基于磁滯回線原理的鐵磁性材料應力測試方法

(南京航空航天大學 高速載運設施的無損檢測監(jiān)控技術工信部重點實驗室，南京 211100)

鋼鐵材料具有良好的機械性能，在交通運輸、能源、化工以及大型機械等領域應用廣泛[1]。鋼材中的鐵磁性材料是工程技術中最重要和最常用的材料，大規(guī)模的應用會使得材料不可避免地存在缺陷損傷，如加工誤差導致的材料性能分布不均勻和長時間使用帶來的疲勞傷損等，而這些安全隱患很可能會導致災難性的后果。因此，對鐵磁性材料的應力狀態(tài)和疲勞損傷的檢測是很有必要的。

目前，針對鋼材應力檢測，主要有磁測法、X射線檢測法和盲孔法。其中，磁測法和X射線檢測法屬于無損檢測法，盲孔法屬于有損檢測法。射線法理論完善，但因有射線傷害，使用受到很大的限制；磁測法是根據(jù)鐵磁體磁飽和過程中應力與磁化曲線之間的變化關系進行應力測定的，在一定范圍內適用；而盲孔法雖然技術成熟，但屬于有損檢測，另外，盲孔法測量的僅僅是表面殘余應力，并不是材料內部的殘余應力。

電磁無損檢測是近年來興起的一項應用前景廣闊的無損檢測技術，相較于傳統(tǒng)檢測方法，具有精度高,指向性好，非接觸式，對試件表面要求不高，可測量任何金屬材料[2]等優(yōu)點；而且，該技術可通過改變探頭線圈的結構和偏置磁場的方向，激發(fā)出不同模態(tài)的波。筆者提出的就是一種新型的電磁無損應力檢測方法——基于磁滯回線的鐵磁性材料應力測試方法。

圖3 電磁超聲應力檢測系統(tǒng)結構示意

1 檢測原理

1.1 磁致伸縮機理和磁滯回線

強磁性物質在磁場作用下，內部會產(chǎn)生疇壁位移與轉動，宏觀上表現(xiàn)為磁致伸縮應變[3]。其微觀機理是：鐵磁性材料內部相鄰原子間的電子自旋產(chǎn)生元磁矩，元磁矩間的相互作用力使得相鄰的元磁矩排列在同一方向，形成磁疇。在無外磁場作用下，各個磁疇相互均衡，材料的總磁化強度等于零。當有外磁場作用時，磁疇會發(fā)生轉動，使得材料長度或體積隨之發(fā)生微小變化[4]。

鐵磁性材料的磁化具有不可逆部分。當外加磁場變化時，鐵磁體磁化狀態(tài)的變化總是落后于外加磁場的變化，在撤去外加磁場后，鐵磁性材料仍能保持部分磁性。因此，當外加磁場產(chǎn)生周期性的變化時，就可獲得鐵磁性材料滯后的閉合磁化曲線，稱之為磁滯回線,如圖1所示(圖中B為磁感應強度，H為磁場強度)。

圖1 磁滯回線

1.2 應力檢測原理

磁致伸縮效應會引起磁性材料的微觀結構變化。同時，鐵磁性材料的微觀結構狀態(tài)會隨著工作應力變化而發(fā)生變化。在無應力狀態(tài)下，鐵磁性材料呈現(xiàn)各向同性，當受到應力作用時，材料產(chǎn)生各向異性。應力或應變狀態(tài)的改變會引起鐵磁性材料磁導率或磁阻的變化。在恒定磁動勢狀態(tài)下，磁路中磁阻的變化會引起磁通的變化，線圈的感應電動勢也會產(chǎn)生相應的變化。根據(jù)逆磁致伸縮原理，當鐵磁材料受力時，磁導率會產(chǎn)生相應的變化。鐵磁性材料的相對磁導率與應力之間的磁力學模型為[5]:

(1)

式中：B為磁感應強度;k為磁致伸縮系數(shù);μ為材料磁導率;σ為材料所受應力。

在這種情況下，磁致伸縮激發(fā)的超聲信號幅值，作為滯后于外加磁場變化的函數(shù)，反映了動態(tài)磁致伸縮特性——一種對表征材料老化和殘余應力十分敏感的微磁特性[6]。

