趙海江，關(guān)衛(wèi)和，郭鵬舉

（1.浙江工業(yè)大學(xué) 化工機(jī)械設(shè)計研究所，杭州 310014；2.國家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心，合肥 230031）

34CrMo4鋼廣泛應(yīng)用于高壓無縫氣瓶和其它承壓設(shè)備元件的制造中。承壓設(shè)備元件在內(nèi)壓、循環(huán)載荷、內(nèi)部介質(zhì)等因素的共同作用下易產(chǎn)生應(yīng)力集中。在應(yīng)力集中區(qū)域，局部所承受的應(yīng)力遠(yuǎn)大于名義應(yīng)力值［1］，應(yīng)力集中的存在加速了疲勞、腐蝕的發(fā)展，甚至將發(fā)展成宏觀裂紋。因此，及時準(zhǔn)確地探測到承壓設(shè)備元件的應(yīng)力集中區(qū)域以及應(yīng)力集中程度具有重要意義［2］。

金屬磁記憶檢測的原理是利用鐵磁構(gòu)件運(yùn)行時，在應(yīng)力和變形集中區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)生的磁記憶效應(yīng)，通過對構(gòu)件表面法向磁場強(qiáng)度Hp（y）的檢測，準(zhǔn)確探測以應(yīng)力集中為特征的危險部位［3］。在實(shí)際應(yīng)用中，磁記憶技術(shù)可以檢測到應(yīng)力集中部位，但很難對應(yīng)力集中程度進(jìn)行準(zhǔn)確的定量分析。

為了對設(shè)備元件應(yīng)力集中程度進(jìn)行準(zhǔn)確的定量分析，作者通過對34CrMo4鋼板狀試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，研究表面法向磁場強(qiáng)度Hp（y）隨拉應(yīng)力σ的變化規(guī)律，結(jié)合磁場梯度的絕對值｜k｜分析了塑性變形對表面磁場強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件

試件材料選用高壓氣瓶用鋼材料34CrMo4，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，其主要力學(xué)性能為：屈服強(qiáng)度950 MPa，抗拉強(qiáng)度1 057 MPa。

從新制備的34CrMo4鋼氣瓶上沿軸向切取試件，按照GB／T 228－2010《金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)加工成光滑弧狀試件。圖1為試件具體加工尺寸，其厚度約為8.5mm。

圖1 試件幾何尺寸及檢測路徑

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

靜態(tài)拉伸試驗(yàn)在SHT4505型拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)過程中，以10 MPa·s－1的加載速度加載至預(yù)定載荷（每次載荷增加150 MPa）后，卸載并將試件取下。采集磁信號后，再次加載至更大預(yù)定載荷并測量。檢測前未對試件進(jìn)行退磁處理。試驗(yàn)過程中，環(huán)境磁場為相對恒定的大地磁場。

信號采集采用俄羅斯產(chǎn)TSC－1M－4型磁記憶檢測儀，將試件按南北方向放置，2 型探頭從A 到B的方向進(jìn)行測量，如圖1所示。圖1中1，2為兩條檢測路徑，檢測長度為70mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 斷裂前的磁信號特征

在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，兩條檢測路徑所測得的磁信號測量結(jié)果有相同的特點(diǎn)，因此以第1條路徑的檢測結(jié)果進(jìn)行分析。

圖2是34CrMo4鋼拉伸過程中彈性階段的不同位置處Hp（y）隨拉應(yīng)力的變化曲線。在未加載時，初始磁場強(qiáng)度在＋192～－135A·m－1之間，表明試件加工后存在一定的初始磁信號。筆者經(jīng)過多組試驗(yàn)測定，認(rèn)為圖2中初始磁信號較弱，并對后續(xù)拉伸過程中的磁信號分布影響較小，可以不予考慮。在彈性拉伸階段，試件表面磁場強(qiáng)度隨著拉應(yīng)力的增加而逐漸增大。初次施加載荷至150 MPa時，磁場強(qiáng)度在＋157～－316A·m－1之間分布。當(dāng)加載至900MPa時，磁場強(qiáng)度達(dá)到＋300～－387A·m－1。

圖2 彈性階段不同位置Hp（y）隨σ的變化規(guī)律

圖3 是34CrMo4 鋼拉伸過程中塑性階段的Hp（y）曲線隨拉應(yīng)力的變化曲線。當(dāng)σ＝950 MPa時，磁場強(qiáng)度降低為＋176～－334A·m－1。與圖2相比，在試件進(jìn)入塑性階段后，其表面磁場強(qiáng)度出現(xiàn)下降趨勢。當(dāng)拉應(yīng)力σ大于1 000 MPa時，磁場強(qiáng)度已趨于穩(wěn)定。

