蘇三慶，胡敬余，王 威，郭 歡，馬小平

(西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

鋼材作為一種重要的建構(gòu)筑物材料，因其質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、延性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高層及大跨結(jié)構(gòu)中.但在實(shí)際工程中，由于受動(dòng)、靜荷載作用以及環(huán)境因素影響，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的突發(fā)性破壞事件屢屢發(fā)生.因此，對鋼結(jié)構(gòu)在服役期間的健康檢測及壽命評估就顯得尤為重要.

目前，應(yīng)用于建筑鋼結(jié)構(gòu)的無損檢測技術(shù)主要有超聲檢測[1]、磁粉檢測[2]、射線檢測[3]、渦流檢測[4]等.這些雖然比較成熟，但僅能夠識別較為明顯的宏觀缺陷，對未形成明顯物理不連續(xù)狀態(tài)的裂紋源以及微小裂紋還無法檢測.

20世紀(jì)90年代末，金屬磁記憶檢測技術(shù)被俄羅斯學(xué)者Doubov[5]提出.該技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)該技術(shù)能夠?qū)Σ牧蟽?nèi)部損傷以及微觀缺陷進(jìn)行識別；(2)檢測前不需要清理被檢測構(gòu)件表面鐵銹油污，較為方便；(3)檢測時(shí)僅利用地球磁場作為激勵(lì)磁化場，不需要專門的磁化設(shè)備；(4)檢測傳感器與被檢構(gòu)件可直接接觸，也可具有一定提離值；(5)儀器設(shè)備體積小，操作簡便靈活[6].目前，大量國內(nèi)外學(xué)者對力-磁關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究.董麗虹等[7]通過光滑板件的靜載拉伸試驗(yàn)以及疲勞加載試驗(yàn)對磁記憶檢測參量及影響因素進(jìn)行了研究；邢海燕等[8]對焊縫與磁信號之間的關(guān)系進(jìn)行了研究.梁志芳等[9]針對時(shí)間空間上焊接裂紋磁記憶信號的有效性進(jìn)行了研究.以上學(xué)者雖然對彈-塑性狀態(tài)的磁記憶信號進(jìn)行了分析研究，但對其加載過程中，不同應(yīng)力狀態(tài)下磁記憶信號的變化規(guī)律并沒有明確的定論，而鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷主要產(chǎn)生于屈服之后，并且在變形較小的情況下難以確定結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài).本文主要研究Q235鋼在不同應(yīng)力狀態(tài)下磁信號的關(guān)系規(guī)律，并對加載至不同狀態(tài)的試件進(jìn)行金相分析，從微觀角度分析二者之間關(guān)系.

1 金屬磁記憶檢測的基本理論

磁記憶檢測技術(shù)的物理基礎(chǔ)源自磁彈性效應(yīng)和磁機(jī)械效應(yīng)、應(yīng)力集中區(qū)中位錯(cuò)壁上磁疇邊界的固鎖效應(yīng)以及金屬天然磁化強(qiáng)度條件下組織和機(jī)械強(qiáng)度不均勻性造成的漏磁場效應(yīng)[10].鐵磁性材料在彈性應(yīng)力作用下的彈性效應(yīng)理論目前比較成熟.在無外應(yīng)力和外磁場作用下鐵磁晶體內(nèi)關(guān)于磁化狀態(tài)的自由能為

E=Ek+Ems+Eel

(1)

其中:Ek為磁晶體各項(xiàng)異性能；Ems為磁彈性能；Eel為彈性能.

當(dāng)有外應(yīng)力或其內(nèi)部存在內(nèi)應(yīng)力時(shí)，總自由能應(yīng)加上由應(yīng)力引起的形變.

E=Ek+Ems+Eel+Eδ

(2)

其中，Eδ為材料受到外界應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力能.

真實(shí)系統(tǒng)實(shí)際存在狀態(tài)總是使總能量達(dá)到最低，改變磁化矢量方向可以減小應(yīng)力能，從而使總自由能最小[11].應(yīng)力的存在會(huì)導(dǎo)致彈性能和磁彈性能的增加，而且為抵消應(yīng)力能，該區(qū)域由磁機(jī)械效應(yīng)作用引發(fā)的磁疇組織取向會(huì)發(fā)生不可逆改變，形成磁極，構(gòu)件表面產(chǎn)生漏磁場.應(yīng)力集中部位的漏磁場具有過零點(diǎn)性質(zhì)[12].金屬磁記憶檢測原理如圖1所示.

