沖擊荷載對中碳鋼磁記憶信號的影響

冀 曉 華

(浙江大學建筑工程學院，浙江 杭州　310058)

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沖擊荷載對中碳鋼磁記憶信號的影響

冀 曉 華

(浙江大學建筑工程學院，浙江 杭州310058)

為彌補金屬磁記憶試驗的不足，通過相關自由落體試驗，研究了沖擊荷載對磁記憶檢測信號的影響，試驗發現，沖擊荷載對中碳鋼表面磁信號的影響與試樣沖擊作用面大小有關，試樣具有較大的初始磁場時，沖擊荷載對磁信號的削弱作用明顯，表現在磁場數值大幅減小及其分布形狀的改變上，沖擊作用面越大，沖擊荷載對試樣磁場的削弱作用越強。

金屬磁記憶，自由落體，沖擊荷載，沖擊作用面

0　引言

目前，金屬磁記憶檢測技術作為一種全新的無損檢測技術，受到了極大的關注[1-4]。該項技術基于鐵磁材料的力磁效應，當鐵磁構件在運行時受到載荷和地磁場的共同作用，會在應力集中處出現磁疇的固定結點，并在表面引起漏磁場。通過對該漏磁場的檢測可以對構件的應力集中部位進行可靠評價，從而達到早期診斷的目的。與其他無損檢測方法相比較，金屬磁記憶檢測技術無需外加激勵磁場，檢測靈敏度高，在鐵磁構件損傷評價領域具有廣闊的應用前景。然而金屬磁記憶檢測提取試件表面的自有漏磁(SMLF)屬于弱磁信號，極易受到各種因素的影響。例如初始磁狀態[5]，檢測環境[6，7]，加載形式(受拉、受壓、受剪、受彎、疲勞)[8-10]，鐵磁性材料的化學組成，試件的幾何尺寸，缺陷的深度和位置。到目前為止，金屬磁記憶的試驗研究大量集中在傳統的拉伸和疲勞試驗上，由于試驗條件的限制，有關沖擊荷載作用下鐵磁材料磁特性的變化鮮有研究。而構件在實際工作中往往受到復雜多變的荷載作用，為了使磁記憶檢測技術得到進一步的發展，尚需相關的基礎性試驗研究。本文通過對45號中碳鋼板狀試樣預先消磁和反復加載，使試樣獲得相同的初始磁場，然后通過自制的下落試驗平臺進行試樣的沖擊試驗，分析沖擊荷載對中碳鋼板狀試樣磁記憶信號的影響，進一步豐富了磁記憶的基礎試驗研究。

1　試驗

1.1試件制備

試驗材料是45號中碳鋼，加工成如圖1所示的板狀拉伸試樣，厚度為4 mm。其主要力學性能：屈服強度353 MPa，抗拉強度598 MPa，伸長率為16%。在試樣表面畫一條長為80 mm的測量線，測量方向如圖1中虛線箭頭所示。

1.2試驗方法

1)為消除試樣初始磁場的波動性和使試樣獲得一個相對較弱的初始磁場，使用型號為TC-1的退磁器進行消磁。

2)隨后在自制的1 m高度的下落平臺上進行三種方式的沖擊試驗，三種下落面依次是寬厚面(方式1)→長厚面(方式2)→長寬面(方式3)，各面下落前均平行地面，每種方式各下落5次后進行下一種方式的下落試驗，測得每次下落后的磁場。

3)將試樣加載到18 kN然后卸載到0 kN，測得相應的磁場，如此反復5次(記為第1循環)，接著進行第1種方式下的沖擊試驗，測得5次下落后的磁場；再循環加卸載5次到18 kN(記為第2循環)，進行第2種方式的沖擊試驗，測得每次加卸載和下落后的磁場；再循環加卸載5次到18 kN(記為第3循環)，進行第3種方式的沖擊試驗，測得相應的磁場。靜載拉伸試驗采用的是量程為200 kN的電子萬能試驗機，加載過程中試驗機按橫梁位移控制，速度為2 mm/min。試驗下落平臺和試驗流程如圖2所示。

2　試驗結果與討論

試樣反復加卸載到18 kN后三種方式下落:

1)反復加卸載到18 kN。試驗前，為消除試樣初始磁場的波動性和使試樣獲得一個相對較弱的初始磁場，使用型號為TC-1的退磁器進行消磁。為了研究沖擊荷載對試樣已有較大壓磁磁場的影響，試驗時，在三種方式下落前，先將試樣反復加載到18 kN(略微超過試樣的屈服荷載)。第1循環5次反復加卸載到18 kN的磁信號曲線如圖3所示。由圖3a)可知，前3次切向磁場沿縱軸大幅度下移，隨后的反復加卸載切向磁信號曲線基本沒有發生變化。由圖3b)可知，5次反復加卸載對應的法向磁信號曲線基本重合，離散性很小。以上結果與楊和李的實驗結果相符。根據磁場的接近現象，循環應力的施加使得磁化向無滯后磁化接近。所以5次反復加卸載基本上可以獲得單個應力下的穩定磁場。因此，在三種方式下落前，都會先進行相應循環的反復加卸載試驗，以獲得較為一致的初始壓磁磁場。取每一循環后三次磁場的平均值，得到三種方式下落前的磁場曲線，如圖4所示。由圖4可知，三次循環的切向磁信號和法向磁信號曲線沿著試樣長度方向的分布非常接近，與磁場的現象接近吻合，從而可以認為在三種方式下落前，試樣具有相同的初始磁場。此外，后續的第2、第3循環試驗都是建立在之前的兩種方式下落試驗后，由此可以說明經過沖擊荷載作用的試樣，再受循環拉伸荷載作用，磁場仍能恢復到原來的水平。

