結構不連續(xù)處應力與磁記憶檢測信號的量化關系

楊 斌，李紅梅，孫海東，張安康，鐘開敏，王闖龍

(北方民族大學 機電工程學院，銀川 750021)

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結構不連續(xù)處應力與磁記憶檢測信號的量化關系

楊 斌，李紅梅，孫海東，張安康，鐘開敏，王闖龍

(北方民族大學 機電工程學院，銀川 750021)

磁記憶檢測技術被廣泛用來定性識別鐵磁性構件中的應力集中區(qū)，但由于受結構不連續(xù)處漏磁場的影響，磁記憶檢測信號與應力的定量關系仍需研究。通過制作結構不連續(xù)鐵磁性材料試樣，對其施加不同程度的彈性應力，再對不同應力作用后試樣的剩磁場進行了檢測，比對了應力和磁記憶檢測信號特征參數(shù)的定量關系，明確了應力對磁記憶檢測信號的量化作用。

結構不連續(xù)；應力；磁記憶檢測；量化關系

磁記憶檢測方法可快捷有效地檢測出構件中宏觀缺陷出現(xiàn)前的應力集中區(qū)，且該方法不需外加磁場磁化，不需表面處理，對受負載構件的早期結構損傷識別具有極大的優(yōu)越性，極具工程應用價值[1]。磁記憶檢測時，構件在工作載荷和地磁場作用下，其內(nèi)部發(fā)生磁疇組織定向和不可逆的重新取向，在應力集中區(qū)形成漏磁場；通過檢測漏磁場的法向分量，進而確定構件發(fā)生低載破壞前的應力集中區(qū)位置。但該技術目前僅適用于鐵磁性構件中應力集中區(qū)位置的準確查找，其物理作用機理和漏磁場與應力的關系還不明確，制約其定量檢測應力狀態(tài)。

近些年，國內(nèi)外學者們對力磁效應問題進行了大量的試驗和理論研究，JILES于1995年研究了應力-磁場之間的數(shù)值關系,并建立了著名的J-A模型[2]。同年，JOHN[3]測量了在無外磁場條件下，應力對試件表面剩磁場的影響，但只是定性地表明應力與磁場之間存在相關性。哈爾濱工業(yè)大學冷建成等[4]研究了磁記憶信號與應力之間的關系，得出了磁記憶信號和工作應力之間具有較好的相關性結論，但應力和磁場的關聯(lián)尚不明晰。北京科技大學權大赫等[5]提出了貫穿所有變形階段的力磁耦合模型，研究了不同變形階段金屬磁記憶信號的變化,并進行了有限元模擬，但沒有定量確定磁記憶特征參數(shù)與應力的關系，且試驗結果缺乏試驗驗證。郭鵬舉等[6]研究了低碳鋼拉伸過程中表面磁信號的變化，給出了磁記憶信號隨拉伸應力變化的規(guī)律，但應力與表面磁場大小一一對應關系不明確。

筆者以普通鐵磁材料Q235鋼為研究對象，利用其制作了人工缺陷試樣，對試樣施加不同程度的彈性應力，分別測量其在不同應力下的表面漏磁場信號，分析了表面漏磁信號與應力的相關性，明確了磁記憶檢測特征參數(shù)與應力的量化相關性。

1 試驗過程

試樣選材為普通鐵磁材料Q235鋼，試樣制作的尺寸如圖1所示。試樣的長、寬、高分別為193，28，15 mm。為實現(xiàn)對結構不連續(xù)處漏磁場的檢測，在試樣中間位置進行人工切槽。槽的尺寸為：寬1 mm，深4 mm。考慮到材料及試樣在加工制作過程中可能產(chǎn)生殘余應力，對試樣進行了去應力退火處理。退火工藝為：加熱到500 ℃→保溫2 h→隨爐冷卻，消除了殘余應力的影響。

