磁声发射在钢轨性能无损检测中的应用研究

第13卷　第1期1998年3月

实　验　力　学

JOU RNAL O F EXPER I M EN TAL M ECHAN I CS

V o l.13　N o.1

M ar.1998

磁声发射在钢轨性能无损检测中的应用研究Ξ

侯炳麟 周建平

(北方交通大学,100044) (空军蓝天网架厂,072750)

彭　湘　许子龙

(北方交通大学,100044)

摘要　根据磁声发射(M A E)强度与应力的依从关系,对退火钢轨进行了应力标定,并测量了U74新轨的残余应力。又根据M A E强度随材料相对疲劳度的变化规律,探讨了用M A E法估测钢轨剩余寿命的可行性。

关键词　钢轨　疲劳　磁声发射　无损检测　剩余寿命　残余应力

钢轨是铁路系统的重要基础构件,其力学性能的优劣直接影响到运输安全,因此在役钢轨的实时无损检测对及时发现事故苗头,确保铁路运输的安全,具有重要的经济意义和社会意义。本文仅就作者近年来用磁声发射原理对钢轨残余应力(包括温度应力)的检测和对在役钢轨疲劳寿命预测的试验研究工作做一简介。

磁声发射(M agnetic A cou stic Em issi on,M A E)是近年发展起来的一种磁性无损检测技术。它利用铁磁材料中磁畴壁在外磁场下往复振荡和磁化矢量的转动而产生应力波的原理研究由此导致的声发射现象。由于无论构件是否处于受载状态,只需在特定外磁场强度下,就能反映材料所处状态的特定性质。因此M A E比传统的声发射(A E)技术操作更为简便易行,测量数据更稳定,容易实现对钢轨等铁磁性材料制成的构件性能的定量检测。

1　M A E法工作原理

铁磁性材料内存在磁矩方向各异的磁畴,各磁畴之间由畴壁相互分开,在外部磁场下,将产生畴壁的突然运动和磁化矢量的转动[1],从而以应力波的形式向周围传播,产生所谓声发射现象。由于这种畴壁运动是在外磁场作用下驱动的,故称磁声发射。用声发射接收仪的探头可灵敏地接收到这种波动信号。

铁磁材料在外磁场作用下,由于晶格的弹性变形,其长度,体积都出现改变,即产生磁致伸缩效应。当材料磁化后,畴壁出现突然运动,随着磁场的增强,畴壁运动速度加快,当局部总能量达到最小值时,畴壁停止运动。在运动时相邻两畴内磁致伸缩不一致而出现位移便引起

Ξ1997328

M A E 脉冲信号。这种信号的大小和方向可用一个放大的磁畴区域体积∃V 3内的非弹性应变

张量∃Ε3表示,当输出峰值电压信号为V p 时,有如下关系式:

V p =C ∃Ε3 ∃V 3 Σ

式中C 为材料常数,Σ为∃Ε3增长变化的时间,∃Ε3依赖于磁致伸缩的系数。

研究表明[2],M A E 信号强度与产生非弹性应变的体积成比例。当材料局部外磁场强度保持不变时,M A E 信号强度随所受应力的变化而变化,不管产生应力的原因是外加载荷引起还是本身残余应力。利用M A E 的这一特性,我们对无应力的退火钢轨进行了加载过程的M A E 信号强度标定,又据此对实际钢轨残余应力作了无损测量。

