基于金屬磁記憶檢測的廢舊件疲勞損傷評價

陳善功,蹤雪梅,黃海鴻,王光存,何 冰

(1.江蘇徐工工程機械研究院有限公司, 徐州 221004；2.高端工程機械智能制造國家重點實驗室, 徐州 221004；3.合肥工業大學 綠色設計與制造研究所, 合肥 230009;4.燕山大學 信息科學與工程學院, 秦皇島 066004)

鐵磁性材料的缺陷是工業安全生產的嚴重隱患，必須進行嚴格檢測[1]。液壓缸作為液壓傳動系統中的執行元件，是工程機械中的主要部件，其可將液壓能轉換成機械能，與各種傳動機構相配合，完成相應的機械運動。廢舊液壓缸具有很高的再制造價值，但是由于工程機械服役工況條件惡劣，液壓缸在服役過程中會存在細微損傷，其外在表現形式為局部應力集中。存在損傷的再制造液壓缸在交變工作油壓的作用下，裂紋會經歷萌生和擴展至瞬時斷裂階段，甚至造成爆缸等失效，從而引發安全事故[2]。因此，對廢舊液壓缸進行早期損傷的無損檢測與分析是十分重要的，可為產品能否再制造提供科學依據[3]。

金屬磁記憶檢測作為一種新型的無損檢測技術[4-6]，因具有早期診斷的潛力而引起了極大關注。鐵磁性物質在地磁場與外應力的共同作用下，應力和變形集中區的磁疇狀態發生不可逆的變化，在材料表面突變的漏磁信號以“磁記憶”形式記錄下來[7-8]。在應力集中區域，表面自有漏磁場的法向分量Hp(y)過零點，水平分量Hp(x)具有最大值，在工作載荷消除后依然保留這種“記憶”，從而指示出應力集中位置。徐濱士[9-10]等研究了試樣疲勞載荷下磁記憶信號的峰值變化及磁場梯度隨疲勞循環累積的變化情況。YAN[11]等對濕蒸汽發生器爐管施加疲勞載荷，采用磁記憶信號梯度K值識別爐管疲勞損傷產生的應力集中區，實現潛在危險區域的早期診斷。但這些研究結果都未能與分析疲勞斷裂問題建立起量化關系，也無法為零部件的再制造檢測提供更加深入的理論判據。

文章以某轉向液壓缸缸筒為研究對象，研究其標準試樣在疲勞裂紋擴展過程中磁記憶信號的變化規律，并基于統計學理論，建立零/部件評估閾值區間，引入缺陷定位指標法向分量梯度最大值Kmax與信號的均方根值RMS的差和2倍標準偏差σ之間的關系，依據3者之間的關系，定量分析了廢舊液壓缸的疲勞損傷臨界斷裂狀態。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

從某轉向液壓缸缸筒取樣，材料為45鋼，取樣位置為液壓缸常見爆缸失效部位，即缸筒中心位置，試樣規格依據GB/T 2975-2018和GB/T 3075-2008等國標要求。試樣取樣位置及其尺寸、檢測路徑如圖1所示，圖中1，2，3號虛線為磁記憶信號檢測線。

圖1 試樣取樣位置及其尺寸、檢測路徑示意

1.2 試驗儀器

磁記憶信號檢測儀器采用俄羅斯動力診斷公司生產的TSC-2M-8型磁記憶檢測儀，量程為±2 000 A/m，靈敏度為1 A/m。殘余應力檢測采用加拿大Proto制造有限公司生產的iXRD殘余應力檢測儀，檢測精度為 ±8 MPa，檢測點尺寸為0.2 mm。在長春機械科學研究院有限公司生產的SDS-100電液伺服疲勞試驗機上進行疲勞試驗。

1.3 試驗方法

取疲勞試樣在疲勞試驗機上進行拉-拉疲勞試驗，在疲勞載荷的作用下(100 MPa；正弦波形；應力比為0.1；加載頻率f=5 Hz)，循環次數依次加載到預定周次。加載到預定循環次數后將試樣取下，水平放置于無電磁干擾的環境中，采用磁記憶檢測儀對檢測路徑進行離線檢測。殘余應力檢測沿檢測線方向進行逐點檢測，每條檢測線上有7個點，檢測點之間間距為10 mm。