圖1 試樣的外形、尺寸及測量區(qū)域示意

在室溫條件下，用WDD-LCG-150力爾電子拉扭多功能材料試驗機對試樣進行彈性拉伸。試樣的拉伸方向為試樣長度方向(定義為y方向)，加載速率為0.6 mm·min-1。試驗采用隧道磁電阻(TMR)磁傳感器芯片對漏磁場法向分量Bz進行測量，探頭垂直于試件表面裝卡，并固定在三維掃查臺的主軸上。掃查臺主軸帶動探頭在與試樣表面平行的測量區(qū)域內(nèi)進行Bz的掃描，掃查方向為試樣長度方向。為減小意外誤差對檢測信號的影響，以及方便后續(xù)數(shù)據(jù)處理時降低噪聲，每次拉伸后，采用試樣寬度方向(x方向)間隔2 mm、沿著長度方向?qū)z進行掃查，總共掃查了14條Bz方向的信號。掃查探頭提離距離固定為3 mm，測量區(qū)域如圖1所示。

在試驗開始前測量地磁場的信號，以消除地磁場對測量結果的影響。且對試樣進行第1次拉伸之前，采用消磁器對其進行消磁處理，消除加載前試樣的磁化效果。拉伸試驗采用載荷控制加載，試驗中對試樣進行了6次彈性拉伸，試樣彈性拉伸參數(shù)如表1所示。拉伸過程同時考慮了彎矩對試樣產(chǎn)生的正應力作用，即總的應力等于軸向加載載荷F產(chǎn)生的拉應力σ1=F/S和軸向載荷在缺陷槽處產(chǎn)生的彎矩M對應的正應力σ2=M·y/Iz之和。以上，S為缺陷槽處截面積，y為槽底距離槽截面中性軸距離，Iz為槽截面慣性矩。加載過程中彈性應力σ1與時間關系曲線如圖2所示。最大加載總應力為120 MPa，小于Q235鋼的彈性極限值180～200 MPa。

圖2 彈性拉伸應力與時間關系曲線

參數(shù)加載數(shù)/次123456實際施加載荷F/N3717．567432．0411149．614864．0818581．6422299．64載荷產(chǎn)生正應力σ1/MPa7．9315．8723．8031．7439．6747．60彎矩產(chǎn)生拉應力σ2/MPa12．0724．1336．248．2660．3372．40總應力σ/MPa20406080100120

2 試驗結果

2.1 磁記憶檢測信號

對試樣施加不同的彈性載荷并卸載后，采用TMR線性探頭對結構不連續(xù)處規(guī)定區(qū)域表面漏磁場的法向分量Bz進行測量。對檢測Bz信號濾波后，取14列的平均值，并對槽中心左右-10～10 mm范圍內(nèi)的Bz信號進行截取，不同應力下測量路徑上磁場法向分量如圖3所示。由圖可知，在不同應力下，試樣表面漏磁場法向分量Bz(y)在-0.25×10-4～0.2×10-4T之間，且在彈性變形階段，隨著應力的增大，結構不連續(xù)處表面漏磁場法向分量Bz也增大。

圖3 不同應力下測量路徑上磁場法向分量曲線

圖4 不同應力下測量路徑上磁場法向梯度曲線

圖5 不同應力下測量路徑上磁場法向二階導數(shù)曲線

2.2 應力與磁記憶檢測信號特征參數(shù)之間的定量關系

由以上試驗結果可知，隨著彈性拉伸應力的增大，結構不連續(xù)處表面磁感應強度逐漸增大。為了更進一步明確應力與漏磁場之間的定量關系，以漏磁場法向分量Bz的特征參數(shù)定量表征試樣應力集中的程度。試驗提取了磁場法向強度的最大值與最小值之差，繪制了其與應力的關系曲線。如圖6所示，表面磁感應強度與應力接近線性增長的關系。拉伸應力從20～120 MPa增大時，對應幅值由0.35×10-4T遞增到0.418×10-4T，表明該曲線可實現(xiàn)對應力的定量判定。

圖6 磁場法向分量峰峰值與應力的關系

但也有試驗表明[6]，在彈性拉伸應力下，試件表面磁場強度隨拉伸應力的增大而逐漸減小。對此研究者給出的解釋是,磁場強度隨外力的變化到底是增大還是減小與初始磁化強度有關[7]。當初始磁化強度較大時，隨著拉伸應力的增大，試樣表面磁場強度減小，應力起到消磁作用。當初始磁化強度較小時，表面磁場強度隨拉伸應力的增大而增大，應力促進了磁化的進行。這與試驗相吻合，在試驗之前，對試樣進行消磁處理，試樣初始磁化強度較小，應力導致了其磁化的加強。

