基于金屬磁記憶檢測的HT300疲勞損傷實驗研究*

潘尚峰 彭一波 孫江宏

(①清華大學，北京 100084；②北京信息科技大學，北京 100192)

再制造是綠色制造的重要組成部分，近年來受到越來越多的重視。重型機床基礎(chǔ)件質(zhì)量大，耗材多，且長期使用后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，若通過再制造技術(shù)使其重新利用，則能夠節(jié)省大量資源與能源，保護了環(huán)境。

重型機床實施再制造前首先要判斷其基礎(chǔ)件的剩余壽命能否滿足下一個生命周期，目前還沒有一種重型機床基礎(chǔ)件剩余壽命預測的有效方法。因此，迫切需要探究一種適用于重型機床基礎(chǔ)件剩余壽命評估的新技術(shù)。

上世紀90年代，以俄羅斯的Dubov教授[1-4]為代表的學者提出了采用磁記憶檢測技術(shù)檢測金屬應力集中，從而進行剩余疲勞壽命預測。金屬磁記憶檢測實質(zhì)上是一種漏磁檢測技術(shù)，而金屬磁記憶的激勵磁場為地磁場，它獲取零件受地磁場作用而產(chǎn)生的磁信息。陳倩等通過對45#鋼的拉伸和壓縮實驗，得到了磁記憶信號和應力集中之間的關(guān)系[5]。董麗紅等[6-8]以低碳鋼和中碳鋼為研究對象，利用疲勞加載試驗機，獲得了各階段漏磁場的法向分量和切向分量。丁輝等[9]以磁通量作為表征量，研究了裂紋缺陷與磁通量的變化關(guān)系，結(jié)果顯示金屬磁記憶能夠表征裂紋的類型。Dubov[10]總結(jié)了壓力容器和石油管道等疲勞失效的例子，證實了金屬磁記憶檢測是早期損傷檢測的有效手段。

金屬磁記憶(MMM)檢測技術(shù)是一種新型的無損檢測技術(shù)，對于檢測以應力集中為特征的疲勞損傷具有獨特的優(yōu)勢，日益成為一種重要的無損檢測手段。基于金屬磁記憶檢測原理，俄羅斯動力診斷公司研發(fā)了TSC-1M型金屬磁記憶檢測儀，已得到了廣泛應用。

1 HT300疲勞加載實驗

本文研究重型機床基礎(chǔ)件疲勞過程中漏磁信號的變化規(guī)律，為鐵磁材料剩余壽命評估提供技術(shù)支撐。首先選擇重型機床常用的HT300材料作為研究對象，提取該材料在循環(huán)載荷下漏磁信號的演化特征，以期獲取表征材料疲勞壽命的特征量。

為了得到HT300材料在不同應力下的疲勞信號特征，需要以該材料的基本力學參數(shù)測定為基礎(chǔ)，測定其應力應變曲線及S-N曲線，以便設計較為適宜的疲勞載荷。具體實驗路線如圖1所示。

實驗用HT300材料化學成分及基本力學性能如表1和表2所示。

表1 HT300的化學成分 wt%

表2 HT300基本力學性能

材料牌號極限強度σb/MPa 屈服強度σB/MPa延伸率δ/(%)HT30027610348%

為確定疲勞加載應力，需要測定HT300材料應力應變曲線。設計如圖2所示試樣，利用INSTRON拉伸試驗機，進行靜載拉伸實驗，得到如圖3所示真實應力應變曲線。

可見，HT300的屈服強度為135 MPa，抗拉強度為215 MPa。根據(jù)以上得到的應力應變曲線，為得出材料的S-N曲線，設定加載條件如表3。利用INSTRON疲勞拉伸試驗機，將試樣在不同載荷下進行疲勞加載實驗，得到不同應力下的疲勞極限，結(jié)果如圖4所示。

表3 HT300材料疲勞性能

拉力/kN679101213應力/MPa74.488113124.6150.5163.7疲勞極限/次29 95615 1162 1971 24619325

圖3所示的HT300材料在各應力下最大循環(huán)次數(shù)可以表示為：

f(x)=1×107e-0.076x

(1)

2 HT300金屬磁記憶檢測實驗

2.1 檢測儀器介紹

實驗檢測設備包括TSC-2M-8型應力集中檢測儀主機及1-8M掃描裝置，見圖5和圖6。

TSC-2M-8應力集中磁檢測儀是8通道儀器，其功能特點如下：

(1)8檢測通道。

(2)配備新型雙向傳感器，多個鐵磁探測式轉(zhuǎn)換器放置在二維空間，用來同時檢測磁場的法向分量和切向分量。

(3)探頭可以記錄場強值和移動長度值，速度最大可達0.5 m/s。

(4)不要求對被檢測對象進行專門磁化。

(5)不要求對被檢測表面作任何準備。

(6)提供配套分析軟件MM-System，可在計算機上對數(shù)據(jù)做后續(xù)處理。

1-8M型掃描裝置是8通道接觸式焊縫檢測掃描裝置。4個雙分量磁探測傳感器分別測量磁場的法向分量與切向分量，用于管道、焊縫、容器、平板等工件應力集中的局部快速掃查。掃描裝置設計成小車形狀，4個傳感器水平布置，每個傳感器含兩個測量通道。傳感器間距、高低、方向可根據(jù)管道或焊縫的形狀調(diào)節(jié)，有鎖緊結(jié)構(gòu)。4個輪子計數(shù)器記錄檢測長度，同時測量磁場的兩個分量，可以采集到更全面的數(shù)據(jù)。