圖1 金屬磁記憶檢測技術(shù)檢測原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of detection principle of metal magnetic memory detection technology

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的Q235鋼.加工制作6個(gè)試件，分別編號為S-1、S-2、S-3、S-4、S-5、S-6.試件尺寸如圖2所示.檢測區(qū)域長60 mm，檢測點(diǎn)間距為15 mm，每個(gè)試件有一條檢測線，檢測線有5個(gè)檢測點(diǎn)，檢測點(diǎn)以中間檢測點(diǎn)為0 mm，向左依次為-15 mm，-30 mm；向右依次為15 mm,30 mm.其試件基本屬性見表1.

圖2 Q235試件及檢測點(diǎn)(單位:mm)Fig.2 Q235 specimen and detection point (Unit: mm)

2.2 試驗(yàn)儀器及方法

利用DNS300電子萬能試驗(yàn)機(jī)對板件進(jìn)行靜載拉伸試驗(yàn)，其主要技術(shù)參數(shù)為：最大試驗(yàn)力300 kN，試驗(yàn)空間寬度0～600 mm，試驗(yàn)橫梁行程1 200 mm，力測量精度±0.5%，變形測量精度±0.5%.

磁記憶信號測量設(shè)備采用愛德森EMS-2003智能磁記憶/渦流檢測儀，探頭使用磁記憶雙通道筆式探頭(EPEMS/B2)，設(shè)置為內(nèi)時(shí)鐘模式，顯示模式為數(shù)字顯示.CH1顯示數(shù)據(jù)為大地磁場，CH2數(shù)據(jù)為試件表面磁信號值，選擇背景磁場為減CH1，如圖3所示即為實(shí)際磁信號值.

圖3 加載設(shè)備及測量設(shè)備Fig.3 Loading equipment and detection system

為了探究試件在不同應(yīng)力狀態(tài)法向磁信號的變化，S-1只檢測初始狀態(tài)下的磁信號法向分量Hp(y)值，S-2檢測彈性及之前狀態(tài)下Hp(y)值，S-3檢測塑性及之前狀態(tài)下Hp(y)值，S-4檢測強(qiáng)化及之前狀態(tài)Hp(y)值，S-5用于檢測頸縮后及之前狀態(tài)Hp(y)值.具體檢測方式如表2所示.

表2 法向磁信號檢測方式

注：“√”表示對應(yīng)板件在該狀態(tài)時(shí)采集法向磁信號

試驗(yàn)過程中對試件進(jìn)行離位檢測，試件南北放置，從南到北逐點(diǎn)檢測.筆式探頭垂直于試件表面，探頭端部接觸試件，保證其提離值不變.

最后，將加載至不同狀態(tài)的試件切割打磨進(jìn)行金相分析，從微觀角度分析磁信號變化與微觀結(jié)構(gòu)變化之間的聯(lián)系.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 零載

如圖4所示，為試件在零載狀態(tài)下法向磁信號變化曲線.可以看出，各板件磁信號法向分量Hp(y)波動(dòng)范圍較小，數(shù)值范圍為-28～22 A·m-1，與參考文獻(xiàn)[13]所示零載狀態(tài)下磁信號法向分量Hp(y)相比，離散性較小，但無明顯規(guī)律出現(xiàn).其原因可能是試件在零載狀態(tài)時(shí)，試件表面法向磁信號受其加工制造過程中試件內(nèi)部所產(chǎn)生的剩磁場影響.

圖4 零載狀態(tài)試件法向磁信號變化曲線Fig.4 Normal magnetic signal curve at initial stage

3.2 彈性狀態(tài)

如圖5所示，為S-2～S-6在彈性狀態(tài)法向磁信號的變化曲線.可以看出，各板件Hp(y)信號值均過零點(diǎn)，Hp(y)值以各自零值點(diǎn)為界，左正右負(fù)，從左向右遞減，兩端Hp(y)數(shù)值絕對值較大，試件中間部位Hp(y)數(shù)值較小.鐵磁性材料本身作為一個(gè)弱磁體，可以將其簡單看作為一個(gè)具有南極和北極的磁鐵，磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度的強(qiáng)弱主要決定于磁感線的密集程度，在磁鐵外部磁感應(yīng)強(qiáng)度是兩端強(qiáng)中間弱，與試驗(yàn)結(jié)果有相似之處.圖5中S-3～S-6法向磁信號沿長度方向呈線性遞減.S-2的Hp(y)值較S-3～S-6波動(dòng)較大，但總體趨勢仍然為左正右負(fù)，從左向右逐漸減小.試件受到荷載作用后，內(nèi)部的磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生定向的不可逆變化，隨著磁疇結(jié)構(gòu)定向移動(dòng)的完成，磁信號由之前的無規(guī)律性變得統(tǒng)一，并有“捏攏”現(xiàn)象出現(xiàn).

