金属试件残余应力及损伤的磁记忆检测方法研究

　　金属构件在动、静载荷作用下产生应力集中和损伤而导致失效是发生事故的重要原因之一。对金属构件的损伤和应力集中程度进行检测和评估,一直是工程材料科学领域引人关注的问题。对于大型关键性金属构件的应力集中和损伤情况进行现场快速检测和评定,从而对设备的安全性和使用寿命进行正确评估,是具有重要价值和广泛需求的一项研究课题。利用地磁场环境下的磁弹性和金属磁记忆效应,可以在现场对设备关键构件进行快速检测,无需清理被测件表面,是较有潜力的一种新方法^[1,2]。

　　下面对这种新方法进行了典型受力情况下的实验室研究,并对结果进行了材料学方面的机理分析。

　　1　单向拉伸试验

　　1.1　试验装置及试件

　　试验在自行设计的拉伸加载装置上进行,利用油压千斤顶作为加载装置,通过应变仪读取加载时的力值;试件由45号钢制成,为了减小在地磁场环境下试件端部退磁场对检测结果的影响,采用加长的无缺口标准拉伸试件(图1)。

　　1.2　检测仪器与试验方法

　　检测仪器采用俄罗斯动力诊断公司的高灵敏度磁记忆检测仪TSC1M-4,试验时通过应变仪读取数值,当载荷增长明显变缓时表明试件拉伸已经到了塑性阶段,拉伸试件中已经积聚了大量的微损伤。

　　检测时将传感器探头垂直于试件表面,沿图1所示的测试点读取试件表面磁场强度垂直分量H,绘制H沿试件长度的分布情况,通过磁场强度的变化特征,判断试件表面残余应力和损伤情况。

　　1.3　试验过程及结果

　　利用磁记忆检测传感器检测到的沿试件长度方向的磁场强度分布情况如图2所示。由于磁场强度沿试件长度方向的梯度值dH/dx是衡量应力集中与损伤的重要特征量^[3],图中也给出了梯度沿长度方向的分布值。从图中可以看出,在从试件左端起始的相当长一段内,磁场强度H值呈现小幅度的振荡,这可能和试件的原始状态有关。由于试件未经去除残余应力退火,还会保留较大的热加工如轧制加工过程产生的残余应力。在距离试件左端300~340 mm,磁场强度具有较大值且出现过零点,磁场强度的梯度值也取得较大值,因此着重选取该段试件进行研究和分析。

　　1.4　X射线衍射及材料学试验分析

　　对截取的试件片断(图1)进行X射线衍射分析,图3为X射线衍射法的残余应力检测结果,从图中可以看出,所选片断的残余应力总体为压应力,这和试件的初始状态有关。试件为淬火后状态,表面具有相同大小的残余压应力,内部具有残余拉应力。当施加拉伸载荷后,表面的残余应力值大小总体减小。最明显的是在图中46 mm处,残余压应力值减小到大约-9 kg/mm²,同其它测试点残余压应力相差较大。由于该部位受到拉伸载荷作用最大,在后面的金相试验中可以观察到,该部位塑性变形最严重,裂纹萌生最多,易产生断裂。