Q235鋼在扭轉載荷作用下的磁化反轉效應

任尚坤,黃 隱,習小文,趙珍燕,段振霞

(南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室， 南昌 330063)

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Q235鋼在扭轉載荷作用下的磁化反轉效應

任尚坤,黃 隱,習小文,趙珍燕,段振霞

(南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室， 南昌 330063)

磁記憶檢測技術是近期發展起來的可早期發現金屬檢測試件損傷的新的無損檢測方法，研究磁化反轉效應可以解決磁記憶檢測技術中的基礎問題和應用瓶頸。通過反復地加載和卸載，測量了Q235低碳鋼試件在不同的扭矩作用下，表面固定點磁感應強度隨扭矩變化的對應關系。試驗結果表明，在彈性階段，磁感應強度B與扭矩T近似成直線關系。當扭矩T達到或超過屈服扭矩(39.98 N·m)之后，磁感應強度B與扭矩T的關系表現為先增大后減小。隨著屈服過程向圓心的轉移，磁感應強度差值ΔB的差距進一步加大。在接近抗拉扭矩后，磁感應強度差值ΔB的變化量進一步增大。試驗得出：試件的磁感應強度在扭矩作用下，存在磁化反轉效應，并對扭轉過程中的力-磁關系做出了簡單的評價。

磁化反轉;力-磁關系;金屬磁記憶;扭轉

進入21世紀以來，現代工業正日益向高速、高載、高頻的方向發展，零件、材料在使用過程中經常發生失效問題。對材料使用前期進行有效地無損檢測，可以避免或減少惡性事故的發生。在前期的檢測過程中，金屬磁記憶檢測[1-2]是迄今為止對金屬部件進行早期診斷行之有效的無損檢測方法之一，對避免破壞性事故的發生具有重要意義。鐵磁性材料在地磁場、應力、內部組織相互作用下，材料表面會產生漏磁場，磁記憶檢測技術是通過對材料表面漏磁場的檢測來評價材料的損傷狀況。磁化反轉效應是力-磁效應、位錯磁化效應和磁疇組織效應的三種主要效應的結合[3]。對磁記憶的基本規律及機理的理解目前尚無統一定論，有待深入的研究和探索[4]。

關于研究力-磁效應的拉伸、疲勞試驗比較多[5-7]。任尚坤教授研究了鐵磁試件應力磁化過程中的磁化反轉效應，并建立了兩種應力磁化效應的應力等效磁場模型和磁導率數學模型[8-9]，但對扭轉作用下的磁化反轉效應的研究還未見報導。筆者通過扭轉試驗來研究力磁效應,本質上，拉伸與扭轉都是應力引起的材料內部晶粒的變化，從而導致的材料形變。拉伸過程是通過拉伸載荷的作用，導致構件截面的整體變形，其過程可以分為彈性、屈服、強化和頸縮四個階段。但構件的扭轉過程在扭矩的作用下表現為彈性、屈服和強化三個階段，并且其屈服過程是由表面逐漸向圓心擴展而形成環形塑性區的。當構件橫截面全部屈服后，試件才全面進入塑性階段。在屈服階段后期，扭矩基本不動或呈下降趨勢的輕微波動，而扭轉變形繼續增加。

1 試驗過程

采用深圳三思縱橫科技股份有限公司的電子扭轉試驗機在室溫下進行扭轉試驗。電子扭轉試驗機的主要參數為：試驗機級別為1級/0.5級；扭轉速度為6～720(°)·min-1；扭轉計扭角分辨力為0.004 5°;扭矩分辨力為最大扭矩的1/300 000 N·m。

采用美國LakeShore公司生產的421Gaussmeter弱磁場測量儀收集漏磁場數據。421Gaussmeter是LakeShore公司為適應永磁工業的動態變化而設計的，具有極快的反應速度，極高的分辨率和極佳的磁通密度測量重復性。測量范圍：10-9～30 T；準確度：0.2%；刷新率：18 次·s-1。試驗裝置如圖1所示。

圖1 試驗裝置外觀

試件采用Q235低碳鋼標準試件，試驗前對所有試件進行去應力退火。試件的尺寸示意如圖2所示。

圖2 試件斷面結構示意

試驗過程中用電子扭轉試驗機測量試件1的扭矩-轉角曲線，了解Q235低碳鋼的扭轉-轉角曲線和試件的彈、塑性變形規律。根據試件的扭轉-轉角曲線，設計試驗最大加載值。根據每次設計的加載梯度值進行加載試驗,每次加載到設定的加載值時，在線測量M點(位于整個構件長度的四分之一表面處)的漏磁場強度大小；設置合適的梯度(20 N·m時以1 N·m為梯度逐級變化；40，44，52 N·m時以2 N·m為梯度逐級變化；60，80 N·m時以5 N·m為梯度逐級變化)，重復試驗，反復進行加載-卸載過程四次，記錄每次測量所得的數據。

