任尚坤,黃 隱,習(xí)小文,趙珍燕,段振霞

(南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南昌 330063)

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Q235鋼在扭轉(zhuǎn)載荷作用下的磁化反轉(zhuǎn)效應(yīng)

任尚坤,黃 隱,習(xí)小文,趙珍燕,段振霞

(南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南昌 330063)

磁記憶檢測(cè)技術(shù)是近期發(fā)展起來(lái)的可早期發(fā)現(xiàn)金屬檢測(cè)試件損傷的新的無(wú)損檢測(cè)方法，研究磁化反轉(zhuǎn)效應(yīng)可以解決磁記憶檢測(cè)技術(shù)中的基礎(chǔ)問(wèn)題和應(yīng)用瓶頸。通過(guò)反復(fù)地加載和卸載，測(cè)量了Q235低碳鋼試件在不同的扭矩作用下，表面固定點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度隨扭矩變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明，在彈性階段，磁感應(yīng)強(qiáng)度B與扭矩T近似成直線關(guān)系。當(dāng)扭矩T達(dá)到或超過(guò)屈服扭矩(39.98 N·m)之后，磁感應(yīng)強(qiáng)度B與扭矩T的關(guān)系表現(xiàn)為先增大后減小。隨著屈服過(guò)程向圓心的轉(zhuǎn)移，磁感應(yīng)強(qiáng)度差值ΔB的差距進(jìn)一步加大。在接近抗拉扭矩后，磁感應(yīng)強(qiáng)度差值ΔB的變化量進(jìn)一步增大。試驗(yàn)得出：試件的磁感應(yīng)強(qiáng)度在扭矩作用下，存在磁化反轉(zhuǎn)效應(yīng)，并對(duì)扭轉(zhuǎn)過(guò)程中的力-磁關(guān)系做出了簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià)。

磁化反轉(zhuǎn);力-磁關(guān)系;金屬磁記憶;扭轉(zhuǎn)

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，現(xiàn)代工業(yè)正日益向高速、高載、高頻的方向發(fā)展，零件、材料在使用過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生失效問(wèn)題。對(duì)材料使用前期進(jìn)行有效地?zé)o損檢測(cè)，可以避免或減少惡性事故的發(fā)生。在前期的檢測(cè)過(guò)程中，金屬磁記憶檢測(cè)[1-2]是迄今為止對(duì)金屬部件進(jìn)行早期診斷行之有效的無(wú)損檢測(cè)方法之一，對(duì)避免破壞性事故的發(fā)生具有重要意義。鐵磁性材料在地磁場(chǎng)、應(yīng)力、內(nèi)部組織相互作用下，材料表面會(huì)產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，磁記憶檢測(cè)技術(shù)是通過(guò)對(duì)材料表面漏磁場(chǎng)的檢測(cè)來(lái)評(píng)價(jià)材料的損傷狀況。磁化反轉(zhuǎn)效應(yīng)是力-磁效應(yīng)、位錯(cuò)磁化效應(yīng)和磁疇組織效應(yīng)的三種主要效應(yīng)的結(jié)合[3]。對(duì)磁記憶的基本規(guī)律及機(jī)理的理解目前尚無(wú)統(tǒng)一定論，有待深入的研究和探索[4]。

關(guān)于研究力-磁效應(yīng)的拉伸、疲勞試驗(yàn)比較多[5-7]。任尚坤教授研究了鐵磁試件應(yīng)力磁化過(guò)程中的磁化反轉(zhuǎn)效應(yīng)，并建立了兩種應(yīng)力磁化效應(yīng)的應(yīng)力等效磁場(chǎng)模型和磁導(dǎo)率數(shù)學(xué)模型[8-9]，但對(duì)扭轉(zhuǎn)作用下的磁化反轉(zhuǎn)效應(yīng)的研究還未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。筆者通過(guò)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)來(lái)研究力磁效應(yīng),本質(zhì)上，拉伸與扭轉(zhuǎn)都是應(yīng)力引起的材料內(nèi)部晶粒的變化，從而導(dǎo)致的材料形變。拉伸過(guò)程是通過(guò)拉伸載荷的作用，導(dǎo)致構(gòu)件截面的整體變形，其過(guò)程可以分為彈性、屈服、強(qiáng)化和頸縮四個(gè)階段。但構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)過(guò)程在扭矩的作用下表現(xiàn)為彈性、屈服和強(qiáng)化三個(gè)階段，并且其屈服過(guò)程是由表面逐漸向圓心擴(kuò)展而形成環(huán)形塑性區(qū)的。當(dāng)構(gòu)件橫截面全部屈服后，試件才全面進(jìn)入塑性階段。在屈服階段后期，扭矩基本不動(dòng)或呈下降趨勢(shì)的輕微波動(dòng)，而扭轉(zhuǎn)變形繼續(xù)增加。

