王建波

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用磁法檢測(cè)不銹鋼殘余應(yīng)力的探討

王建波

（四川省理化計(jì)量無損檢測(cè)有限責(zé)任公司，四川 成都 610010）

殘余應(yīng)力的存在，將影響構(gòu)件的靜載強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕等性能及尺寸的穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)將直接引發(fā)裂紋缺陷。以地磁場(chǎng)為磁源，根據(jù)殘余應(yīng)力使材料磁導(dǎo)率改變的特性，通過微磁檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)304不銹鋼表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化，為其內(nèi)部殘余應(yīng)力進(jìn)行了定位和初步定量。通過測(cè)量退火前后304不銹鋼內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化來確定殘余應(yīng)力的變化。通過檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力大小與磁場(chǎng)強(qiáng)度之間有密切關(guān)系，在退火前后其殘余應(yīng)力改變的幅值一定，而磁場(chǎng)強(qiáng)度所改變的幅值也相對(duì)穩(wěn)定。用磁法檢測(cè)304不銹鋼的殘余應(yīng)力是可行的。

304不銹鋼；殘余應(yīng)力；磁場(chǎng)強(qiáng)度；磁法檢測(cè)

在機(jī)械加工進(jìn)程中，殘余應(yīng)力的產(chǎn)生、疊加及釋放會(huì)造成構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力狀況重新分布，就可能影響構(gòu)件的尺寸和形位精度以及裝配精度，降低構(gòu)件的抗疲勞強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕及抗蠕變開裂的能力，最終影響到機(jī)器設(shè)備的性能與使用壽命。所以，對(duì)構(gòu)件中的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量很有必要。

測(cè)量殘余應(yīng)力大致分為有損測(cè)量法和無損測(cè)量法兩類。有損測(cè)量法通常采用切削或鉆孔等方法把要測(cè)量殘余應(yīng)力的工件的一部分分離開，使其中殘余應(yīng)力被釋放；無損測(cè)量法是運(yùn)用被測(cè)試件的一些特性與應(yīng)力及應(yīng)變的特定關(guān)系來說明試件的應(yīng)力分布情況。上述方法都有其自身局限性，因而殘余應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)的研究仍然具有十分重要的意義。

1 磁性法檢測(cè)

磁性法是一種新興的無損測(cè)量手段，它是以地磁場(chǎng)為磁源，根據(jù)殘余應(yīng)力使材料磁導(dǎo)率改變特性，通過微磁檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)工件表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化，為工件內(nèi)部殘余應(yīng)力定位，具有技術(shù)完善、儀器精巧、攜帶方便、操作簡(jiǎn)單及對(duì)測(cè)點(diǎn)表面處理要求不太高等特點(diǎn)，且測(cè)量深度可達(dá)幾毫米，適用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

磁性法主要通過應(yīng)力和磁導(dǎo)率、應(yīng)力和磁噪聲的聯(lián)系對(duì)試件的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，但只限于對(duì)鐵磁性材料，對(duì)于非鐵磁性材料，將試件置于均勻的地磁場(chǎng)0中，均勻的地磁力線穿過整個(gè)試件，由于試件材料的磁導(dǎo)率特性存在，試件本體會(huì)引起地磁場(chǎng)強(qiáng)度衰減。如果試件本體存在不連續(xù)區(qū)域（圖1），其磁導(dǎo)率與工件本體的磁導(dǎo)率有顯著差異，因此在不連續(xù)區(qū)域的地磁場(chǎng)強(qiáng)度衰減量0～1與試件本體的地磁場(chǎng)強(qiáng)度衰減量0～2會(huì)有顯著差異。當(dāng)試件中的部分區(qū)域有殘余應(yīng)力時(shí)，將引起該區(qū)域中材料磁導(dǎo)率的變化。試件本體中含有殘余應(yīng)力的區(qū)域與不含殘余應(yīng)力的區(qū)域的磁導(dǎo)率不同，因此導(dǎo)致引起的地磁場(chǎng)強(qiáng)度衰減量也不同。在工程與科研中，利用磁法檢測(cè)儀測(cè)量構(gòu)件上的地磁場(chǎng)強(qiáng)度衰減量，則可以對(duì)構(gòu)件的殘余應(yīng)力進(jìn)行定位和定量。

2 測(cè)試方式

2.1 材料選擇

選用規(guī)格300×50×2 mm的304不銹鋼薄鋼板。304不銹鋼的合金元素組成及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。304不銹鋼是鉻－鎳不銹鋼中使用最普遍的，擁有優(yōu)良的耐腐蝕性、耐高溫性、抗拉強(qiáng)度、成型性等特性，在常溫下深沖壓和彎曲過程中具有很好的機(jī)械加工特性，在進(jìn)行熱處理之后不會(huì)發(fā)生硬化現(xiàn)象。