1.3 基于磁致伸縮的電磁超聲換能器

電磁超聲技術是以電磁場、電磁場引起的力場和試件中的聲場三者之間的相互轉換為基礎發(fā)展起來的新技術。其轉換原理為：利用磁致伸縮效應產(chǎn)生超聲波，再通過逆磁致伸縮效應接收超聲信號。電磁超聲換能器(EMAT)由磁鐵、高頻回折形線圈和鐵磁性試件3部分組成。磁鐵提供偏置磁場，高頻線圈用來產(chǎn)生超聲波，試件必須具有導電性或鐵磁性，或者兩者同時具備，這也是EMAT不需要聲耦合的原因。同時,為了避免洛倫茲力的影響，線圈的電流方向需要和外加磁場的方向平行。圖2為基于磁致伸縮效應的EMAT模型。

圖2 基于磁致伸縮效應的EMAT模型

2 電磁超聲應力檢測系統(tǒng)

電磁超聲應力檢測系統(tǒng)結構示意如圖3所示。電磁超聲應力檢測系統(tǒng)主要由電磁超聲發(fā)射電路、電磁超聲接收電路、電磁超聲換能器、試件和應力加載裝置等5部分組成。

給脈沖發(fā)射電路供電后，發(fā)射電路發(fā)出周期性的高頻脈沖串，高頻脈沖串經(jīng)過功率放大電路，接入發(fā)射線圈，再通過阻抗匹配電路使發(fā)射線圈上得到最大幅值信號，這種高頻信號會在試件中產(chǎn)生同頻振動，激發(fā)出超聲波。在接收端，接收線圈基于逆磁致伸縮原理，將振動信號轉化為電動勢，經(jīng)過信號處理電路后，由采集卡采集電動勢，最后在上位機上進行數(shù)據(jù)處理和顯示。采用時域分析方法來提取淹沒在噪聲中的時變信號，可以顯著提高 EMAT 信號的質量[7]，得到的接收信號如圖4所示。

圖4 電磁超聲的接收信號

3 試驗過程和結果分析

3.1 試驗過程

鐵磁性材料的磁致伸縮特性受材料內部應力的影響，即隨著應力變化，材料的磁致伸縮曲線也會發(fā)生相應的變化。利用懸臂梁加載裝置，對尺寸(長×寬×厚)為300 mm×140 mm×1 mm的A3鋼試件施加由下向上的力(上表面產(chǎn)生的是壓應力)。然后通過貼應變片，連接DTCJ-1型應變儀進行應力檢測。試件的受力方向和靜態(tài)偏置磁場方向相互垂直。

分別對試件進行了0，20，50，80，110，140，170，190 MPa共8個應力狀態(tài)下的試驗，每個應力狀態(tài)下做了4次重復性試驗。通過改變發(fā)射端電磁鐵電流的大小來改變靜態(tài)偏執(zhí)磁場的大小，使其走完一個磁滯回線過程，采集接收信號的峰峰值作為特征點，繪制出電磁鐵電流值-接收信號峰峰值曲線圖。由于接收端的永磁鐵會影響發(fā)射端信號使得曲線圖不對稱，故為了消除接收端對發(fā)射端的影響，采用在測完正行程的磁滯回線對應的曲線后，再測量反行程的磁滯回線對應曲線，將兩幅曲線圖相加取平均后，得到如圖5所示的曲線(圖中①為信號曲線中的交點，②為信號谷值點，③為信號第一峰值點)。

圖5 電流值-接收信號峰峰值曲線

為研究EMAT信號和鐵磁性材料內部應力的關系，提取了信號曲線中的交點①，谷值點②和交點與第一峰值點③的斜率作為特征值點。

3.2 試驗結果分析

8個應力狀態(tài)下的電流值-接收信號峰峰值曲線,如圖6所示。

圖6 不同應力對應的電流值-接收信號峰峰值曲線

分別對這3個特征值點取4次試驗的平均值和波動范圍，材料內部應力和3個特征值的關系如圖7所示。

從擬合得到的曲線可以看出，當給被測試件施加壓應力時，靜態(tài)偏置電流-接收信號峰峰值曲線會整體下移。與此同時，隨著壓應力的逐漸增加，交點逐漸下移，谷值點也向零點靠攏，同時，交點與第一峰值點的斜率在逐漸增加，特征值點均隨著應力增加呈單調性變化。并且,文中試驗系統(tǒng)的重復性誤差也較小，可以定性分析材料內部的應力狀態(tài)。

4 結語

基于磁致伸縮效應和磁滯現(xiàn)象，利用基于磁滯回線的電磁超聲檢測方法，對鐵磁性材料的應力狀態(tài)進行了檢測和試驗分析，觀察材料的磁致伸縮特性和自身應力狀態(tài)的關系，通過提取偏置電流-接收信號峰峰值曲線中的特征參數(shù)，找到了參數(shù)隨應力增加呈單調性變化的規(guī)律，實現(xiàn)了對被測試件應力狀態(tài)的定性分析。