地磁场方向对应力集中引起的磁场畸变的影响

    磁记忆检测方法对金属零件应力状态的评估主要是根据应力集中引起磁场畸变的磁弹性效应原理[1]。通过检测在外部激励磁场下(如地磁场)工件表面的磁场分布状况,从表面磁场分布畸变位置确定应力集中位置,从畸变幅度得到应力集中的程度[2]。但磁记忆检测方法的检出信号受工件本身的剩余磁场和外部激励磁场的影响很大[3,4],在工业应用中,金属零件在应力集中产生后须经历复杂的使用过程后才进行检测,以确保其可靠性。在这个过程中,其外部磁场有可能经历过复杂的变化过程。从零件的角度上说,这种外部磁场(一般为地磁场)的方向变化对工件剩余磁化强度和表面磁场分布的影响在目前还没有比较明确而公认的结论[5,6]。笔者设计了一个模拟地磁场环境的实验。研究了在地磁环境下,当金属零件与磁场的角度发生变化时应力集中导致的磁场畸变幅度的变化,作为外部激励磁场对磁记忆检测信号影响的初步探讨。

1　实验设计

1.1　实验环境设定

    对于大多数金属来说,工件运动等原因造成磁场方向变化过程大多是在同一平面上进行的。对此,地磁场的作用可拆分成垂直于运动平面、运动平面上的平行于载荷方向和垂直于载荷方向这样三个正交分量分别考虑。

    (1)对于垂直于运动平面的磁场分量而言,忽略地磁场本身的波动后,在整个过程中基本是不变的,因此,在模拟实验中作为固定环境条件给出。

    (2)对于运动平面上的两个正交分量,在运动过程中一直在变化,而且变化过程复杂,无法一一进行实验,但其变化可归纳为在固定方向的磁场中反复来回摆动或旋转。因此,这两个方向的磁场可按正、余弦曲线值给出变化的磁场值。

    综合上述三个方向磁场分量的特点,设定实验基本为利用三维空间线圈系统产生竖直方向固定、水平面不断旋转的磁场,检测提离为2 mm的情况下,承受1 000 N拉伸载荷的试样表面的磁场分布的变化,研究在模拟地磁场环境中地磁场方向变化对畸变磁场检测结果的影响。

图1为水平面上外部激励磁场在两个正交轴上的大小变化。

1.2　实验设备简介

    从功能上分类,实验设备主要包括三个方面:研究对象(试样)、外部环境设定设备(三维空间线圈系统、磁通门和便携式应力加载仪)以及检测试样表面磁场分布的设备(磁阻传感器、无线微磁检测仪[7]、三维扫查架和PC控制终端)。系统结构见图2。

    实验采用45号钢3号试样(图3),试样为厚度2 mm的钢板,查得其应力集中系数为2。当在试样两端施加拉伸应力时,试样中心小孔处最大应力σ和拉伸载荷F之间的关系为: