(jié)果如圖5。由圖5可見，數(shù)據(jù)處理后，各循環(huán)次數(shù)下磁記憶信號(hào)曲線交于30mm處，并過零點(diǎn)，與理論分析所得的“零點(diǎn)準(zhǔn)則”相符。

圖5 磁記憶信號(hào)處理后過零點(diǎn)位置Fig.5 Zero－crossing position of the treated magnetic memory signal

在初始循環(huán)階段，試件表面產(chǎn)生隨機(jī)分布的初始磁記憶信號(hào)的原因一方面是由于試件材料的微觀不均勻性，另一方面，在試件加工及輸運(yùn)過程中，材料曾承受的切削、磨削、沖擊、震動(dòng)等外載荷的作用都會(huì)導(dǎo)致材料表面磁場(chǎng)信號(hào)的變化，從而產(chǎn)生無規(guī)律的初始磁記憶信號(hào)。由圖4（a）可見，磁記憶信號(hào)強(qiáng)度Hp（y）由1050次循環(huán)時(shí)的－14～45A／m降低到5000次循環(huán)時(shí)的－8～30A／m，這個(gè)過程趨向于退磁過程。研究表明，磁化過程不但取決于應(yīng)力，而且與非磁滯磁化有關(guān)［6］。根據(jù)“逼近準(zhǔn)則”，當(dāng)初始磁化大于非磁滯磁化時(shí)，外加應(yīng)力將會(huì)導(dǎo)致疇壁脫釘。由于非磁滯磁化是磁疇能量最低狀態(tài)［7］，在外加應(yīng)力作用下磁化趨向于非磁滯磁化狀態(tài)［6，8，9］，從而導(dǎo)致 Hp（y）值降低。

根據(jù)文獻(xiàn)［10，11］，試樣表面的有效磁場(chǎng)為：

式中：H為地磁場(chǎng)強(qiáng)度；α為分子場(chǎng)參數(shù)；M為磁化強(qiáng)度；Hσ為由應(yīng)力引起的附加磁場(chǎng)。

磁記憶檢測(cè)主要利用的是由應(yīng)力引起的附加磁場(chǎng)，可以用以下公式計(jì)算［11］：

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率；λ為磁致伸縮系數(shù)；σ為外加應(yīng)力；υ為材料泊松比；θ為外加應(yīng)力σ軸向與磁場(chǎng)H軸向的夾角。

在本試驗(yàn)中，取θ＝26.5，υ＝0.25，從而，附加磁場(chǎng)可以寫為：

根據(jù)文獻(xiàn)［11］，λ的經(jīng)驗(yàn)值可用式（4）表示：

因此有：

γ1（0）＝7×10－18m2·A－2，

γ′1（0）＝－1×10－25m2·A－2·Pa－1，

γ2（0）＝－3.3×10－30m2·A－4，

γ′2（0）＝2.1×10－38m4·A－4·Pa－1

因此，附加磁場(chǎng)可以寫為式（6）的形式：

試樣初始磁化 M 一般小于163.24A／m［10］，由式（6）可知，當(dāng)應(yīng)力大于70MPa時(shí)，Hσ＜0，與未考慮施加應(yīng)力時(shí)的有效磁場(chǎng)符號(hào)相反，因此，由附加磁場(chǎng)引起的磁化與初始磁化相反，隨著應(yīng)力的增加，試件表面散射磁場(chǎng)降低。

本試驗(yàn)過程中的最大應(yīng)力為200MPa，應(yīng)力比為0.5，因此在一次循環(huán)加載過程中，應(yīng)力為100～200MPa，大于70MPa，試件表面的散射磁場(chǎng)降低。在循環(huán)加載過程中，由于磁彈性效應(yīng)［4］（如圖6所示），在Δσ作用下，每經(jīng)一次循環(huán)加載后，應(yīng)力引起磁化增加ΔMHσ，如此循環(huán)反復(fù)，將導(dǎo)致應(yīng)力致磁化不斷增加，且與初始磁化相反，因此，試件整體磁化減小，這與試驗(yàn)結(jié)果相符。