2 試驗結果與分析

2.1 磁記憶信號與疲勞次數之間的關系

在試樣的3條檢測線上測量表面磁記憶信號，發現相對應的線1和線3上的磁記憶信號雖然在幅值上略有差別，但卻有著相同的變化規律。為了方便描述，對檢測線1，2上的磁記憶信號隨拉伸疲勞次數的變化規律進行研究。

圖2和圖3分別為檢測線1，2上磁記憶信號隨疲勞次數的變化規律，從圖中可以看出，初始情況下，試樣表面經交流退磁器退磁后趨于平穩。在檢測線1上，由于預設缺陷的存在，在疲勞拉伸初期就有磁記憶信號的畸變，其表現為切向分量Hp(x)出現最大值，法向分量Hp(y)過零點；隨著疲勞次數的增加，這種畸變幅值越來越大。在檢測線2上，由于遠離預設缺陷，在疲勞拉伸的初期，磁記憶信號并沒有明顯的變化；當疲勞次數超過25 000次后，磁記憶信號出現明顯的“切向分量Hp(x)出現最大值，法向分量Hp(y)過零點”特征，且隨疲勞次數的增加，這種特征越來越明顯；在疲勞循環次數達到32 377次時，試樣發生斷裂，在臨界斷裂前檢測線1，2均出現“磁化反轉”的現象。

圖2 檢測線1上磁記憶信號隨疲勞次數的變化情況

圖3 檢測線2上磁記憶信號隨疲勞次數的變化情況

2.2 殘余應力隨裂紋擴展的變化關系

當試樣處在彈性變形階段時，對試樣卸載后其內部的殘余應力變化較小，故只研究塑性變形階段其殘余應力與疲勞循環次數的變化關系。由于試樣左右缺口均為對稱缺口，因此只對檢測線1和檢測線2進行試樣表面殘余應力變化規律的研究。

圖4為初始階段試樣表面各檢測線上的殘余應力分布情況。圖中各點殘余應力為-125 MPa～7 MPa，除檢測線1的中點位置外所有殘余應力均為負值，即初始狀態試樣表面均受壓應力。線1中間點為預制缺口位置，此處殘余應力為7 MPa，性質為拉應力。由于試樣缺口經切割預制，該加工過程破壞了材料內部原有的應力平衡狀態，即其應力狀態重新分配而導致了拉應力的出現。

圖4 初始階段試樣表面各檢測線上的殘余應力分布

圖5為試樣在不同疲勞次數時表面的殘余應力分布。由圖5(a)可知，隨著循環周次增加到25 000次，各條檢測線上的殘余應力均有變化，這表明檢測線1預設缺陷尖端處開始出現滑移裂紋，此時各條檢測線上的殘余應力均有變化。試樣兩端各點由于受到夾頭夾緊的作用，其殘余壓應力有所增大。殘余應力在檢測線1和線2中間點處發生了較大的變化，均由負值變為了正值，由壓應力狀態轉變成了拉應力狀態；隨著循環周次增加到30 000，裂紋已擴展至試樣中間部位，如圖5(b)所示，各條檢測線上中間點的殘余應力增大，檢測線上其余各點殘余應力變化不大，與25 000周次時基本處于同一水平，說明隨疲勞周次的增加，試樣缺陷處的殘余壓應力下降，殘余拉應力上升，而遠離疲勞裂紋的各點受到疲勞拉伸作用的影響并不大。隨著循環周次的進一步增加，當達到32 377次時試樣斷裂。圖5(c)為試樣斷裂后表面殘余應力的分布情況。隨著試樣的斷裂，之前積聚在檢測線1與線2中間點處的殘余拉應力大幅減小，殘余壓應力增大。結合試樣斷口形貌分析，試樣的檢測線1和線2處在斷裂之前已存在宏觀裂紋，試樣疲勞斷裂后其內部的局部應力集中得到釋放，使得殘余應力大幅減小到初始應力狀態。遠離裂紋的各點隨疲勞周次的增加，受壓狀態沒有發生改變且幅值保持穩定。

圖5 不同疲勞次數時，試樣表面殘余應力分布

3 評估模型的建立

3.1 確定評估閾值

根據一般統計規律，以正態分布2σ水平，即95%的置信水平，對閾值進行區間估計。區間估計是從點估計值和抽樣標準出發的，按給定的概率值建立包含待估計參數的區間，即稱為置信區間。

