磁场对铁磁试件力磁耦合关系的影响研究

2017-11-07祖瑞丽任尚坤段振霞赵珍燕

中国测试 2017年10期

关键词：磁化磁场试件

祖瑞丽，任尚坤，段振霞，赵珍燕

（南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室，江西南昌 330063)

磁场对铁磁试件力磁耦合关系的影响研究

祖瑞丽，任尚坤，段振霞，赵珍燕

（南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室，江西南昌 330063)

为研究磁场对铁磁试件力磁信号分布规律的影响，对不同附加环境磁场下的45#钢试件进行静载拉伸试验，检测试件表面的磁记忆信号B的大小，并对试件在不同附加环境磁场下的力磁耦合关系进行分析讨论。试验结果表明：在磁场环境作用下B随应力增大而增大，在屈服点附近达到最大值，此后各点B值基本保持稳定；附加环境磁场并未改变力磁信号的变化规律，但可增加磁记忆信号的大小数值，且磁化状态变化量D随着附加环境磁场的增大而增大，当H为240A/m时达到最大，随后开始减小；在塑性变形阶段，力磁信号表现为先减小后增大的磁化反转现象。故附加环境磁场不影响金属磁记忆技术的定性评价，但影响定量评价，因此可用磁记忆检测技术来判断铁磁试件的力磁耦合特征，对金属磁记忆定量检测的进一步研究具有重要意义。

无损检测；附加环境磁场；力磁耦合关系；磁化状态变化量；定量检测

0 引言

金属磁记忆检测技术是利用铁磁材料的力磁效应，对铁磁试件上以应力集中为特征的危险区域的自发漏磁场进行分析[1-2]，进而通过对受载试件的损伤程度进行早期诊断并可靠评价，预防灾难事故的发生，是一种新型且绿色环保的无损检测技术[3-4]，具有传统无损检测技术无可比拟的优点。金属磁记忆效应的实质是铁磁性构件在弱磁场（地磁场)下的力磁耦合效应，属于弱磁场信号[5]，容易受人为因素（在线或离线检测、提离高度)和外界磁场环境的干扰，因此只有确定各个因素对磁记忆信号的影响，并有效排除各种因素的干扰，才能利用磁记忆信号来评价应力集中区的损伤程度，提出有效的判据和评价参数，并对铁磁构件所处的应力状态和变形阶段进行综合分析[6-8]，以便在构件被破坏或存在潜在性危险之前实现早期诊断。

自磁记忆检测技术兴起以来，国内外很多专家学者都对该项检测技术做了大量的理论研究和仪器开发，并取得了卓越的贡献[9-10]。JILES[11-12]通过对力磁效应的深入研究，定义了磁机械效应，提出了无磁滞磁化过程的接近定律，建立了著名的J-A模型；常福清等[13]从最小能量原理出发，采用拉格朗日乘法推导出了应力-磁化率关系表达式；冷建成[14-15]通过对力磁信号的研究得出磁记忆信号与工作应力之间具有相关性，但应力与磁场的关系尚不明确。北京理工大学的邱忠超[16]、张卫民等[17]通过对不同弱磁环境下的Q235平板试件进行静拉伸试验探讨了试件在弱磁激励下磁场梯度K与应力之间的相关性；钟力强等[18]对磁记忆信号的存在及测量与环境磁场的关系进行了研究；任尚坤等[19]通过对铁磁试件的力磁效应分析得出环境磁场对力磁效应的关系规律具有明确影响，并提出了应力磁化反转模型，但并未对外界磁环境对力磁耦合信号影响进行具体分析。目前针对磁记忆检测技术的研究，从基础理论和应用角度上还存在着许多问题[20]：1)地磁场的存在是否是引起铁磁性试件应力集中的必要条件[19]；2)外界磁场环境对磁记忆信号有何具体影响；3)磁记忆检测如何对被检测对象的损伤情况进行定量评价[4]。

本文针对问题2)，对磁场对试件力磁耦合关系等问题进行研究和讨论，以普通铁磁材料45#钢为研究对象，并对不同附加环境磁场下的45#钢试件进行静载拉伸试验，通过分析试验结果，讨论了外界附加环境磁场对铁磁试件力磁耦合关系的影响分析，对磁记忆定量检测的进一步研究提供参考，并为金属磁记忆实践与工程应用检测提供重要依据。