查閱手冊(cè)可知［13］，在試樣中心缺口處其應(yīng)力集中系數(shù)為2.9，因此，試樣中心的附加磁場(chǎng)遠(yuǎn)大于試件整體的附加磁場(chǎng)。在磁彈性效應(yīng)作用下，試件中心由應(yīng)力引起的磁化增加量ΔMHσ遠(yuǎn)大于試件整體的磁化增加量，當(dāng)循環(huán)加載一定時(shí)，由應(yīng)力引起的磁化ΔM大于初始磁化，試樣中心的初始磁場(chǎng)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，如圖4（a），在30mm處，循環(huán)次數(shù)為5000時(shí)的梯度與循環(huán)次數(shù)為1050時(shí)的梯度符號(hào)相反。

圖6 鐵磁物質(zhì)的磁彈性效應(yīng)Fig.6 Magneto－elastic effect of ferromagnetic material

出現(xiàn)宏觀裂紋時(shí)，試樣表面磁記憶信號(hào)由磁飽和時(shí)的穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)榘l(fā)散，且強(qiáng)度逐漸降低，如圖4（b），（c）。圖7是用磁記憶信號(hào)曲線波形的波峰值hp（y）max與波谷值hp（y）min之差，即：

圖7 Hp（y）sub隨循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系Fig.7 Hp（y）subvariation according to different cycles

得到的1通道峰－峰值Hp（y）sub與循環(huán)周次的變化規(guī)律。由圖可見，在出現(xiàn)宏觀裂紋前，Hp（y）sub值基本不變，宏觀裂紋出現(xiàn)后，Hp（y）sub值近似線性減小，裂紋擴(kuò)展到一定時(shí)，Hp（y）sub值近似指數(shù)增加。圖8是1通道磁記憶信號(hào)經(jīng)處理后的磁記憶信號(hào)梯度最大值Kmax與循環(huán)周次的變化規(guī)律，其中：

式中：ΔHp（y）為磁記憶信號(hào)檢測(cè)線上相鄰兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)間Hp（y）的之差；Δx為相鄰兩個(gè)磁記憶信號(hào)檢測(cè)點(diǎn)間的距離。由圖8可知，出現(xiàn)宏觀裂紋前，Kmax基本不變，宏觀裂紋出現(xiàn)后，Kmax由5A·m－1·mm－1快速降低到1.5A·m－1·mm－1，隨后近似指數(shù)增加。

圖8 信號(hào)處理后Kmax值與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.8 Kmaxvariation of the treated magnetic memory signal according to different cycles

當(dāng)微觀裂紋在疲勞載荷的作用下發(fā)展為宏觀裂紋時(shí)，造成該處磁導(dǎo)率急劇降低。這是因?yàn)樵谕饧討?yīng)力作用下，在該處產(chǎn)生磁疇的固定節(jié)點(diǎn)，裂紋處磁荷逐漸累積，形成磁極［14］，并與試件本身磁極相反。根據(jù)磁荷的觀點(diǎn)，磁荷與退磁場(chǎng)Hd是互為因果的，退磁場(chǎng)的方向與磁化強(qiáng)度方向相反，當(dāng)材料均勻磁化時(shí)，材料內(nèi)的退磁場(chǎng)可以寫成：

式中：N為退磁因子，M為磁化強(qiáng)度［4］。

產(chǎn)生宏觀裂紋時(shí)，在裂紋兩端面形成N，S極，磁荷分布于裂紋端面。由式（9）可知，在裂紋局部由于磁極的產(chǎn)生將引起與磁化強(qiáng)度相反的退磁場(chǎng)，從而使該處磁場(chǎng)強(qiáng)度降低，造成裂紋處表面磁記憶信號(hào)強(qiáng)度降低。因此，試件表面檢測(cè)到的磁記憶信號(hào)發(fā)散，Hp（y）sub與Kmax降低。利用該降低點(diǎn)可以檢測(cè)／監(jiān)測(cè)宏觀裂紋的產(chǎn)生，但尚需進(jìn)行進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

