典型铁磁构件磁记忆效应的试验研究

　　铁磁构件在使用过程中局部所承受的应力常常高达名义应力的数倍或数十倍,极易发生位错滑移变形,导致蠕变、疲劳和腐蚀的加速,甚至发展成宏观裂纹等,从而使其破裂和失效的可能性增大^[1,2]。所以有必要开发构件在役和大修时缺陷预诊断的检测技术,以确定构件的应力集中部位和设备的早期损伤区域,为常规无损检测提供参考,从而确保关键设备的可靠运行。

　　近年来兴起的磁记忆检测技术,利用铁磁性材料的磁弹性和磁机械效应,通过对载荷与地磁场共同作用下产生的磁记忆现象的检测来确定构件表面或近表面的应力集中部位,可准确可靠地探测铁磁构件上以应力集中区为特征的危险部位,是对金属构件进行早期诊断的行之有效的无损检测方法^[3,4]。

　　下面通过对Q235钢在静拉伸试验过程中磁特性参数的测量,总结了试件表面磁场信号随应力状态不同的变化规律,从而进一步探讨了磁记忆检测技术的机理,为该方法在承载铁磁构件早期损伤检测中的应用做了先导性的研究工作。

　　1　试件的制备

　　选取材料为Q235钢的平板试件。Q235钢的主要化学成分为碳0.14%,硅0.12%,锰0.35%,硫0·05%。主要力学参数为,屈服点σs=235 MPa,抗拉强度375 MPa,伸长率为26%。

　　试件经平整加工和切割后,厚度为3 mm,中间加工有一个长10 mm的线切割缺陷以便于在静拉伸过程中产生局部应力集中,具体形状和尺寸如图1所示。考虑到平整加工过程中存在残余应力,需将试件进行退火处理以消除残余应力。

　　2　第一阶段拉伸试验及磁场测量

　　试验在600 kN液压万能试验机上进行。由上述可得试件达到屈服所需的载荷F为

　　F =σs·S =235×(70-10)×3=42.3 kN

　　式中S为试件横截面积。在安装试件前,利用磁记忆检测仪对试件进行检测,未发现有效信号,放置在拉伸试验机上逐级加载,载荷依次为σs0.2,σs0.4,σs0.6,σs0.8,σs和σs1.2(其中0.2,0.4,…,1.2表示应力与屈服应力的比值)。在每步载荷施加完毕后,均采用弱磁场测量仪测量试件表面各点磁场大小。结果发现当载荷在0~σs0.8范围时,随外载荷的增加,试件表面磁场信号强度也增加,并在σs0.8左右达到最大值,在>σs0.8时,磁场信号减弱。图2为某试件线切割左边端点处的磁场测量结果。

　　出现上述现象的主要原因是,当载荷位于0~σs0.8时,随着载荷的增加,试件内部应力能增加,由于磁弹性效应的作用,构件应力集中处的磁化状态也逐渐加剧,但仍处于线弹性或小范围屈服状态。当载荷>σs0.8时,随着加载的继续,构件发生大范围屈服,逐步趋于塑性变形,此时构件发生应变强化过程,阻止继续变形,并使屈服极限提高。由于发生塑性变形后,塑性区能量有所释放,转化为磁弹性能的能量减小^[5],因而测得的磁场信号强度减弱。