圖1 磁法檢測(cè)原理圖

表1 304不銹鋼的合金元素組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)

304不銹鋼鋼材的磁導(dǎo)率，計(jì)算如下：

式中：為304不銹鋼的體積磁矩；X為304不銹鋼的磁化率；為外加磁場(chǎng)強(qiáng)度；為304不銹鋼的質(zhì)量磁矩；為304不銹鋼的密度；為304不銹鋼的質(zhì)量；μ為304不銹鋼的相對(duì)磁導(dǎo)率；為304不銹鋼的磁導(dǎo)率；0為真空磁導(dǎo)率。

計(jì)算得出304不銹鋼在地磁場(chǎng)范圍內(nèi)的相對(duì)磁導(dǎo)率為1.0037～1.004，顯然304不銹鋼的相對(duì)磁導(dǎo)率大于純鋼的相對(duì)磁導(dǎo)率。

2.2 空采地磁場(chǎng)信號(hào)

將試件與探頭的距離固定，調(diào)整探頭的位置，用非鐵磁性材料陣列式磁法檢測(cè)儀掃查空載時(shí)的304不銹鋼板。打開非鐵磁性材料陣列式磁法檢測(cè)儀，開啟機(jī)箱面板上的[電源]開關(guān)，當(dāng)運(yùn)行指示燈亮?xí)r表示儀器一切正?？梢蚤_始工作，打開操作界面，按連接鍵，儀器連接上位機(jī)，按開始鍵，按照設(shè)定的工作模式開始進(jìn)行掃查。數(shù)據(jù)采集后，選擇保存數(shù)據(jù)，以便調(diào)用數(shù)據(jù)。得到的地磁場(chǎng)空采信號(hào)如圖2所示，可以看出，非鐵磁性材料陣列式磁法檢測(cè)儀在空采地磁場(chǎng)時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為23211～23214 nT，地磁場(chǎng)的磁信號(hào)的變化范圍很小，說明地磁場(chǎng)在一定環(huán)境下是趨于穩(wěn)定狀態(tài)的，不會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。

圖2 地磁場(chǎng)空采信號(hào)圖

2.3 消除殘余應(yīng)力前后試件的檢測(cè)結(jié)果分析

因試件具有初應(yīng)力，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行去應(yīng)力退火處理從而消除殘余應(yīng)力，進(jìn)而消除殘余應(yīng)力對(duì)檢測(cè)信號(hào)的干擾，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為了消除工件內(nèi)部殘余應(yīng)力的影響，在加載應(yīng)力之前先對(duì)試件進(jìn)行退火處理。

對(duì)去除應(yīng)力的試件進(jìn)行掃描，得到試件信號(hào)圖如圖3所示，可以看出，檢測(cè)結(jié)果近似為一條均勻的曲線，磁信號(hào)基本沒有發(fā)生較大的向上或向下的異常，根據(jù)磁法檢測(cè)原理，表明該不銹鋼板不存在殘余應(yīng)力。

圖3 消除殘余應(yīng)力的試件信號(hào)圖

用非鐵磁性材料陣列式磁法檢測(cè)儀對(duì)304不銹鋼板進(jìn)行掃查，結(jié)果如圖4所示，在波峰和波谷分別選取四個(gè)點(diǎn)編號(hào)為1、2、3、4，在退火前與退火后分別測(cè)量這幾處的殘余應(yīng)力，測(cè)試的數(shù)據(jù)如表2所示，可以看出，退火后相比退火前殘余應(yīng)力減少了近50%，在不同點(diǎn)處磁場(chǎng)強(qiáng)度改變量均為3000左右nT，空采值減少近10000 nT。由此可以可知，殘余應(yīng)力減少的幅值與磁場(chǎng)強(qiáng)度改變的幅值有一定聯(lián)系。

圖4 304不銹鋼板掃描圖

表2 退火前后304不銹鋼板中的殘余應(yīng)力

制作退火前、后殘余應(yīng)力及磁場(chǎng)強(qiáng)度的改變量，更直觀地觀察它們之間的關(guān)系，如圖5、圖6所示。前兩個(gè)點(diǎn)退火后磁場(chǎng)強(qiáng)度比退火前小，后兩個(gè)點(diǎn)退火后磁場(chǎng)強(qiáng)度比退火前高；圖中兩線交叉的原因由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備及條件的限制，有待于進(jìn)一步探究；退火前、后磁場(chǎng)強(qiáng)度的差值為3000 nT左右。退火后殘余應(yīng)力減少，但各點(diǎn)處減少的幅度均接近50%。