圖7 磁場法向梯度與應力的關系

圖8 磁場法向分量二階導數(shù)峰峰值與應力的關系

為了獲取更多有關磁記憶檢測信號特征參數(shù)與應力之間的關系，又提取了試樣結構不連續(xù)處表面磁場法向梯度最大值、磁場法向分量二階導數(shù)的最大值與最小值的差，分別繪制出了其與應力之間的關系曲線，如圖7，8所示。由圖可見，應力由20～120 MPa遞增時，表面磁場法向梯度峰值呈較好的線性增加[8]，磁場法向分量二階導數(shù)的峰峰值整體上隨應力的增大也呈增大的趨勢，明確了磁記憶信號特征參數(shù)與應力之間的定量關系。其中，表面磁場法向梯度峰值與應力的線性表征效果最佳，磁場法向分量二階導數(shù)的峰峰值較易受不確定因素影響。

3 結論

(1) 鐵磁性材料結構不連續(xù)處應力與磁記憶檢測信號的定量關系是存在的，由此證明了通過檢測材料表面的漏磁場信號，提取特征參數(shù)，就能夠識別其結構不連續(xù)的位置、應力的有無和應力的大小。

(2) 應力越大，漏磁場的磁感應強度越大。也就是說隨著應力的增大，材料被極化的強度也就越大。此外，應力增大，漏磁場的法向梯度幅值、法向分量的二階導數(shù)峰峰值也隨之增大。

[1] DUBOV A A. A study of metal properties using the method of magnetic memory[J]. Metal and Heat Treatment,1997, 39(9/10):401-405.

[2] JILES D C. Theory of the magnetomechanical effect[J]. J. Phys. D: Appl. Phys. 1995, 28(8) :1537-1546.

[3] JOHN W,TIAN Gui-yun,SIMON B.Residual magnetic field sensing for stress measurement[J].Sensors and Actuators,2007, A135:381-387.

[4] 冷建成, 徐敏強, 李建偉，等.磁記憶信號與應力之間的關系[J].哈爾濱工業(yè)大學學報,2010,42(2):232-235.[5] 權大赫, 丁紅勝, 金光秀.彈塑性變形階段力磁效應的有限元模擬[J].測試技術學報,2015,29(3):200-207.

[6] 郭鵬舉, 陳學東, 關衛(wèi)和，等. 低合金鋼拉伸過程中的表面磁信號分析[J]. 磁性材料及器件, 2011, 42(5): 51-53.

[7] DONG L H, XU B S, DONG S Y, et al. Stress dependence of the spontaneous stray field signals of ferromagnetic steel [J]. NDT&E International, 2009, 42: 323-327.

[8] 李沖沖,董麗虹，王海斗.靜載拉伸過程中三維磁記憶信號的變化特征[J].無損檢測， 2015,37(8):3-7.

Quantitative Relationship of Stress with Metal Magnetic Memory Testing Signal on Discontinuous Structure

YANG Bin, LI Hong-mei, SUN Hai-dong, ZHANG An-kang, ZHONG Kai-min, WANG Chuang-long

(School of Mechanical Engineering, Beifang University of Nationalities, Yinchuan 750021, China)

In engineering, stress concentration is the major factor leading to the discontinuities and destruction of the structure at a very low load. Meanwhile, the discontinuity of structure in turn easily leads to the gathering of stress concentration, accelerates the expansion of the scope of structural discontinuity and destruction. Thus, identification of stress on the discontinuous structure is essential to ensure the security of the structure. Magnetic memory testing technology is widely used to qualitatively identify the stress concentration zone in ferromagnetic structure. But owing to the leakage of the magnetic field in the discontinuous structure, the quantitative relationship between stress and magnetic memory testing signal has not yet been clear. Based on the above background, a ferromagnetic material specimen with discontinuous structure was made in the present study. Varying degrees of tensile elastic stress were applied into the specimen, and corresponding residual magnetic field signals of specimen were tested. Finally, the quantitative relationship between stress and the magnetic memory signal is compared. The quantitative effect of stress on magnetic memory signal is thus becomes clear.

Discontinuous structure；Stress；Magnetic memory testing；Quantitative relationship

2016-06-22

國家自然科學基金資助項目(51367001;51507005)

楊 斌(1987-),男，碩士研究生，主要從事高校實驗室相關的工作。

李紅梅，E-mail:lihongmei@nun.edu.cn。

10.11973/wsjc201611009

TG115.28

A

1000-6656(2016)11-0041-04