1 試驗(yàn)過(guò)程

采用深圳三思縱橫科技股份有限公司的電子扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)在室溫下進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)。電子扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的主要參數(shù)為：試驗(yàn)機(jī)級(jí)別為1級(jí)/0.5級(jí)；扭轉(zhuǎn)速度為6～720(°)·min-1；扭轉(zhuǎn)計(jì)扭角分辨力為0.004 5°;扭矩分辨力為最大扭矩的1/300 000 N·m。

采用美國(guó)LakeShore公司生產(chǎn)的421Gaussmeter弱磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x收集漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。421Gaussmeter是LakeShore公司為適應(yīng)永磁工業(yè)的動(dòng)態(tài)變化而設(shè)計(jì)的，具有極快的反應(yīng)速度，極高的分辨率和極佳的磁通密度測(cè)量重復(fù)性。測(cè)量范圍：10-9～30 T；準(zhǔn)確度：0.2%；刷新率：18 次·s-1。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置外觀

試件采用Q235低碳鋼標(biāo)準(zhǔn)試件，試驗(yàn)前對(duì)所有試件進(jìn)行去應(yīng)力退火。試件的尺寸示意如圖2所示。

圖2 試件斷面結(jié)構(gòu)示意

試驗(yàn)過(guò)程中用電子扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)測(cè)量試件1的扭矩-轉(zhuǎn)角曲線，了解Q235低碳鋼的扭轉(zhuǎn)-轉(zhuǎn)角曲線和試件的彈、塑性變形規(guī)律。根據(jù)試件的扭轉(zhuǎn)-轉(zhuǎn)角曲線，設(shè)計(jì)試驗(yàn)最大加載值。根據(jù)每次設(shè)計(jì)的加載梯度值進(jìn)行加載試驗(yàn),每次加載到設(shè)定的加載值時(shí)，在線測(cè)量M點(diǎn)(位于整個(gè)構(gòu)件長(zhǎng)度的四分之一表面處)的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度大小；設(shè)置合適的梯度(20 N·m時(shí)以1 N·m為梯度逐級(jí)變化；40，44，52 N·m時(shí)以2 N·m為梯度逐級(jí)變化；60，80 N·m時(shí)以5 N·m為梯度逐級(jí)變化)，重復(fù)試驗(yàn)，反復(fù)進(jìn)行加載-卸載過(guò)程四次，記錄每次測(cè)量所得的數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3 Q235鋼扭矩-轉(zhuǎn)角曲線

試驗(yàn)開始前，首先對(duì)試件1進(jìn)行扭矩-轉(zhuǎn)角測(cè)試，測(cè)定該扭轉(zhuǎn)試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等重要數(shù)據(jù)。通過(guò)圖3完整的扭轉(zhuǎn)曲線發(fā)現(xiàn)：試件在扭轉(zhuǎn)的狀態(tài)下屈服強(qiáng)度為39.98 N·m，抗拉強(qiáng)度為82.86 N·m。因此39.98 N·m是彈性階段轉(zhuǎn)塑性階段的重要臨界點(diǎn)，對(duì)研究扭轉(zhuǎn)的力磁效應(yīng)有重要影響。