（1）未經(jīng)處理的試樣沿缺口處在疲勞初始階段磁記憶信號(hào)隨機(jī)分布，循環(huán)加載一定后，磁記憶信號(hào)曲線轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸粋€(gè)波峰－波谷的曲線波形。

（2）應(yīng)力大于70MPa時(shí)，由附加磁場(chǎng)引起的磁化與初始磁化相反，由于磁彈性效應(yīng)，試件表面散射磁場(chǎng)降低。在試樣缺口位置，由于應(yīng)力集中效應(yīng)，該處附加磁場(chǎng)急劇增加，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試樣中心由附加磁場(chǎng)引起的磁化增加量大于初始磁化，導(dǎo)致試件中心表面散射磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)。

（3）宏觀裂紋出現(xiàn)后，在裂紋局部產(chǎn)生磁極，形成退磁場(chǎng)，導(dǎo)致磁記憶信號(hào)曲線波形發(fā)散。

［1］冷建成，徐敏強(qiáng)，王坤，等.基于磁記憶技術(shù)的疲勞損傷監(jiān)測(cè)［J］.材料工程，2011，（5）：26－29.LENG Jian－cheng，XU Min－qiang，WANG Kun，et al.Monitoring fatigue damage using magnetic memory technique［J］.Journal of Materials Engineering，2011，（5）：26－29.

［2］WANG Z D，YAO K，DENG B，et al.Theoretical studies of metal magnetic memory technique on magnetic flux leakage signals［J］.NDT ＆E International，2010，43（4）：354－359.

［3］DOUBOV A A.Express method of quality control of a spot resistance welding with usage of metal magnetic memory［J］.Weld World，2002，46：317－320.

［4］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.REN Ji－lin，LIN Jun－ming.Metal Magnetic Memory Testing Technology［M］.Beijing：China Electric Power Press，2000.

［5］任吉林，鄔冠華，宋凱，等.金屬磁記憶檢測(cè)機(jī)理的探討［J］.無損檢測(cè)，2002，24（1）：29－31.REN Ji－lin，WU Guan－h(huán)ua，SONG Kai，et al.Study on the mechanism of metal magnetic memory testing［J］.Nondestructive Testing，2002，24（1）：29－31.

［6］LENG Jian－cheng，XU Min－qiang，XU Ming－xiu，et al.Magnetic field variation induced by cyclic bending stress［J］.NDT ＆E International，2009，42（5）：410－414.

［7］JILES D C，ATHERTON D L.Theory of ferromagnetic hysteresis［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，1986，61（1－2）：48－60.

［8］LENG Jian－cheng，XU Min－qiang，ZHOU Guo－qiang，et al.Effect of initial remanent states on the variation of magnetic memory signals［J］.NDT ＆E International，2012，（52）：23－27.

［9］GUO Peng－ju，CHEN Xue－dong，GUAN Wei－h(huán)e，et al.Effect of tensile stress on the variation of magnetic field of low－alloy steel［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2011，323（20）：2474－2477.

［10］YANG En，LI Lu－ming，CHEN Xing.Magnetic field aberration induced by cycle stress［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2007，312（1）：72－77.

［11］JILES D C.Theory of the magnetomechanical effect［J］.Journal of Physics D（Applied Physics），1995，28（8）：1537－1546.

［12］KURUZAR M E，CUUITY B D.The magnetostriction of iron under tensile and compressive stress［J］.International Journal of Magnetism，1971，1（4）：323－325.

［13］彼得森R E.應(yīng)力集中系數(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1988.PETERSON R E.Stress Concentration Factor［M］.Beijing：National Defence Industry Press，1988.

［14］DONG Li－h(huán)ong，XU Bin－shi，DONG Shi－yun，et al.Monitoring fatigue crack propagation of ferromagnetic materials with spontaneous abnormal magnetic signals［J］.International Journal of Fatigue，2008，30（9）：1599－1605.