2.2 實驗結(jié)果分析

根據(jù)S-N曲線，設定疲勞載荷加載應力，并根據(jù)式(1)，確定各應力下的疲勞極限，選定加載應力及疲勞極限如表4所示。

表4 不同應力下的疲勞極限

應力/MPa7588115124139143疲勞極限/次33 46012 4581 601807258191

在本實驗中，分別提取理論疲勞損傷量(歸一化疲勞損傷量，0代表開始使用狀態(tài)，1代表斷裂狀態(tài))為0、0.25、0.5及0.75時所對應的漏磁信號作為研究對象。利用圖5及圖6所示檢測設備，記錄各應力下不同損傷量下漏磁信號，結(jié)果如圖7所示。

圖7中各條曲線代表了不同理論損傷程度下漏磁信號的變化，可見損傷量的改變會造成漏磁信號梯度K發(fā)生變化。但由各應力下漏磁信號可見，梯度K與累積損傷量并無明顯映射關(guān)系。且重型機床運行過程中伴隨應力釋放，應力集中度與運行時間并無明顯映射關(guān)系，所以單純以漏磁信號梯度K不能判定機床損傷量。

由圖7可見，在相同應力下，隨著損傷量的不斷增加，漏磁信號斜率并未表現(xiàn)出增大或者是減小的趨勢，單純從漏磁信號斜率大小難以判定材料的損傷情況。

由于疲勞過程是時間維度下的材料損傷累積過程，且在重型機床運行過程中，隨著加工工件的不同，機床所受應力會發(fā)生明顯的改變和波動，單純的研究單一應力下材料漏磁信號演變規(guī)律，難以在工程實際中得到應用，故而有必要將疲勞損傷判定過程轉(zhuǎn)變?yōu)榕c應力無關(guān)的量，轉(zhuǎn)而單純觀測時間尺度上漏磁信號轉(zhuǎn)變規(guī)律，有利于工程實際應用。故而，提取各應力下隨著疲勞損傷量的增加，漏磁信號梯度值K變化如圖8所示。

重型機床基礎(chǔ)件從服役到疲勞破壞，其內(nèi)應力經(jīng)歷了早期加工應力釋放階段、平穩(wěn)工作階段和裂紋形成擴展階段，其內(nèi)應力也經(jīng)歷了逐漸減小、平穩(wěn)及急劇增大的階段。而內(nèi)應力的大小能夠用漏磁梯度?K/?t表示，故而可以用漏磁梯度作為疲勞損傷判定參數(shù)。重型機床基礎(chǔ)件應力集中程度變化規(guī)律如圖9所示。

在重型機床服役初期階段，由于加工或者鑄造缺陷，材料內(nèi)部存在原始內(nèi)應力，此時漏磁信號表現(xiàn)出較大的梯度值；隨著服役過程的進行，機床加工過程中伴隨振動、自然時效等過程，材料內(nèi)部應力逐漸釋放，此時表現(xiàn)出較小的內(nèi)應力及較為穩(wěn)定的機床精度，漏磁梯度也維持在較小水平；隨著材料疲勞損傷的累計，重型機床基礎(chǔ)件出現(xiàn)位錯累積，微裂紋開始萌生、擴展，缺陷聚集處出現(xiàn)應力集中，并且隨著缺陷的發(fā)展應力集中狀況不斷加劇，此時表現(xiàn)出漏磁信號梯度不斷增大；最后當微裂紋連接形成宏觀裂紋，應力得到釋放，表現(xiàn)出漏磁梯度在疲勞壽命后期階段再次出現(xiàn)減小的現(xiàn)象，此時應屬于材料服役后期階段，應注意材料疲勞失效。

由圖9可見，應力集中程度(用漏磁場梯度表征)經(jīng)歷了變小、低位保持以及逐漸增大的過程。當?K/?t<0時，基礎(chǔ)件處于應力釋放階段；當?K/?t保持較小值時，基礎(chǔ)件處于穩(wěn)定階段；當?K/?t>0時，基礎(chǔ)件開始加速疲勞過程。

鐵磁材料在疲勞過程中漏磁信號基本以斜線形式存在，漏磁信號梯度K可以較好反映漏磁信號的變化情況，但隨著疲勞過程的進行，梯度K并無明顯的增大或者減小趨勢，而是先減小后增大，最后再減小。在工程實際中，可利用?K/?t對重型機床基礎(chǔ)件材料進行疲勞損傷評估。

3 結(jié)語

本文研究了重型機床常用材料HT300在循環(huán)載荷下漏磁信號的變化規(guī)律，提取了漏磁信號的特征參量漏磁信號梯度K，并研究了漏磁信號梯度K隨時間的變化情況，研究結(jié)果表明隨著疲勞損傷程度的增加，漏磁信號梯度先減小，隨后增大，最后再減小。利用該規(guī)律，可對重型機床用材料HT300的疲勞損傷過程進行監(jiān)測，為重型機床基礎(chǔ)件的可再制造性評估提供技術(shù)支持。

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