(1) 扭矩在20 N·m時(shí)，試件處于彈性扭轉(zhuǎn)階段。

圖4(a)表示扭矩T在0～20 N·m范圍內(nèi)反復(fù)加載和卸載時(shí)，第二次測(cè)量時(shí)點(diǎn)M上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨扭矩T的變化曲線。由圖4(a)可知：測(cè)量點(diǎn)M上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨扭矩T的增大而增大(正負(fù)號(hào)表示磁場(chǎng)方向)，二者成正比關(guān)系，并沒(méi)有表現(xiàn)出磁化反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。在扭矩的加載過(guò)程中，近似于直線，在扭矩的加載和卸載過(guò)程中，二者用不同的曲線擬合，其斜率大致相當(dāng)。這個(gè)過(guò)程中扭矩T增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度B相應(yīng)地線性增大，變化率為1.9%，漏磁場(chǎng)的變化量與動(dòng)態(tài)扭矩變化有關(guān)。

(2) 扭矩在40～44 N·m時(shí)，試件扭轉(zhuǎn)進(jìn)入表面屈服階段。

圖4(b)、(c)分別表示扭矩T在0～40 N·m和0～44 N·m范圍內(nèi)反復(fù)加載-卸載時(shí)，第三次記錄測(cè)量點(diǎn)M上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨扭矩T的變化曲線。由圖4(b)可知：測(cè)量點(diǎn)M上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B不是單一地隨著扭矩T的增長(zhǎng)而變大，而是先隨著T急劇增大中間平穩(wěn)過(guò)渡而后再急劇減小，表現(xiàn)出明顯的扭矩磁化反轉(zhuǎn)。加載過(guò)程中極值點(diǎn)在20～22 N·m處，而在卸載過(guò)程中極值點(diǎn)在8～10 N·m處。經(jīng)歷了一次加載和卸載完成后，扭矩T在0 N·m時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度差值ΔB相互接近，但是難以回到初始位置。其中加載過(guò)程中，在B的增大區(qū)間，扭矩T在0～40 N·m和0～44 N·m間漏磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化率分別為1.3%,0.9%。

圖4 磁感應(yīng)強(qiáng)度隨扭矩T的變化曲線

這是因?yàn)?，?dāng)扭矩接近或達(dá)到了40 N·m時(shí)，隨著扭矩T的增大，與拉伸類似，試件內(nèi)部相應(yīng)的晶粒會(huì)出現(xiàn)位錯(cuò)滑移，逐漸形成大量的滑移區(qū)，宏觀上表現(xiàn)為塑性變形，此時(shí)當(dāng)扭矩達(dá)到了塑性區(qū)域后，引起了材料的部分硬化。而在卸載過(guò)程中，當(dāng)外應(yīng)力逐步消除后，晶粒內(nèi)部原子的位錯(cuò)滑移不能沿原路徑全部回復(fù)到初始狀態(tài)，只能部分返回初始狀態(tài)。但扭轉(zhuǎn)和拉伸又不相同，橫截面邊緣處的剪切應(yīng)力先達(dá)到屈服極限，而且塑性區(qū)逐漸向圓心擴(kuò)展，形成環(huán)形塑性區(qū)，但是中心部分仍是有彈性的，這是一個(gè)逐步轉(zhuǎn)變的過(guò)程。從圖4(b)、(c)可以看出，經(jīng)歷了一次加載-卸載過(guò)程后，扭矩T在0 N·m時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度差值ΔB差異不大，卸載完成后大部分漏磁場(chǎng)能返回至加載前的磁感應(yīng)強(qiáng)度位置。說(shuō)明目前的扭轉(zhuǎn)只是發(fā)生在試件表面及其以下區(qū)域，并沒(méi)有擴(kuò)展至圓心區(qū)域。