圖3 塑性階段不同位置的Hp（y）隨σ的變化規(guī)律

鐵磁物質(zhì)具有磁疇結(jié)構(gòu)以及自發(fā)磁化的特性［5］。當(dāng)對鐵磁體施加應(yīng)力產(chǎn)生應(yīng)變時，其內(nèi)部磁疇排列、自發(fā)磁化的方向?qū)l(fā)生變化［5］。圖4所示為試件受到拉應(yīng)力σ與地磁場共同作用下會產(chǎn)生磁疇的重新取向。當(dāng)試件受到拉伸載荷作用時，內(nèi)部的磁疇的磁矩發(fā)生轉(zhuǎn)動，并且伴隨著磁疇壁的位移，使得內(nèi)部磁場在拉應(yīng)力軸線方向上得到增強(qiáng)［6］。因此，在彈性階段內(nèi)，隨著拉伸載荷的不斷增大，磁疇的有序化程度增大，宏觀上試件表面的磁場越來越強(qiáng)。

圖4 拉應(yīng)力作用下磁疇的重新取向

進(jìn)入屈服階段時，試件內(nèi)部的位錯成為阻礙磁疇壁位移及磁矩轉(zhuǎn)動的主要作用［7］。位錯密度的增大會對磁疇結(jié)構(gòu)起到強(qiáng)烈的釘扎作用，阻礙了磁疇運(yùn)動的進(jìn)行，因此試件在屈服應(yīng)力附近達(dá)到磁化飽和狀態(tài)［8］。

試件斷裂前表面磁信號曲線均可近似為斜直線，且具有唯一過零點(diǎn)，因此對斷裂前Hp（y）曲線進(jìn)行線性擬合，求得直線斜率作為Hp（y）的磁場梯度。圖5所示為磁場梯度的絕對值｜k｜與拉應(yīng)力σ的對應(yīng)關(guān)系。可以看出，｜k｜隨拉應(yīng)力σ的增加呈現(xiàn)有規(guī)律的變化。在彈性階段范圍內(nèi)（C點(diǎn)到D點(diǎn)），｜k｜隨σ的增加而逐漸增大。當(dāng)加載至接近屈服強(qiáng)度時，｜k｜存在最大值。隨著塑性變形的不斷增大，｜k｜大幅度減小。有研究認(rèn)為：大的塑性會使得原有的磁疇組織發(fā)生變形甚至被分割和破壞，從而使試件表面磁場強(qiáng)度降低，｜k｜隨塑性變形加劇而減小，同時Hp（y）下降［8］。

圖5 ｜k｜隨σ的變化規(guī)律

筆者曾對Q345R 鋼試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，研究了表面磁場梯度最大值｜kmax｜隨拉應(yīng)力σ的變化規(guī)律（圖6）［9］。可見，｜kmax｜值在屈服應(yīng)力附近時有明顯的上升，屈服后｜kmax｜又有所下降，但仍高于彈性階段的數(shù)值，因此可以通過｜kmax｜值的大小來區(qū)分Q345R 試件是處于彈性狀態(tài)還是塑性狀態(tài)［9］。與圖6對比，圖5中的磁場梯度｜k｜在塑性變形階段有明顯的下降，與彈性階段的數(shù)值相似或更小，因此無法通過Hp（y）分布范圍和｜k｜值來判斷試件是處于彈性狀態(tài)還是塑性狀態(tài)。

圖6 Q345R 鋼拉應(yīng)力σ與｜kmax｜的對應(yīng)關(guān)系［9］

與45 鋼 和 Q345R 鋼 相 比［8－9］，試 驗(yàn) 中34CrMo4鋼屈服后Hp（y）分布范圍（圖3）和｜k｜值（圖5）的下降幅度較大。這一方面可能與34CrMo4鋼中非鐵磁性相成分較多有關(guān)，此時34CrMo4鋼更容易形成對疇壁位移有強(qiáng)烈阻礙作用的位錯、位錯纏結(jié)及位錯胞，從而影響表面磁場強(qiáng)度［10］。另一方面34CrMo4鋼具有較高的屈強(qiáng)比（約為0.9），該材料在屈服后很快就發(fā)生斷裂，屈服后Hp（y）分布范圍縮小和｜k｜下降較快也可能與其力學(xué)特性有關(guān)。