1 试验方案

1.1 试验材料及设备

本试验材料选用45#钢，具有较高的强度和较好的切削加工性，属于常用的中碳调质结构钢。材料的化学成分如表1所示。为确保试验结果的准确性，本次试验共制作了13根尺寸完全一样的45#钢圆棒，分别编号为 1#，2#，…，13#，结构尺寸如图 1 所示，试件的长度120 mm，直径10 mm，对加工后的试件进行去应力退火处理，用以消除试件内的残余应力。

表1 45#钢化学成分（质量分数） %

图1 45#钢圆棒结构尺寸图（单位：mm)

图2 螺线管实物图

图3 螺线管轴线上的磁场分布

图4 螺线管内部磁感应强度与电流的关系

以螺线管电流磁场提供外加磁场，如图2所示，螺线管直径13 mm，漆包线丝径0.67 mm，在塑料管上绕漆包线3层，每层160匝，螺线管长度120mm，得到单位长度内匝数为4 000。对螺线管通直流电60 mA，图3为螺线管轴线上的磁场分布，纵坐标B为磁感应强度，L为轴线上的位移。从图中可以看出，在20mm≤L≤100mm范围内，B基本不变，所以L在[20，100]范围内时，该螺线管所产生的磁场基本为匀强磁场。图4为螺线管中心位置的磁感应强度B与电流I的关系，可以看出B与I基本呈线性关系，可拟合为直线B=0.312 3+0.049 6I，B随I的增大而线性增大。当I=0mA时，B=0.3123×10-4T，即是螺线管内地磁场环境下的磁感应强度。

试验设备：WDW-100型电子拉伸试验机，其主要参数：最大试验力100kN，测力示值误差±（0.5%～1%)，加载速率0.3mm/min。LakeShore421型弱磁场测量仪（美国LakeShore公司)的测量范围为0.001Gs～300kGs（1Gs=10-4T)、测量误差±0.2%、分辨率 4%。

1.2 试验方法

首先将编号为13#的试件在室温下进行静载拉伸，测定试件的应力应变曲线，可得屈服强度为510MPa，抗拉强度为640MPa。在弹性阶段采用5kN的加载梯度进行加载试验记录，在塑性阶段采用2kN的加载梯度进行加载试验。

对试件 1#和 2#、3#和 4#、5#和 6#、7#和 8#、9#和10#，分别套上螺线管（南北放置)，使其产生-60 A/m竖直向上的磁场，80，160，240，320 A/m 竖直向下的磁场以及不加外磁场的试件11#和12#（地磁场)，将试件竖直放置在拉伸试验机上进行静载拉伸试验，所用的加载速率为0.2mm/min。试验每加载到固定载荷时，卸载后取下工件，以东西方向放置在远离铁磁性物体的水平台上，用弱磁场测量仪测量13个固定点处法向漏磁场值大小。测定后将试件重新放置在试验机上加载更高预定载荷，重复以上操作，直至工件断裂。

2 实验结果与讨论

2.1 环境磁场下的磁记忆信号

环境磁场包括地磁场和拉伸机夹具磁场，将环境磁场下的试件11#和12#在室温下进行静载拉伸试验，实验数据如图5所示。在弹性阶段，当拉应力σ＜510 MPa时，随着σ的不断增大，各点的磁记忆信号逐渐增大。在应力作用的初始阶段，磁记忆信号随应力的变化较大，且随应力的进一步增加，磁记忆信号的变化率逐步减小，第1点和第13点的漏磁场之差达 ΔBmax=3.57×10-4T。当 σ＞510MPa时，即在塑性阶段，各点的磁记忆信号趋于稳定，ΔBmax=3.708×10-4T。在屈服点附近至抗拉强度处，第1点和第13点的漏磁场之差最小可达到ΔBmin=3.513×10-4T，在抗拉强度处，第1点和第13点的漏磁场之差为ΔB=3.051×10-4T。

