不同应力状态下金属磁记忆检测信号特征

　第30卷第3期　2007年3月

合肥工业大学学报

(自然科学版)

J OU RNAL OF H EFEI UN IV ERSIT Y OF TECHNOLO GY

Vol.30No.3　

Mar.2007　

收稿日期:2006203203;修改日期:2006205215作者简介:张　静(1971-),女,江苏南京人,南京农业大学讲师.

不同应力状态下金属磁记忆检测信号特征

张　静1,　周克印2

(1.南京农业大学工学院,江苏南京　210032;2.南京航空航天大学无损检测中心,江苏南京　210016)

摘　要:文章介绍利用金属磁记忆无损检测技术研究了构件在单向拉伸应力状态和纯剪切应力状态下的磁记忆检测信号特征,并对此进行了对比和分析。通过试验发现,磁记忆检测信号与构件的损伤状态之间具有明显的相关性,通过检测法向磁场的过零点可以实现对构件早期损伤的检测。关键词:磁记忆;铁磁性构件;无损检测

中图分类号:T G 115.28 文献标识码:A 文章编号:100325060(2007)0320381203

Analysis of the characteristics of the metal magnetic

memory signal under different stress states

ZHAN G Jing 1,　ZHOU Ke 2yin 2

(1.Engineering College ,Nanjing Agricultural University ,Nanjing 210032,China ;2.The Center of Nondestructive Testing ,Nanjing U 2niversity of Aeronautics &Astronautics ,Nanjing 210016,China )

Abstract :The metal magnetic memory (MMM )testing technique is applied to st udy t he characteristics of t he MMM signal produced under t he uniaxial tensile st ress state and t hose under t he p ure shear st ress parison and analysis of t he test result s are carried out.It is found t hat t he MMM sig 2nal has apparent relationship wit h t he damage ,and t hat by t he zero value of t he MMM signal ,t he hidden damage in t he ferromagnetic compo nent can be detected.

K ey w ords :magnetic memory ;ferromagnetic st ruct ure ;nondest ructive testing

在现代工业中,大量的铁磁性金属构件,特别是锅炉压力容器、管道、桥梁、铁路、汽轮机叶片、转子和重要焊接部件等,在使用过程中会不同程度承受疲劳载荷,从而引发疲劳裂纹,出现频率损伤失效。由于疲劳裂纹大多萌生于表面或近表面的微观缺陷所带来的应力集中区域,故有效地实施构件表面及近表面的应力检测,对铁磁性材料构件的安全使用具有非常重要的意义。目前常用是无损检测方法都以裂纹、气孔及夹杂等缺陷为搜索目标。它们对于金属构件的早期损伤,难以实施有效地评价,金属磁记忆检测技术为此提供了新的检测方法[1]

。

金属磁记忆就是铁磁性金属在工作过程中,发生具有磁致伸缩性质磁畴组织的定向及不可逆的重新取向,载荷卸除后这种磁效应会有所保存,而且其程度与结构损伤有关[2-4]

。

本文研究了构件在单向拉伸应力状态和纯剪切应力状态下的磁记忆检测信号特征,并对此进行了对比和分析。

1　试 验

试件选用A3钢制成,直径为10mm ,如图1所示。每次加载完毕,将试件缓慢卸载,沿其圆周上均分的4根母线,用EMS 22000智能磁记忆诊断仪测量其表面磁场法向分量,并记录不同载荷下试件每根母线的法向磁场分量。

试件外表面沿轴线方向的法向磁场的分量(即磁记忆信号)及法向磁场过零点位置,见表1所列。其中法向磁场强度值H 分别对应图1中的左端点和右端点,法向磁场过零点的位置L 对

应的是距左端点的距离。

表1　试件在不同应力状态下的磁记忆信号应力状态

载荷

/kN H /(A ・m -1)

左端点

右端点

L /mm

单拉

030-40568.330-405218.4

325-3037、40、43、4524.833

50-6053、62、6630.380-9052、56纯剪切020-57919.6

25-1064、65、6839.2

3

30-1064、66、70

58.833

40-304578.4

45

-40

41

注:“3”表示接近屈服;“33”表示屈服后

。

图1　试件及测量点位置

从试验结果可以发现,在不同的应力状态下磁记忆信号具有以下规律。

(1)屈服前,当载荷比较小时,在单向拉伸应力状态下,法向磁场过零点位置和磁场强度法向分量与未加载时基本一样,表明拉伸时小载荷对磁记忆信号几乎无影响。与拉伸试样不同的是在纯剪切应力状态下,出现了多个法向磁场过零点。

(2)接近屈服时,在单向拉伸应力状态下,磁场强度法向分量值都略有减小,法向磁场过零点开始增加。在纯剪切应力状态下,随着载荷的逐步增加,不同母线上磁场强度法向分量均出现缓慢地增加,且不同母线上均出现了多个法向磁场的过零点。

(3)屈服后,在2种应力状态下,法向磁场强度值均出现了比前面较明显的增长,在单向应力状态下,磁记忆信号图出现了明显的混乱,出现较多的法向磁场过零点。而在纯剪切应力状态下,过零点基本唯一,且对应于最终破坏截面位置。如图2、图3所示。

(4)从整个变形过程来看,纯剪切应力状态比单向拉伸应力状态的法向磁场强度值小。

2　试验结果分析

(1)当铁磁工件被磁化时,如果工件表面存

在着切割磁力线的缺陷时,部分磁通就会从缺陷

部位逸出工件,越过缺陷上方然后再进入工件,形

成所谓的漏磁场。其法向分量在缺陷中线上方改

变符号,具有零值点[2]

,并且法向漏磁场强度随着缺陷深度的增加而增大,在一定范围内两者近似于直线关系。而缺陷宽度对法向漏磁场的影响比

较小,在缺陷宽度很小时,变化几乎可以忽略[5]

。在拉伸试验中,当载荷很小时,由于未达到晶粒滑移的临界切应力,因此位错源未开动,不产生位错塞积,没有形成新的微裂纹,同时原有的微裂纹深度未产生明显扩展,因此法向磁场过零点位置以及磁场强度法向分量与未加载时基本一样。

在扭转试验中,由于τs =(0.5～0.6)σs 。因此扭转变形中晶粒发生滑移要比拉伸变形中容易。故在小载荷时,处于有利位向的晶粒首先发生滑移,位错增殖,产生位错塞积,形成微裂纹,在磁记忆信号图上就反应为法向磁场上就会出现多个过零点

。

图2　

屈服后的拉伸试件磁记忆信号图

图3　屈服后的扭转试件磁记忆信号图

(2)铁磁性工件在受载时,其应力能[2]表达

式为

E σ=-32

λs

σco s 2θ其中,λs 为磁致伸缩系数;

θ为应力σ方向与磁化方向间的夹角。当λs >0时,若θ=0或π,将使应力能最小。这表示对于磁致伸缩为正的材料,施加拉力将使材料的磁化强度趋向于拉力方向。而施加压力时,平行于压应力方向的磁畴将会减少,如图4所示。

2

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