2.2 斷裂后的磁信號特征

當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到1 079 MPa時，試件斷裂。先將試件對接，然后沿檢測路徑進(jìn)行磁信號測量，圖7所示為所測的Hp（y）曲線。圖7中Hp（y）曲線在斷口處附近變化幅度顯著增大，并在斷口兩側(cè)出現(xiàn)峰值。此現(xiàn)象在其它拉伸斷裂［8］和疲勞試驗(yàn)［11］中的磁記憶均曾觀察到。在實(shí)際運(yùn)用中沿焊縫進(jìn)行磁記憶檢測時，與焊縫相垂直缺陷的磁信號有類似特征［12］，缺陷處Hp（y）過零點(diǎn)且磁場梯度k值明顯大于其他區(qū)域。

圖7 斷裂后Hp（y）沿檢測路徑的變化規(guī)律

3 結(jié)論

（1）34CrMo4 鋼試件拉斷前表面磁場強(qiáng)度Hp（y）隨拉應(yīng)力σ的增加而增大；接近屈服強(qiáng)度時具有最大值；進(jìn)入塑性變形后，磁場強(qiáng)度出現(xiàn)減小趨勢。

（2）磁場梯度的絕對值｜k｜隨σ的增加而增大，在接近屈服強(qiáng)度時出現(xiàn)最大值。隨著塑性變形的不斷增大，｜k｜值大幅度減小。

（3）不能通過Hp（y）分布范圍和｜k｜值來判斷34CrMo4鋼試件是處于彈性狀態(tài)還是塑性狀態(tài)。

（4）34CrMo4鋼試件拉斷前Hp（y）曲線具有唯一過零點(diǎn)；斷裂后Hp（y）曲線斷口處過零點(diǎn)，且磁記憶信號在斷口處附近變化幅度較大。

［1］ 陳星，劉昌奎，陶春虎，等.金屬材料拉伸損傷的磁記憶表征［J］.無損檢測，2009，31（5）：345－348.

［2］ 郭鵬舉，陳學(xué)東，關(guān)衛(wèi)和，等.低合金鋼拉伸過程中的表面磁信號分析［J］.磁性材料及器件，2011，10（5）：51－53.

［3］ DUBOV A A.A study of metal properties using the method of magnetic memory［J］.Metal Science and Heat Treatment，1997，39（9／10）：35－39.

［4］ DUBOV A A.Diagnostics of metal items and equipment by means of metal magnetic memory［C］／／Proceedings of the CHSNDT 7th Conference on NDT and International Research Symposium.Shantou，China：［s.l］，1999：181－187.

［5］ 任吉林，林俊明.電磁無損檢測［M］.北京：科學(xué)出版社，2008.

［6］ 董麗虹，徐濱士，董世運(yùn)，等.金屬磁記憶檢測技術(shù)低碳鋼靜載拉伸破壞的實(shí)驗(yàn)研究［J］.材料工程，2006，（3）：40－43.

［7］ 石常亮，董世運(yùn)，徐濱士.18CrNi4A 鋼靜載拉伸時磁記憶檢測試驗(yàn)［J］.裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報，2007，21（5）：19－22.

［8］ 王丹，董世運(yùn)，徐濱士，等.靜載拉伸45鋼材料的金屬磁記憶信號分析［J］.材料工程，2008（8）：77－80.

［9］ GUO P J，GUAN W H，CHEN X D.Geomagnetic field affects variation of spontaneous magnetic signals of ferromagnetic steel during tensile testing［C］／／ISSI 2011－Structural Integrity in Nuclear Engineering［s.l］［s.n］，2011：101－103.

［10］ LI J W，XU M Q.Inference of uniaxial plastic deformation on surface magnetic field in steel［J］.Meccanica，2012，47：135－139.

［11］ 董麗虹，徐濱士，董世運(yùn)，等.拉伸及疲勞載荷對低碳鋼磁記憶信號的影響［J］.中國機(jī)械工程，2006，7（17）：742－745.

［12］ DUBOV A，KOILOLNILOV S.Quality assessment of welded joints by the metal magnetic memory method compared to conventional NDT methods and means for material′properties assessment［C］／／17th Word Conference on Nondestructive Testing，Shanghai，China：［s.l］，2008：1－13.