2.4 加載殘余應(yīng)力后試件的檢測(cè)及結(jié)果分析

采用激光對(duì)鋼板正反兩面加載三種不同能量的應(yīng)力，殘余應(yīng)力也不相同。圖7為反復(fù)測(cè)量后得到的工件最佳信號(hào)?？梢钥闯觯虞d殘余應(yīng)力后，304不銹鋼試件正面的磁檢測(cè)信號(hào)在70～90 cm、120～140 cm兩處出現(xiàn)明顯突變，反面的磁檢測(cè)信號(hào)在140～160 cm處出現(xiàn)明顯突變。由此可得，在試件的這三處存在明顯的殘余應(yīng)力。

圖5 退后前、后磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化

圖6 退火前、后殘余應(yīng)力的大小

2.5 信號(hào)的差分處理

采用磁性法對(duì)去應(yīng)力退火后的304不銹鋼進(jìn)行檢測(cè)，原始圖如圖3所示，信號(hào)差分處理如圖8所示。由圖3得出的磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)波形比較平滑。傳感器在304不銹鋼上掃查時(shí)，由于存在外在干擾和材料組織本身不均勻性，所以檢測(cè)出的信號(hào)波形產(chǎn)生了微小的磁異常。

圖7 鋼板加載應(yīng)力后的信號(hào)圖

圖8 不含殘余應(yīng)力的304不銹鋼差分信號(hào)圖

采集到的磁感應(yīng)信號(hào)屬于隨機(jī)變量，其分布形式服從正態(tài)分布，故數(shù)據(jù)預(yù)處理的主觀評(píng)測(cè)法的理論依據(jù)就是隨機(jī)信號(hào)的正態(tài)分布。在檢測(cè)殘余應(yīng)力時(shí)，超過閾值線范圍的波形并且原信號(hào)峰值變化超過200 nT的磁異常則可以認(rèn)為是有殘余應(yīng)力存在的，反之亦然。圖8中有兩處位置的波形超過了紅色閾值線，這兩處位于304不銹鋼兩端邊界。根據(jù)條形磁鐵的磁特性可知，邊界兩端的磁力線較雜，波動(dòng)較大，曲線較雜，也會(huì)產(chǎn)生異常，但這些異常都不是由殘余應(yīng)力導(dǎo)致的，因此這兩處磁異常屬于正常，并不存在殘余應(yīng)力。

3 總結(jié)

通過去應(yīng)力退火消除殘余應(yīng)力與加載殘余應(yīng)力的檢測(cè)確定了磁法檢測(cè)304不銹鋼殘余應(yīng)力的可行性，并對(duì)304不銹鋼的殘余應(yīng)力進(jìn)行定性檢測(cè)，初步對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行定量分析。304不銹鋼殘余應(yīng)力不能用常規(guī)漏磁法進(jìn)行檢測(cè)，因?yàn)榈卮艌?chǎng)的磁場(chǎng)信號(hào)比較微弱，通常在數(shù)百nT水平。因此磁法檢測(cè)儀的分辨率必須在nT級(jí)才能有效地對(duì)304不銹鋼進(jìn)行檢測(cè)；對(duì)304不銹鋼進(jìn)行去應(yīng)力退火，退火前后檢測(cè)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度的差值為3000 nT左右，退火后殘余應(yīng)力減少了50%左右；對(duì)304不銹鋼加載了不同應(yīng)力后對(duì)其磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明，加載不同殘余應(yīng)力的304不銹鋼其磁信號(hào)顯示的結(jié)果也不同；目前通過數(shù)據(jù)還無法直接得出磁場(chǎng)強(qiáng)度與殘余應(yīng)力的相關(guān)聯(lián)系或規(guī)律，但還會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，以獲得更加準(zhǔn)確的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

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Study on Measuring Residual Stress of Stainless Steel by Magnetic Method

WANG Jianbo

(Sichuan Provincial Physicochemical Measurement Nondestructive Testing Co., Ltd., Chengdu 610010, China )

The existence of residual stress will affect the static load strength, fatigue strength, stress corrosion resistance and dimensional stability of the components. Worse still, it may directly lead to crack defects. The magnetic field intensity of 304 stainless steel was measured by micro-magnetic testing technology, and the residual stress was localized and quantified, taking the geomagnetic field as the magnetic source, based on the features that residual stress changes the permeability of materials. The residual stress was determined by measuring the magnetic field intensity of 304 stainless steel before and after annealing. The results show that there is a close relationship between the value of residual stress and the intensity of the magnetic field. The amplitude of the residual stress changes is constant before and after annealing, and the amplitude of the change of the magnetic field intensity is relatively stable. It is feasible to detect the residual stress of 304 stainless steel by magnetic method.

304 stainless steel；built-in stress；magnetic field intensity；magnetic detection

TJ765.4+1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.10.015

1006－0316 (2018) 10－0068－05

2018－07－03

王建波（1986－），四川彭山人，工程師，主要從事機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的無損檢測(cè)工作。