(3) 扭矩在52～60 N·m時(shí)，試件扭轉(zhuǎn)已經(jīng)達(dá)到圓心屈服階段。

圖4(d)、(e)分別表示扭矩T在0～52 N·m和0～60 N·m范圍內(nèi)反復(fù)加載-卸載時(shí)，第三次記錄測(cè)量點(diǎn)M上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨扭矩T變化曲線。由圖4(d)、(e)可知：測(cè)量點(diǎn)M上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨著扭矩T的先平穩(wěn)過(guò)渡然后緩慢增大，在30 N·m左右達(dá)到了極值后，急劇減小。在加載和卸載過(guò)程都出現(xiàn)明顯的磁化反轉(zhuǎn)效應(yīng)，此時(shí)在加載和卸載過(guò)程中的極值點(diǎn)均在30 N·m。經(jīng)歷了一次完整的加載-卸載后，扭矩T在0 N·m處加載前和卸載后的磁感應(yīng)強(qiáng)度差ΔB變大，卸載后的磁感應(yīng)強(qiáng)度難以回到初始加載時(shí)的位置。隨扭矩的增大、磁感應(yīng)強(qiáng)度差ΔB的變化也在增大。說(shuō)明試件在扭矩T的作用下已經(jīng)形變完成，試件的屈服從試件表層向圓心處擴(kuò)展直到整個(gè)界面幾乎都是塑性區(qū)。

從圖4(b)、(c)、(d)和4(e)可以看到，在不同扭矩T加載的情況下，其最大磁感應(yīng)強(qiáng)度B的位置發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)移。當(dāng)扭矩T在40，44，52,60 N·m時(shí)，加載過(guò)程中磁感應(yīng)強(qiáng)度B最大值出現(xiàn)的位置分別是在20， 22， 30,30 N·m點(diǎn)處，呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵嚰幵谒苄宰冃沃?，隨著扭矩載荷的加大，內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生明顯的變化，材料的硬化作用更加明顯，因此最大磁感應(yīng)強(qiáng)度B的位置會(huì)發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)移，且隨扭矩逐漸增大。這同重復(fù)加載同一材料，會(huì)使得材料的機(jī)械強(qiáng)度增強(qiáng)的原理類似。

(4) 扭矩在80 N·m時(shí)，試件扭轉(zhuǎn)已經(jīng)接近抗拉扭矩。

圖4(f)表示扭矩T在0～80 N·m范圍內(nèi)反復(fù)加載-卸載時(shí)，測(cè)量點(diǎn)M上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨扭矩T的變化曲線。其中圖4(f)是從第3次加載試驗(yàn)開始，這之間加載-卸載循環(huán)過(guò)程的數(shù)據(jù)。由圖4(f)可知，此時(shí)扭矩已經(jīng)接近抗拉強(qiáng)度82.86 N·m，磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨著扭矩T還是先緩慢地增大，最后急劇減小，存在明顯的磁化反轉(zhuǎn)。但是此時(shí)的加載-卸載曲線的趨勢(shì)已經(jīng)出現(xiàn)了稍微的差別，加載過(guò)程中在15～35 N·m時(shí)出現(xiàn)了緩沖階段，而在卸載過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)，只是在15 N·m出現(xiàn)了最大磁感應(yīng)強(qiáng)度B。并且從圖4(f)看到，整個(gè)加載-卸載過(guò)程完成后，卸載后的磁感應(yīng)強(qiáng)度B能夠恢復(fù)到加載起始時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值(數(shù)值相差僅0.005)，并沒(méi)有存在明顯的遲滯現(xiàn)象，但在圖4(b)～(e)的加載過(guò)程中都存在明顯的磁滯過(guò)程，即扭矩T在0 N·m處卸載后同加載前的磁感應(yīng)強(qiáng)度B存在明顯的滯后，且隨著扭矩T的增大遲滯現(xiàn)象更加的明顯。這是因?yàn)榕ぞ氐淖饔脿顟B(tài)決定了磁疇壁遷移的阻力。遲滯現(xiàn)象是磁疇壁不可逆遷移所產(chǎn)生的結(jié)果，當(dāng)試件接近抗拉階段，內(nèi)部磁疇壁阻力作用完全消除，此時(shí)，卸載后的磁疇壁受扭矩的作用能回復(fù)到原始位置。