2 試驗結果及分析

圖3 Q235鋼扭矩-轉角曲線

試驗開始前，首先對試件1進行扭矩-轉角測試，測定該扭轉試樣的屈服強度、抗拉強度等重要數據。通過圖3完整的扭轉曲線發現：試件在扭轉的狀態下屈服強度為39.98 N·m，抗拉強度為82.86 N·m。因此39.98 N·m是彈性階段轉塑性階段的重要臨界點，對研究扭轉的力磁效應有重要影響。

(1) 扭矩在20 N·m時，試件處于彈性扭轉階段。

圖4(a)表示扭矩T在0～20 N·m范圍內反復加載和卸載時，第二次測量時點M上的磁感應強度B隨扭矩T的變化曲線。由圖4(a)可知：測量點M上的磁感應強度B隨扭矩T的增大而增大(正負號表示磁場方向)，二者成正比關系，并沒有表現出磁化反轉現象。在扭矩的加載過程中，近似于直線，在扭矩的加載和卸載過程中，二者用不同的曲線擬合，其斜率大致相當。這個過程中扭矩T增加，磁感應強度B相應地線性增大，變化率為1.9%，漏磁場的變化量與動態扭矩變化有關。

(2) 扭矩在40～44 N·m時，試件扭轉進入表面屈服階段。

圖4(b)、(c)分別表示扭矩T在0～40 N·m和0～44 N·m范圍內反復加載-卸載時，第三次記錄測量點M上的磁感應強度B隨扭矩T的變化曲線。由圖4(b)可知：測量點M上的磁感應強度B不是單一地隨著扭矩T的增長而變大，而是先隨著T急劇增大中間平穩過渡而后再急劇減小，表現出明顯的扭矩磁化反轉。加載過程中極值點在20～22 N·m處，而在卸載過程中極值點在8～10 N·m處。經歷了一次加載和卸載完成后，扭矩T在0 N·m時的磁感應強度差值ΔB相互接近，但是難以回到初始位置。其中加載過程中，在B的增大區間，扭矩T在0～40 N·m和0～44 N·m間漏磁場的磁感應強度變化率分別為1.3%,0.9%。

圖4 磁感應強度隨扭矩T的變化曲線

這是因為，當扭矩接近或達到了40 N·m時，隨著扭矩T的增大，與拉伸類似，試件內部相應的晶粒會出現位錯滑移，逐漸形成大量的滑移區，宏觀上表現為塑性變形，此時當扭矩達到了塑性區域后，引起了材料的部分硬化。而在卸載過程中，當外應力逐步消除后，晶粒內部原子的位錯滑移不能沿原路徑全部回復到初始狀態，只能部分返回初始狀態。但扭轉和拉伸又不相同，橫截面邊緣處的剪切應力先達到屈服極限，而且塑性區逐漸向圓心擴展，形成環形塑性區，但是中心部分仍是有彈性的，這是一個逐步轉變的過程。從圖4(b)、(c)可以看出，經歷了一次加載-卸載過程后，扭矩T在0 N·m時的磁感應強度差值ΔB差異不大，卸載完成后大部分漏磁場能返回至加載前的磁感應強度位置。說明目前的扭轉只是發生在試件表面及其以下區域，并沒有擴展至圓心區域。

(3) 扭矩在52～60 N·m時，試件扭轉已經達到圓心屈服階段。

圖4(d)、(e)分別表示扭矩T在0～52 N·m和0～60 N·m范圍內反復加載-卸載時，第三次記錄測量點M上的磁感應強度B隨扭矩T變化曲線。由圖4(d)、(e)可知：測量點M上的磁感應強度B隨著扭矩T的先平穩過渡然后緩慢增大，在30 N·m左右達到了極值后，急劇減小。在加載和卸載過程都出現明顯的磁化反轉效應，此時在加載和卸載過程中的極值點均在30 N·m。經歷了一次完整的加載-卸載后，扭矩T在0 N·m處加載前和卸載后的磁感應強度差ΔB變大，卸載后的磁感應強度難以回到初始加載時的位置。隨扭矩的增大、磁感應強度差ΔB的變化也在增大。說明試件在扭矩T的作用下已經形變完成，試件的屈服從試件表層向圓心處擴展直到整個界面幾乎都是塑性區。