图5 环境磁场下的力磁关系曲线

2.2 附加环境磁场对磁记忆信号的影响

分别将不同附加环境磁场下的试件1#和2#、3#和 4#、5#和 6#、7#和 8#、9#和 10#，在室温下进行静载拉伸试验。根据实验数据，试件 1#、3#、5#、7#、9#上各个点的力磁关系曲线，分别如图 6（a)、图 6（b)、图 6（c)、图 6（d)、图 6（e)所示，分别对应 H 为-60 A/m（竖直向上)、80，160，240，320A/m（竖直向下)的附加环境磁场。从图中可以看出，附加环境磁场并未改变试件力磁关系的曲线变化趋势，与环境磁场下的力磁关系的曲线变化趋势一致，但随着附加环境磁场的不断增大，试件各个点的整体变化趋势增大，即随着应力的增大，磁记忆信号逐渐增大。可见，附加环境磁场可使磁记忆信号增大。

图6 不同附加环境磁场下的力磁关系曲线

1)如图6（a)表示附加环境磁场为60A/m（竖直向上)的试件上各个点的力磁关系曲线，各个点的力磁关系的变化趋势与环境磁场作用下的试件（图5)基本保持一致。在弹性阶段，当σ为446MPa时，磁记忆信号的幅值达到最大，ΔBmax=7.90×10-4T，是环境磁场作用下磁记忆信号最大幅值的2.2倍，但磁记忆信号最大值出现在屈服强度的0.87倍处，此后磁记忆信号逐渐降低。在塑性变形阶段，磁记忆信号基本保持稳定，但磁记忆信号值ΔBmax=5.806×10-4T，大约为最大值的73%。在屈服点附近至抗拉强度处，第1点和第13点的漏磁场之差最小可达到ΔBmin=5.391×10-4T，在抗拉强度处，第1点和第13点的漏磁场之差为 ΔB=5.479×10-4T。

2)如图6（b)中80 A/m（竖直向下)附加环境磁场下的各个点的力磁关系曲线所示，随着拉应力的增大，各个点的磁记忆信号逐渐增大。在弹性阶段，当σ为446 MPa时，磁记忆信号的幅值达到最大，ΔBmax=8.2×10-4T，是环境磁场作用下磁记忆信号最大幅值的2.3倍，且磁记忆信号最大值出现在屈服强度的0.87倍处，此后磁记忆信号逐渐降低。在塑性变形阶段，当σ从510 MPa增加到586 MPa时，从ΔBmax=7.484×10-4T 迅速减小到 0.052×10-4T，拐点出现在屈服强度的1.15倍处，是环境磁场作用下磁记忆信号最大幅值的0.015倍，但当σ继续增加到640MPa时，ΔBmax反向增大，此时 ΔBmax=3.286×10-4T，大约为最大值的40%；在屈服点附近至抗拉强度处，第1点和第13点的漏磁场之差最小可达到ΔBmin=0.052×10-4T，在抗拉强度处，第1点和第13点的漏磁场之差为 ΔB=3.286×10-4T。

3)如图6（c)中160A/m（竖直向下)附加环境磁场下的各个点的力磁关系曲线所示，各个点的力磁关系的变化趋势与图5保持一致，在弹性阶段，当σ为446 MPa时，磁记忆信号的幅值达到最大，ΔBmax=18.04×10-4T，是环境磁场作用下磁记忆信号最大幅值的5.05倍，且磁记忆信号最大值出现在屈服强度的0.87倍处，此后磁记忆信号趋于稳定。在塑性变形阶段，磁记忆信号基本保持稳定，但信号值ΔBmax=12.804×10-4T，大约为最大值的71%。在屈服点附近至抗拉强度处，第1点和第13点的漏磁场之差最小可达到ΔBmin=11.778×10-4T，在抗拉强度处，第 1点和第13点的漏磁场之差为ΔB=11.347×10-4T。

4)如图6（d)中240A/m（竖直向下)附加环境磁场下的各个点的力磁关系曲线所示，在弹性阶段，当σ为382MPa时，磁记忆信号的幅值达到最大，ΔBmax=27.74×10-4T，是环境磁场作用下磁记忆信号最大幅值的7.77倍，且磁记忆信号最大值出现在屈服强度的0.75 倍处，且当 510MPa＞σ＞382MPa时，磁记忆信号在σ为446MPa时，即屈服强度的0.87倍处出现了拐点，拐点处ΔBmax=14.378×10-4T，是环境磁场作用下磁记忆信号最大幅值的4倍，此后磁记忆信号又逐渐增大。在塑性变形阶段，磁记忆信号基本保持稳定，但信号值ΔBmax=25.234×10-4T，大约为最大值的91%。在屈服点附近至抗拉强度处，第1点和第13点的漏磁场之差最小可达到ΔBmin=14.378×10-4T，在抗拉强度处，第1点和第13点的漏磁场之差为ΔB=23.863×10-4T。