2)三種方式下落。在前述循環的基礎上，依次進行相應方式的下落試驗。圖5給出了第三種方式下試樣五次下落后的磁信號曲線。由圖5a)可知，前三次下落，試樣中間部分切向磁信號下降明顯，試樣兩端磁場變化較小。后續兩次下落，磁信號曲線變動很小，即切向磁場趨于穩定。由圖5b)可知，第一次下落法向磁信號曲線同后續四次差別不大，也就是試樣在經歷第一次下落后，法向磁場很快趨于穩定。試驗表明：切向磁信號比法向磁信號對沖擊荷載更為敏感，且試樣中間段的切向磁場變化比兩端更為明顯。

圖6給出了三種下落方式對應的切向磁場和法向磁場均值曲線。由圖6a)可知，三種方式下落的切向磁信號曲線形狀相似，且磁場呈兩端差異較小，中間差別較大的特征。最小差值為15 A/m，最大差值在30 A/m左右。圖6b)中法向磁信號曲線分布形狀也相近，同樣試樣兩端的磁場差別較大。此外，三條曲線并不是繞著同一交點轉動，而是呈現了三個交點。實驗表明：長寬面落地對已有壓磁磁場的削弱作用>長厚面對磁場的削弱作用>寬厚面對磁場削弱作用。而試樣質心落地高度一定，也就是沖擊能量和沖擊速度都一定，不同的是落地接觸面，長寬面面積>長厚面面積>寬厚面面積。由此推斷沖擊荷載對已有壓磁磁場的削弱作用可能跟沖擊面積有一定的關系，在其他條件一定的情況下，沖擊面積越大，削弱用越強。

將前述消磁和反復加卸載到18 kN相關試驗的磁信號均值曲線匯總于圖7。由圖7a)可知，在試樣經過循環1～3磁場達到穩定后進行三種方式落地試驗，切向磁場數值出現大幅減小，但三條曲線走勢相同，還可以發現曲線形狀同循環1～3有明顯差異。由圖7b)可知，法向磁信號的變化規律與切向磁信號變化類似。循環1～3后，法向磁信號曲線繞定點逆時針轉動，磁場數值明顯增大。三種方式落地后磁場曲線出現了多個交點，曲線形狀呈現很小變化。此外可以發現，三種方式下落的磁場都是介于初始消磁后磁場及循環1～3下的壓磁磁場之間。試驗表明：沖擊荷載對試樣的壓磁磁場的削弱作用大小不僅體現在磁信號的具體數值改變上，還表現在磁信號曲線分布形狀發生了一定程度的變化上。由此可以推斷，經過沖擊荷載作用的構件，其磁記憶信號特征會發生一定程度的改變，從而影響磁記憶技術對構件應力集中位置或缺陷處的判斷。

3　結語

沖擊荷載對消磁試樣磁場的削弱作用有限。隨著下落次數增加，試樣表面漏磁場會趨于穩定。沖擊荷載對試樣壓磁磁場的削弱作用明顯，表現在磁信號曲線數值大幅減小和曲線沿試樣長度方向的分布形狀發生改變上。還可以看出，切向磁信號對沖擊荷載的反應更為敏感。此外可以推測，沖擊荷載對試樣壓磁磁場的影響與沖擊作用面有關，沖擊作用面越大，削弱作用越強。本文初步定性的探究了沖擊荷載對中碳鋼磁記憶信號的影響，彌補了金屬磁記憶試驗在此方面的空白，但有關沖擊荷載對磁記憶信號的影響還需更多精細和定量的試驗研究。

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The influence of impact load to medium carbon steel magnetic memory signal

Ji Xiaohua

(ArchitecturalEngineeringSchool,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)

In order to make up the lack of metal magnetic memory test, through related free fall test researched the influence of impact load to magnetic memory test signal, the test found that, the influence of load impact to carbon steel surface magnetic signal related to the specimen impact surface size, the specimen with larger initial magnetic, the weakening effect of impact load to magnetic signal obvious, performance on magnetic field numerical significantly reduced and the distribution shape changed, the greater of impact surface, the stronger of impact load to sample magnetic field weakening.

metal magnetic memory, free fall, impact load, impact surface

1009-6825(2016)19-0038-03

2016-04-24

冀曉華(1981- )，男，在讀碩士

TG115.27

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