從圖4(b)、(c)、(d)和4(e)可以看到，在不同扭矩T加載的情況下，其最大磁感應強度B的位置發生了明顯的轉移。當扭矩T在40，44，52,60 N·m時，加載過程中磁感應強度B最大值出現的位置分別是在20， 22， 30,30 N·m點處，呈現出逐漸增大的趨勢。這是因為試件處在塑性變形中，隨著扭矩載荷的加大，內部組織結構會發生明顯的變化，材料的硬化作用更加明顯，因此最大磁感應強度B的位置會發生明顯的轉移，且隨扭矩逐漸增大。這同重復加載同一材料，會使得材料的機械強度增強的原理類似。

(4) 扭矩在80 N·m時，試件扭轉已經接近抗拉扭矩。

圖4(f)表示扭矩T在0～80 N·m范圍內反復加載-卸載時，測量點M上的磁感應強度B隨扭矩T的變化曲線。其中圖4(f)是從第3次加載試驗開始，這之間加載-卸載循環過程的數據。由圖4(f)可知，此時扭矩已經接近抗拉強度82.86 N·m，磁感應強度B隨著扭矩T還是先緩慢地增大，最后急劇減小，存在明顯的磁化反轉。但是此時的加載-卸載曲線的趨勢已經出現了稍微的差別，加載過程中在15～35 N·m時出現了緩沖階段，而在卸載過程中沒有出現，只是在15 N·m出現了最大磁感應強度B。并且從圖4(f)看到，整個加載-卸載過程完成后，卸載后的磁感應強度B能夠恢復到加載起始時的磁感應強度值(數值相差僅0.005)，并沒有存在明顯的遲滯現象，但在圖4(b)～(e)的加載過程中都存在明顯的磁滯過程，即扭矩T在0 N·m處卸載后同加載前的磁感應強度B存在明顯的滯后，且隨著扭矩T的增大遲滯現象更加的明顯。這是因為扭矩的作用狀態決定了磁疇壁遷移的阻力。遲滯現象是磁疇壁不可逆遷移所產生的結果，當試件接近抗拉階段，內部磁疇壁阻力作用完全消除，此時，卸載后的磁疇壁受扭矩的作用能回復到原始位置。

3 結論

(1) 當扭矩T在20 N·m時，漏磁場與扭矩的相互對應為正比例關系，沒有表現出磁化反轉現象，此時漏磁場的變化量是與動態扭矩有關。

(2) 當扭矩T達到或超過了屈服扭矩(39.98 N·m)之后，磁感應強度B在扭矩T的作用下存在著明顯的磁化反轉效應，為扭轉過程中的力-磁關系做出了簡單的評價。

(3)當扭矩T超過屈服階段后，扭矩T在0 N·m處的漏磁場的磁感應強度差值ΔB進一步增加。

[1] DOUBOV A A. Diagnostics of metal items and equipment by means of metal magnetic memory[J]. NDT′99 and UK Corrosion′99, 1999，32: 287-293.

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[4] 任吉林, 林俊明, 任文堅,等. 金屬磁記憶檢測技術研究現狀與發展前景[J]. 無損檢測, 2012, 34(4): 154-159.

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[9] 李一, 任尚坤. 鐵磁試件靜載拉伸時應力磁化的反轉效應[J]. 鋼鐵研究學報, 2013, 25(3): 30-33.

Magnetizing Reversion Effect under Torsion Action of Q235 Steel

REN Shang-kun, HUANG Yin, XI Xiao-wen, ZHAO Zhen-yan, DUAN Zhen-xia

(Key Laboratory of Nondestructive Testing, Ministry of Education, Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063, China)

The metal magnetic memory technology is a recently developed new NDT method capable of the early detection of damages in test piece. Study on the magnetization reversal effect is to understand the basic principle of magnetic memory testing technology and to solve its application bottlenecks. By repeatedly loading-unloading the Q235 mild steel specimens under different torques, the magnetization value at surface fixed point was measured together with corresponding torques. The results show that at the elastic stage the magnetic flux densityBshows approximately linear relationship with torqueT. When the torqueTreaches or exceeds the yield torque (39.98 N·m), the relationship between them performs as increasing first and then decreasing. With the yield process transferring to the center, the gap magnetic flux density ΔBis further opened. After approaching the tensile torque, the amount of change in magnetic flux density ΔBis further increased. Test shows that there exists the magnetizing reversion effect in the specimen magnetic flux density under the effect of torque, and it may provide basis for the evaluation of the stress-magnetism relationship in the course of torsion action.

Magnetization reversal; Stress-magnetism relation; MMM; Reverse

2015-05-28

國家自然科學基金資助項目(51261023)

任尚坤(1963-)，男，教授，主要研究方向為電磁檢測技術及儀器。

黃 隱，E-mail:huangyin_0828@126.com。

10.11973/wsjc201611006

TG115.28

A

1000-6656(2016)11-0030-04