3 結(jié)論

(1) 當(dāng)扭矩T在20 N·m時(shí)，漏磁場(chǎng)與扭矩的相互對(duì)應(yīng)為正比例關(guān)系，沒(méi)有表現(xiàn)出磁化反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，此時(shí)漏磁場(chǎng)的變化量是與動(dòng)態(tài)扭矩有關(guān)。

(2) 當(dāng)扭矩T達(dá)到或超過(guò)了屈服扭矩(39.98 N·m)之后，磁感應(yīng)強(qiáng)度B在扭矩T的作用下存在著明顯的磁化反轉(zhuǎn)效應(yīng)，為扭轉(zhuǎn)過(guò)程中的力-磁關(guān)系做出了簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià)。

(3)當(dāng)扭矩T超過(guò)屈服階段后，扭矩T在0 N·m處的漏磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度差值ΔB進(jìn)一步增加。

[1] DOUBOV A A. Diagnostics of metal items and equipment by means of metal magnetic memory[J]. NDT′99 and UK Corrosion′99, 1999，32: 287-293.

[2] DOUBOV A A. Development of a metal magnetic memory method[J]. Chemical and Petroleum Engineering, 2012, 12(47): 839-867.

[3] ROSKOSZ M, BIENIEK M. Evaluation of residual stress in ferromagnetic steels based on residual magnetic field measurements[J]. NDT&E International, 2012, 45: 55-62.

[4] 任吉林, 林俊明, 任文堅(jiān),等. 金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J]. 無(wú)損檢測(cè), 2012, 34(4): 154-159.

[5] YAO K, WANG Z D, DENG B, et al. Experimental research on metal magnetic memory method[J]. Experimental Mechanics, 2012, 52(3): 305-314.

[6] YAO K, DENG B, WANG Z D. Numerical studies to signal characteristics with the metal magnetic memory-effect in plastically deformed samples[J]. NDT & E International, 2012, 47: 7-17.

[7] 方發(fā)勝,周培,張利明,等.疲勞試驗(yàn)下應(yīng)力集中與磁信號(hào)的關(guān)系[J].無(wú)損檢測(cè),2014,36(3):30-35.

[8] 任尚坤, 周莉, 付任珍,等. 鐵磁試件應(yīng)力磁化反轉(zhuǎn)效應(yīng)研究[J]. 鋼鐵研究學(xué)報(bào), 2010, 22(12): 48-52.

[9] 李一, 任尚坤. 鐵磁試件靜載拉伸時(shí)應(yīng)力磁化的反轉(zhuǎn)效應(yīng)[J]. 鋼鐵研究學(xué)報(bào), 2013, 25(3): 30-33.

Magnetizing Reversion Effect under Torsion Action of Q235 Steel

REN Shang-kun, HUANG Yin, XI Xiao-wen, ZHAO Zhen-yan, DUAN Zhen-xia

(Key Laboratory of Nondestructive Testing, Ministry of Education, Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063, China)

The metal magnetic memory technology is a recently developed new NDT method capable of the early detection of damages in test piece. Study on the magnetization reversal effect is to understand the basic principle of magnetic memory testing technology and to solve its application bottlenecks. By repeatedly loading-unloading the Q235 mild steel specimens under different torques, the magnetization value at surface fixed point was measured together with corresponding torques. The results show that at the elastic stage the magnetic flux densityBshows approximately linear relationship with torqueT. When the torqueTreaches or exceeds the yield torque (39.98 N·m), the relationship between them performs as increasing first and then decreasing. With the yield process transferring to the center, the gap magnetic flux density ΔBis further opened. After approaching the tensile torque, the amount of change in magnetic flux density ΔBis further increased. Test shows that there exists the magnetizing reversion effect in the specimen magnetic flux density under the effect of torque, and it may provide basis for the evaluation of the stress-magnetism relationship in the course of torsion action.

Magnetization reversal; Stress-magnetism relation; MMM; Reverse

2015-05-28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51261023)

任尚坤(1963-)，男，教授，主要研究方向?yàn)殡姶艡z測(cè)技術(shù)及儀器。

黃 隱，E-mail:huangyin_0828@126.com。

10.11973/wsjc201611006

TG115.28

A

1000-6656(2016)11-0030-04