5)如图6（e)中320A/m（竖直向下)附加环境磁场下的各个点的力磁关系曲线所示，在弹性阶段，当σ为446MPa时，磁记忆信号的幅值达到最大，ΔBmax=26.7×10-4T，是环境磁场作用下磁记忆信号最大幅值的7.48倍，且磁记忆信号最大值出现在屈服强度的0.87倍处，此后磁记忆信号趋于稳定。在塑性变形阶段，当σ从510MPa增加到561MPa时，ΔBmax迅速减小，从 27.141×10-4T 迅速减小到 8.217×10-4T，拐点出现在屈服强度的1.1倍处，是环境磁场作用下磁记忆信号最大幅值的2.3倍，但当σ继续增大到586MPa时，ΔBmax又反向增大，此时 ΔBmax=20.132×10-4T，大约为最大值的75%。在屈服点附近至抗拉强度处，第1点和第13点的漏磁场之差最小可达到ΔBmin=8.217×10-4T，在抗拉强度处，第1点和第13点的漏磁场之差为 ΔB=17.136×10-4T。

由以上分析可知，附加环境磁场可降低材料的屈服强度，即使屈服点前移，但附加环境磁场的大小并未改变屈服强度的大小。从微观角度看，由位错萌生与增殖过程分析可知，是在非磁性掺杂引起的孔洞造成的钉扎作用影响下，晶体断裂原本依附的晶格点而移动到临近的晶格点重新连接，最终晶格整体在某一晶格面出现阶梯，这种不稳定的晶格结构必然决定了整体的不稳定性[21]；从宏观角度看，金属铁磁性材料内部晶格的变化作为微观缺陷往往在载荷作用下更易出现疲劳损伤甚至断裂的现象，即屈服强度降低。晶格的阶梯变化拉长了滑移晶面上各个晶体之间的间距，因此，材料更易进入塑性变形阶段，因此位错的形成会影响铁磁性材料的屈服强度。

现定义最大磁化状态变化量Dmax=ΔBmax，由于试件材料的不均匀性，故取屈服点附近（446～535MPa)的最小磁化状态变化量Dmin=ΔBmin，抗拉强度处的磁化状态变化量为D，图7为磁化状态变化量D与环境磁场H的关系：

图7 磁化状态变化量D与环境磁场H的关系

在图 7（a)中，当 H＜0A/m 时，Dmax反向增大，当0A/m＜H＜240A/m 时，Dmax逐渐增大，但当 H＞240A/m时，Dmax则逐渐减小。在图7（b)中，随着附加磁场的增大，屈服点附近Dmin变化虽极不稳定，但变化趋势与Dmax大致相同；在图7（c)中，抗拉强度处的磁化状态变化量D规律与Dmax近似相同。故由此可进一步得知，磁化状态变化量随着附加磁场的增大而增大，当H=240A/m时，其磁化状态变化量达到最大，随后开始逐渐减小。

2.3 讨论确定点处的力磁关系变化

为进一步分析某一确定点处的力磁耦合关系，现单独讨论试件上第11个点的不同附加环境磁场下弹性阶段的力磁变化关系。为保证试验结果的一致性，现仅讨论σ＜382MPa时的力磁关系变化，如图8所示。

图8 第11个点不同附加环境磁场下弹性阶段力磁变化关系

如图所示，当H为-60A/m的附加环境磁场和原始环境磁场下时，随拉应力的增大，B在负方向上不断增大；当附加环境磁场H=80 A/m、H=160 A/m、H=240A/m和H=320 A/m时，随拉应力σ的增大，B在正方向上不断增大。但在相同拉应力作用下，当H＜240A/m时，随H的增大，B不断增大，且当H=240A/m时，B为最大值，当H＞240A/m，随H的增大，B反而减小；故在相同附加环境磁场作用下，随拉应力σ的增大，B值（不考虑方向)不断增大。

