磁法檢測技術在應力檢測中的研究

吳冠霖+呂慶貴+齊昌超+張渺+李潮浪

摘 要 磁法檢測技術是通過對試件磁信號的檢測，對試件的壓力集中情況和疲勞損傷程度進行早期評估的一種新的檢測手段。該方法的使用可以正確反映待測試件應力的變化。為了精確測量試件的磁信號強度，在研制了高靈敏度磁矢量探頭檢測的試驗平臺的同時，建立了檢測信號與磁導率的關系算法。試驗發現，應力集中區域，會導致該區域與周邊的區域磁導率發生相應的差異，即隨著試件中所存在的殘余應力增加，所采集得到的磁信號強度也在增大。

關鍵詞 磁法技術 磁導率 壓力 磁信號 磁感應強度

中圖分類號：TG142.71 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2015.12.073

Abstract Magnetic is a technique by which can evaluate stress concentration and degree of fatigue damage by testing the permeability of ferromagnetic components. The technique can reflect the stress changes in component precisely. In order to measure the permeability accurately， the high sensitivity testing platform and the algorithm between the signal and the permeability are setup. The results demonstrate that the permeability and micro-strain of the material increase with the residual stress.

Key words magnetic technique； magnetic permeability； stress； magnetic signal； magnetic induction intensity

殘余應力是材料內部維持自身相互平衡的一種應力系統。①殘余應力的存在會對構件的相關性能產生直接的影響，②如機械性能、強度、抗腐蝕力、尺寸與使用壽命。在各工業領域如機械、水利水電、熱電核電、航空航天、石油化工、冶金、鐵路、交通等行業，③殘余應力測試技術及其應用研究始終受到高度重視。為此，各國研究者從不同的角度出發，針對殘余應力測試技術進行了研究。④

目前殘余應力檢測技術主要有以下幾種：射線衍射法、磁性法、超聲波檢測法及電子散班法等，⑤但這些方法都在不同程度上存在著局限性。1929年俄國學者AKCEHOB首先提出X射線應力測定構想，最終形成了成熟X射線衍射法，可是在實驗和實際應用過程中發現，該方法對檢測表面的要求比較高，穿透深度小，只有30 m左右，⑥且操作程序繁瑣。⑦中子衍射法是一種較新穎的檢測方法，但只有反應堆中才可以得到所需的熱中子流，且在反應堆或者中子加速器中，才能獲得較高分辨率，⑧儀器設備非常昂貴，同時測試條件要求非常高，因此在實際的測試及應用還存在許多困難。⑨而磁性法： 可靠性和精度都比較差，量值標定困難，對材質較敏感，且應用范圍較窄，僅只限于鐵磁材料。 超聲波法 對應力的檢測受到材料的性能、機械構件的形狀和組織結構影響， 測量的靈敏度相對較低， 同時須采用高精度設備及儀器進行測定聲速變化，測定過程較為煩瑣。 同樣只能對材料表面應力情況進行測量的電子散斑干涉法， 且對抗震性要求很高，及工作環境要求限制較大。

針對殘余應力的檢測中缺乏簡便而有效手段的問題，本文提出采用基于地球磁場的微磁檢測技術。該方法不受材料性質的限制，具有速度快、無輻射、操作簡單，同時可以對石羊內部和外部進行應力檢測。

1 微磁檢測原理

微磁檢測技術是利用高精度磁矢量傳感器，進而對檢測試樣表面不同區域的地磁場磁感應強度變化情況，以不同區域磁感應強度改變情況進而判斷試件中的殘余應力分布，并經過對數據處理和分析，預測試樣中應力較為集中的區域位置和應力分布的一種新穎無損檢測技術，是一種基于地磁場為磁源的被動式檢測技術。其基本原理是：

將構件置于以地磁場為背景環境中，若試樣中存在應力集中時，該區域與試樣的相對磁導率會產生一定程度的差異，為及。圖1所示，當試樣中存在應力集中，試樣表面所采集的磁感應強度B則會發生相應的變化；反之則會均勻分布，不會發生異常變化。

應力集中會對試樣所采集的磁感應強度產生不同程度的影響，當>時，如圖2（a）所示，試樣壓力集中區的磁感應強度信號值會顯示一個異常的向上凸起；當<時，就會在該位置使得磁感應強度信號值發生向下的凸起，如圖2（b）所示。

2 檢測系統結構框架圖

該應力檢測系統的采集磁信號傳輸框架圖如圖3：

系統中，使用CAN總線進行下位機與上位機之間的數據傳輸。基于CAN的可靠性和獨特的設計，以及采用了高性能的USB采集數據卡，保證了正常工作情況下，對檢測系統進行實驗時的數據采集和存儲。

3 實驗結果及分析

3.1 磁感應強度與應力大小變化

將試件放置在真空熱處理爐內，溫度設置在600℃，時間為0h、2h、4h、6h、8h、10h、12h。通過熱處理，改變試件中應力值情況，利用高精度應力測試儀，測定試件應力值大小，進而采集不同應力值下磁感應信號大小。通過實驗數據分析，在進行熱處理前，試件本身的壓應力較大。熱處理后，試件的應力逐漸變小，且可以發現恒溫4h后，與之前狀態相比較，應力減小程度大概為起始狀態的43%，之后隨著時間的增加，變化程度逐漸變小。圖4（a）顯示，通過對數據進行擬合發現，隨著熱處理時間的增加，磁信號逐漸變小，且開始變化幅度較大，恒溫8h之后幅度變化程度逐漸變小。