圖5 彈性狀態(tài)試件法向磁信號變化曲線Fig.5 Normal magnetic signal curve at elastic stage

3.3 塑性狀態(tài)和強(qiáng)化狀態(tài)

如圖6所示，為S-3～S-6在塑性狀態(tài)時(shí)法向磁信號變化曲線.可以看出，法向磁信號值的波動(dòng)有所增加，不同板件之間離散性也相對于彈性狀態(tài)有所增大.各板件Hp(y)零值點(diǎn)分布不集中，S-3和S-6零值點(diǎn)在0 mm附近，S-4和S-5的Hp(y)零值點(diǎn)距離0 mm較遠(yuǎn).但是由圖7可以看出，進(jìn)入強(qiáng)化狀態(tài)后S-4和S-5 的Hp(y)零值點(diǎn)回歸到0 mm附近，S-4～S-6號板件表現(xiàn)出較好的線性.

圖6 塑性狀態(tài)試件法向磁信號變化曲線Fig.6 The normal magnetic signal curve at plastic stage

圖7 強(qiáng)化狀態(tài)試件法向磁信號變化曲線Fig.7 Normal magnetic signal curve at hardening stage

3.4 頸縮狀態(tài)和破壞狀態(tài)

如圖8所示，S-5、S-6頸縮狀態(tài)法向磁信號變化曲線，可以看出，S-5和 S-6在頸縮狀態(tài)依然呈現(xiàn)出較好的線性，Hp(y)零值點(diǎn)在試件中心附近.圖9為S-6在斷裂狀態(tài)下的法向磁信號變化曲線，可以看出，斷裂破壞狀態(tài)Hp(y)波動(dòng)性增大，零值點(diǎn)由試件中心附近移至A位置，與斷裂位置基本吻合.S-6具體斷裂位置如圖10所示.

圖8 頸縮狀態(tài)試件法向磁信號變化曲線Fig.8 Normal magnetic signal curve at necking stage

圖9 破壞狀態(tài)試件法向磁信號變化曲線Fig.9 Normal magnetic signal curve at fracture stage

圖10 S-6件斷裂位置Fig.10 Fracture position of Specimen 6

3.5 磁信號全過程分析

試驗(yàn)中，S-5、S-6經(jīng)歷了從零載到頸縮全過程，其不同狀態(tài)下的法向磁信號如圖11和圖12所示.可以看出，自零載開始，一直到頸縮狀態(tài)，法向磁信號曲線基本成線性變化，Hp(y)零值點(diǎn)在0 mm附近.且在頸縮狀態(tài)之前，隨著荷載的增加，Hp(y)值曲線以零值點(diǎn)為中心呈現(xiàn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象.6號試件斷裂后，Hp(y)零值點(diǎn)由試件中心附近移至A位置，與斷裂位置基本吻合.對于早期損傷部位的判斷，基于法向磁信號過零點(diǎn)的損傷辨別方法效果不佳.但是該判別方法對宏觀破壞表征效果較好.

圖11 5號板件不同狀態(tài)法向磁信號變化曲線Fig.11 Normal magnetic signal curve at different stages of Specimen 5

圖12 6號板件不同應(yīng)力狀態(tài)法向磁信號變化曲線Fig.12 Normal magnetic signal curve at different stages of Specimen 6

圖13 不同應(yīng)力狀態(tài)磁場梯度K的絕對值Fig.13 Gradient curve of normal magnetic signal at different stages

圖13所示為S-5、S-6在不同狀態(tài)磁信號法向分量的梯度值，不考慮S-6的斷裂破壞狀態(tài).可以明顯的看出，隨著試件由零載狀態(tài)加載至頸縮狀態(tài)，梯度值的絕對值逐漸增大；從彈性狀態(tài)到塑性狀態(tài)梯度值變化幅度較小，只增大了約47%；從塑性狀態(tài)到強(qiáng)化狀態(tài)梯度值變化幅度迅速增大，增大了約128%；又在強(qiáng)化狀態(tài)到頸縮狀態(tài)迅速變緩，幾乎呈水平狀態(tài)，僅增大了4%左右.如果將Hp(y)曲線近似看作一條直線，則K值表示其斜率.雖然有些測點(diǎn)的Hp(y)值會(huì)有一些波動(dòng)，但是直線的斜率的性質(zhì)比較穩(wěn)定，隨著荷載的增加，斜率的絕對值一直在增大.