M A E 信号强度除与应力有关外,材料的塑性变形,微观结构及热处理工艺等都是M A E 强度的影响因素。材料的疲劳过程是一个相当复杂的塑性累积损伤过程。金属材料在循环应力下的塑性累积损伤导致材料性能的不断劣化,这种劣化表现在塑性变形下材料内产生滑移-微裂-裂纹扩展-断裂的全过程。已有资料表明,在疲劳损伤过程的各阶段,由于塑性变形所产生的塑性累积损伤和材料硬化特性改变的程度不同,其材料性能随之由不同的变化[4,5,6],使铁磁材料内畴壁克服内应力、位错、空穴等障碍而运动的能力也有不同变化。鉴于此,我们用轨钢试样,在其经历不同循环加载次数后,使之产生不同程度的疲劳损伤,然后在相同的磁场强度下测取其M A E 信号强度,发现M A E 强度随疲劳损伤程度的不同产生有规律地变化,这为估计构件的疲劳损伤程度进而预测剩余寿命提供了一个直观、简便的检测手段。2　M A E 法测量钢轨残余应力

钢轨在轧制、校直和热处理及线路铺设焊接时往往产生很高的残余应力,残余应力的存在使钢轨的承载能力下降,常带来难以预料的行车事故。另外无缝线路钢轨在环境温度高于或低于铺设温度时,轨内的温度应力大到一定程度也会造成线路的胀轨跑道和断轨事故。长期以来用无损方法测定轨内残余应力、温度应力一直未得到很好的解决。我们利用自制的U 型磁化器和一台单通道声发射仪,完成了国产钢轨M A E 特性和全尺寸钢轨加载标定试验,并对60kg m U 74新轨的残余应力作了检测,得到较好的结果。

2.1　标定试验

1.设备

为获取足够灵敏的M A E 信号,对U 型磁化器用50H z 的交流电为试样提供了足够的磁场强度。磁化器的磁化特性曲线,即激磁电压V e 与磁场强度H 关系曲线如图1所示。

试样取自60kg m 的U 74退火钢轨,保持全截面尺寸,制成拉、

压试样。U 74轨钢化学成分和力学性能如表1所示。

表1　U 74轨钢化学成分(%)和力学性能C

Si M n P S Ρb (M Pa )Ρs (M Pa )Ω(◊)Ρ-1(M Pa )0.726.260.840.0180.018923.549023.5300

标定试验装置示意图见图2,其中主要设备有204B 单通道声发射仪,其系统最大增益108dB ,探头中心频率175kH z ;交流电压调压器0～250V 连续可调;CT -3型毫特斯拉计;整流滤波器及X -Y 记录仪等。

9

9　第1期 侯炳麟等:磁声发射在钢轨性能无损检测中的应用研究

试验中发现与能量有关的有效值电压V RM S 作表征参数灵敏度较高,数据稳定,背景噪声干扰小

。

图1　U

型磁化器磁化特性曲线

图2　试验装置示意图

2.试验过程与结果

用100吨万能机加载,将U 型磁化器沿试样纵向固定在试样的测试部位,再将A E 仪的探头耦合在试样表面的磁化区域附近,然后进行拉压加载试验。

试验结果如下:(1)通过测取的数据绘出零载荷下(试样不受力)磁化器的V e -H 磁化特性曲线如图1所示。(2)对试样拉压加载表明,不同受力和不同磁场强度下试样不同部位测点的M A E 强度有明显区别,故标定试验必须按钢轨不同部位分轨顶、轨腰和轨底分别进行,图3,4分别为拉压试验时轨顶部位的V e -V RM S 曲线。由图可见在相同磁场下V RM S 随载荷增加而单调下降。(3)为提高曲线分辨力,采用V RM S 曲线面积法对图3,4各曲线作数值积分求曲线下的面积F ,可得到钢轨不同部位测点的F -Ρ曲线,图5为轨顶部位的F -Ρ曲线。

2.2　钢轨残余应力的实测

利用M A E 所得的标定曲线图3～5,对U 74新钢轨进行残余应力的实测,其结果如表2。可以看出,轨头、轨底存在残余拉应力,而轨腰存在残余压应力,应力数值与文献中破损检测结果相近[7]。至于残余应力的符号判别比较复杂,我们曾利用M A E 波形规律来区分应力符号,但这种方法还需进一步研究分析。

01 实　验　力　学 (1998年)第13卷