加載施壓實驗，壓力強度設定為160MPa，時間不同，分別設定為0h、2h、4h、6h、8h、10h、12h，通過對試件加載施壓，改變試件應力值情況，采集不同應力值下磁感應信號大小，繪制圖形，進而對數據擬合，如圖4（b）。經過相同的加載強度但時間不同，采集的磁感應信號與應力值數據分析，試件在初始2h、4h的加載時間下，應力值與磁感應信號強度變化較為明顯；加載8h、10h、12h之后，試件的應力值與磁感應信號強度變化較小。同時通過對數據分析可以發現，304不銹鋼板試件兩邊的邊緣磁信號強度變花不明顯。

將加載時間設定為2h，改變加載強度，分別為160MPa、165MPa、170MPa、175MPa、180MPa，通過高精度應力測試儀采集試件在不同加載強度后的試件應力情況，同時利用高精度磁矢量探頭對試件的磁信號進行采集，獲取應力大小與磁感應信號變化情況。對所采集的數據進行分析可以發現，170MPa加載強度后，試件的應力值變化程度加大，但非線性。對所收集的試件信號數據進行擬合，得出如圖4（c）所示數據。試件測試應力值與磁感應信號是正向關系，隨著試件應力值的增加，磁感應信號也在增大，但幅度不一，且可以看出在加載185 MPa后，與之前狀態相比較，應力增大較為明顯。

4 總結

研究表明，微磁檢測作為一種新的無損檢測技術，可以較好反應構件中應力狀態的情況，同時也可以對構件存在應力區域進行判別，對構件中應力分布及應力大小狀態的早期預判和堆疲勞損傷程度的早期評價具有重要意義。具體研究結論如下： （1）通過對微磁檢測技術原理的研究，并將該技術應用于304不銹鋼板殘余應力的監測，實現了對應力和疲勞損傷測定。將實驗結果進行對比，發現三種處理后所得結果一致，表明微磁檢測技術對殘余應力檢測的可行性。（2）應力集中區域，會導致該區域與周邊的區域磁導率發生相應的差異，磁信號強度與應力大小變化存在著一定的聯系，即隨著試件中所存在的殘余應力增加，所采集得到的磁信號強度也在增大。

注釋

① 沈軍，林波，遲永剛，等.殘余應力物理法測量技術研究狀況[J].材料導報，2012.26（19）：120-125.

② 王秋成，柯映林，邢鴻燕.板類構件內部殘余應力測試技術研究[J].浙江大學學報（工學版），2005.39（3）：381-384.

③ 王慶明，孫淵.殘余應力測試技術的進展與動向[J].機電工程，2011.28（1）：11-15，41.

④ Curfs C， Kipstein O， Studer A J， et al. Residual stress measurements in Australia： Present and future[J].Mater Sci Forum，2005，490-491：218-222.

⑤ STEINZIG M， TAKAHASHI T.Residual stress measurement using the hole drilling method and laser speckle interferometry part Ⅳ： measurement accuracy[J]. Experimental Techniques，2003.27（6）：59-63.

⑥ 陳勇，高德平，等.鈦合金平板電子束焊接殘余應力的小孔法測量[J].理化檢驗-物理分冊，2001.10（37）：18-20.

⑦ 陳會麗，鐘毅，王華昆，等.殘余應力測試方法的研究進展[J].云南冶金，2005.34（3）：52-54.

⑧ Schneider L C R， Hainsworth S V， Cocks A CF， et al. Neutron diffraction measurements of residual stress in a powder metallurgy component[J]. Scr Mater， 2005， 52（9）： 917-921.

⑨ 李峻宏，高建波，李際周，等.中子衍射殘余應力無損測量與譜僅研發[J].無損檢測，2010.32（10）：765-769.

謝大吉.磁測法測定殘余應力的研究.牡丹江全國第八屆實驗力學學術會議論文[R].1995.

劉致遠.磁致伸縮振動時效在消除金屬構件內應力上的應用[J].中國鑄造裝備與技術，2003（4）：16-18.

曾杰偉，蘇蘭海，徐立坪，等.逆磁致伸縮效應鋼板內應力檢測技術研究[J].機械工程學報，2014.50（8）：17-22.

亞敏.云紋干涉鉆孔法測量殘余應力的實驗研究與應用[D].清華大學，2003.

徐虹，滕宏春，崔波，等.殘余應力非破壞性測量技術的發展現狀簡介[J].理化檢驗-物理分冊，2003.39（11）：595-598.

Schmerr L M， Son S J. Ultrasonic nondestructive evaluation systems： Models and measurements[M].New York：Springer，2007.

陳玲玲，楊吟飛，何寧，等.基于電子散斑干涉術的殘余應力測量[J].傳感器與微系統，2010.29（1）：108-113.

Montay G， Sicot O， Maras A. Two Dimensions Residual Stresses Analysis through Incremental Groove Machining Combined with Electronic Speckle Pattern interferometry[J].Experimental Mechanics，2009（49）：459-469.