3.6 金相分析

對零載狀態(tài)、彈性狀態(tài)、塑性狀態(tài)、強(qiáng)化狀態(tài)、頸縮狀態(tài)的試件金相組織進(jìn)行分析.如圖14所示，為板件在各個(gè)狀態(tài)下的金相組織，Q235鋼材主要由鐵素體和珠光體組成，圖中白色部分為鐵素體，黑色部分為珠光體[14].由圖14(a)和圖14(e)比較可以看出，隨著荷載的增加，試件中的鐵素體由不規(guī)則形狀逐漸變?yōu)榧忓N形，且沿著受力方向逐漸被拉長.在此過程中，磁場梯度K的絕對值一直在增大.

圖14 不同應(yīng)力狀態(tài)下的金相組織Fig.14 Metallographic structures in different stress states

磁場和應(yīng)力對磁疇運(yùn)動(dòng)的影響如圖15所示，圖15(a)為無外部磁場時(shí)，應(yīng)力對磁疇運(yùn)動(dòng)的影響；圖15(b)為外部磁場激勵(lì)下，應(yīng)力對磁疇運(yùn)動(dòng)的影響.其中，H為外部磁場，σ為外應(yīng)力.

在外部磁場和外應(yīng)力共同作用下，磁疇組織沿外應(yīng)力方向發(fā)生不可逆的定向移動(dòng)，隨著磁疇定向移動(dòng)的完成，導(dǎo)致材料宏觀磁特性的不連續(xù)分布，即磁導(dǎo)率、矯頑力等磁特性參數(shù)發(fā)生改變，從而使構(gòu)件在應(yīng)力應(yīng)變集中及缺陷位置處的自發(fā)漏磁場信號產(chǎn)生變化.可見，外部磁場和荷載是產(chǎn)生磁記憶效應(yīng)必不可少的條件[15].在零載狀態(tài)，磁疇結(jié)構(gòu)取向雜亂無規(guī)則，因此磁信號在初始階段呈無規(guī)律的浮動(dòng)，這與金相試驗(yàn)得到的試件中的鐵素體在零載狀態(tài)下形狀不規(guī)則現(xiàn)象相似(如圖14(a)所示).實(shí)際上，零載狀態(tài)下所檢測到的磁信號主要為試件加工制造過程中內(nèi)部所產(chǎn)生的剩磁場.但隨著荷載的增加，試件所受外應(yīng)力增大，應(yīng)力所產(chǎn)生的有效場逐漸增大，以克服剩磁場使磁疇發(fā)生定向移動(dòng)，因而磁信號曲線浮動(dòng)較小，規(guī)律性增強(qiáng).這與金相試驗(yàn)得出的試件中的鐵素體隨著荷載的增加由不規(guī)則形狀逐漸沿受力方向變?yōu)榧忓N形的規(guī)律相似(如圖14(e)所示).由以上分析可見，鐵素體變化與磁疇變化之間可能存在一定的相關(guān)性.

圖15 磁場和應(yīng)力影響磁疇運(yùn)動(dòng)的示意圖Fig.15 Schematic representation of field and stress affecting the movement of magnetic domains

4 結(jié)論

(1)隨著荷載的增加，磁信號法向分量Hp(y)曲線基本按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，Hp(y)零值點(diǎn)位置在0 mm(中心位置)附近.

(2)Hp(y)零值點(diǎn)在頸縮狀態(tài)基本位于試件中心，未能準(zhǔn)確的指示最終斷裂破壞位置.基于法向磁信號過零點(diǎn)的應(yīng)力集中區(qū)域判別依據(jù)并不能適用所有狀況.

(3)在試件由零載狀態(tài)加載至破壞過程中，磁場梯度值的絕對值逐漸增加.從彈性狀態(tài)到塑性狀態(tài)梯度值變化幅度較小，只增大了約47%；從塑性狀態(tài)到強(qiáng)化狀態(tài)，增加幅度明顯變大，增大了約128%；而強(qiáng)化狀態(tài)到頸縮狀態(tài)，增加幅度迅速變緩，僅增大了4%.

(4)隨著軸向拉伸荷載的增加，試件內(nèi)部微觀組織，如鐵素體由零載狀態(tài)下的不規(guī)則形狀沿受力方向變成紡錘形，在此過程中磁疇也會(huì)發(fā)生變化.因此，鐵素體變化和磁疇變化之間存在一定的相關(guān)性.