以液壓缸缸筒為例，根據現有試驗數據，在不考慮工藝影響的情況下，選擇10組液壓缸缸筒檢測樣本數據進行計算分析(見表1)。

表1 液壓缸缸筒檢測樣本數據 A·m-2

Kmax為磁記憶信號梯度的最大值，其定義如式(1)所示。

(1)

式中：ΔHp為兩檢測點之間的磁記憶信號法向分量差值；ΔL為兩檢測點之間的距離。

假設磁記憶指標體系在檢測過程中服從正態分布N(μ,σ2)，可以分別求出置信水平為95%的分布區間。

(2)

即，置信區間為(42.35-5.4, 42.35+5.4) = (36.95, 47.75)，基于以上分析計算，可以得到缸筒材料的法向分量梯度最大值的期望置信區間為36.95～47.75，其標準差均值為8.67。根據所需要的精度，就可以確定檢測閾值的大小。值得注意的是，該閾值需要在工程中進行數據積累并對其進行修正，隨著樣本容量的增大，閾值的可靠性將逐漸增大。

3.2 建立評估規范

在該評估模型的具體應用中，首先，根據零件的材料、工藝、部位確定閾值修正方法；其次，對實際零件進行檢測，得到其表面磁記憶信號分布；最后，分析磁記憶信號，確定廢舊件損傷程度，進行疲勞損傷再制造性評價。磁記憶信號評估指示與零件壽命的關系曲線如圖6所示。

圖6 磁記憶信號評估指標與零件壽命的關系曲線

根據液壓缸的載荷過程與磁信號分析，處于正常工作應力下，不會出現明顯磁記憶信號，此時缺陷定位指標法向分量梯度最大值Kmax與信號的均方根值區別不明顯，判斷依據為

Kmax-RMS<2σ

(3)

該階段處于圖7中的初始階段，可以認為液壓缸還具有90%以上的剩余壽命。

當液壓缸在使用過程中，由于某種原因(偏載、撞擊等)出現明顯磁記憶信號時，可以依據法向分量梯度最大值Kmax對缺陷位置進行定位，判斷依據為

2σ≤Kmax-RMS<3σ

(4)

該階段處于圖中的平穩波動階段，其磁記憶信號反映了應力集中處漏磁場的大小，一方面，說明在該階段應力集中處的漏磁場處于穩定狀態，材料內部的位錯密度在一個穩定狀態附近波動，位錯的數量保持在動態平衡狀態。同時，在塑性區域形成位錯偶極子和位錯單元結構，且位錯的釘扎作用引起位錯群的形成，從而造成位錯塞積、空位聚合，形成空洞、萌生微裂紋。另一方面，磁記憶信號特征值的波動同時也和加載、卸載過程中的偶然隨機因素有關。

根據定位指標確定位置之后，再依據評估指標，對損傷程度進行判斷。從圖6可以看出，磁記憶評估指標隨循環周次的增加具有遞增的趨勢，同時在上下閾值范圍內波動。針對不同的材料，可以對閾值范圍進行一定的修正，進而評定廢舊液壓缸的剩余壽命。

第三階段為失效階段，此時磁記憶信號的法向分量梯度最大值Kmax快速增大(見圖6失效階段)，判斷依據為

Kmax-RMS≥ 3σ

(5)

在該階段，試樣表面開始出現可見裂紋，在裂紋處出現法向梯度最大值，此時液壓缸進入疲勞壽命末期。

4 結語

(1) 切口試樣在疲勞裂紋擴展過程中，隨裂紋擴展程度及檢測位置的不同，磁記憶信號呈現不同規律，Hp(y)隨疲勞裂紋擴展周次的增加呈現出增大的趨勢，可以通過其表征疲勞裂紋累積損傷程度。

(2) 通過統計學理論方法與試驗研究，歸納出了疲勞損傷定量評價模型，并且提出定量化評估的閾值，闡述了法向分量梯度最大值Kmax與法向信號均方根值RMS的差和信號的2倍標準偏差σ之間的關系。

(3) 液壓缸作為存有量大、易失效的廢舊零件，具有較高的回收再制造價值，提出的評估模型為廢舊件損傷的再制造性定量評價提供了思路。