图9为图8中第11个点弹性阶段力磁耦合关系拟合直线的斜率K与环境磁场的关系，由此图可更直观地反映此规律，当H＜240A/m时，K随环境磁场的变化趋势近似为一条直线，将其拟合成一条直线，如图10所示，拟合直线公式为K=aH+b，此等式中的a和b都是与试件的材料、所加拉应力和附加环境磁场有关的系数，a和b会随它们改变而改变，在本次试验中，a=9.7875×10-5，b=-0.00121。

3 结束语

1)在应力作用的初始阶段，磁记忆信号随应力的变化较大；随应力的进一步增加，磁记忆信号的变化率逐步减小，在屈服点附近达到最大值。进入塑性阶段，各点的磁记忆信号基本保持稳定。

图9 弹性阶段斜率与环境磁场的变化关系

图10 弹性阶段斜率与环境磁场的拟合直线

2)附加环境磁场不会改变力磁信号的变化规律，但可增加磁记忆信号的大小数值，且磁化状态变化量D随着附加环境磁场的增大而增大，当H为240A/m时，D达到最大，随后D开始减小。故附加环境磁场不影响金属磁记忆技术的定性评价，但影响定量评价，对金属磁记忆检测定量检测的进一步研究具有重要意义。

3)弹性变形阶段，在拉应力σ作用下，所有点的力磁变化趋势整体呈“张开”的趋势，相同附加环境磁场作用下，随σ的增大，B值（不考虑方向)不断增大，且基本成线性关系；但在塑性变形阶段，力磁信号表现为先减小后增大的磁化反转现象。故用金属磁记忆检测技术可以有效地判断磁场对力磁效应的影响。

[1]WILSON J W， TIAN G Y， BARRANS S.Residual magnetic field sensing for stress measurement[J].Sensors&Actuators A Physical，2007，135（2)：381-387.

[2]YANG E，LI L M，CHEN X.Magnetic field aberration induced by cycle stress[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2007，312（1)：72-77.

[3]任吉林，王东升，宋凯，等.应力状态对磁记忆信号的影响[J].航空学报，2007，28（3)：724-728.

[4]任吉林，刘海朝，宋凯.金属磁记忆检测技术的兴起与发展[J].无损检测，2016，38（11)：7-15.

[5]LENG J C， XING H Y， ZHOU G Q， et al.Dipole modellingof metalmagneticmemoryfor V-notched plates[J].Insight：Non-Destructive Testing and Condition Monitoring，2013，55（9)：498-503.

[6]LIORZOU F， PHELPS B， ATHRETON D L.Macroscopic models of magnetization[J].IEEE Transactions on Magnetics，2000，36（2)：418-428.

[7]LI C， DONG L， WANG H， et al.Metal magnetic memory technique used to predict the fatigue crack propagation behavior of 0.45%C steel[J].Journal of Magnetism&Magnetic Materials，2016（405)：150-157.

[8]KOLOKOLNIKOV E， DUBOV A， STEKLOV O.Assessment of welded joints stress-strain state inhomogeneity before and after post weld heat treatment based on the metal magnetic memory method[J].Welding in the World，2016，60（4)：1-8.

[9]DUBOV A A，KOLOKOLNIKOV M S.Assessment of the material state of oil and gas pipelines based on the metal magnetic memory method[J].Welding in the World，2012，56（3-4)：11-19.

[10]DUBOV A A.Principle features of metal magnetic memory method and inspection toolsascompared to known magnetic NDT methods[C]∥World Conference on Nondestructive Testing，2006：1034-1037.

[11]JILES D C，LI L.A new approach to modeling the magneto-mechanical effect[J].Journal of Applied Physics，2004，95（11)：7085-7060.

[12]JILES D C.Theory of the magnetomechanical effect[J].JournalofPhysicsD Applied Physics，1995，28 （8)：1537-1546.

[13]常福清，刘东旭，刘峰.铁磁材料应力-磁化性能的相关性[J].燕山大学学报，2011，35（3)：277-282.

[14]冷建成.基于磁记忆技术的铁磁性材料早期损伤诊断方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.

[15]冷建成，徐敏强，邢海燕.铁磁构件磁记忆检测技术的研究进展[J].材料工程，2010（11)：88-93.

[16]邱忠超，张卫民，果艳，等.弱磁激励下Q235钢的磁记忆检测[J].无损检测，2014，36（11)：6-10.

[17]张卫民，邱忠超，袁俊杰，等.关于利用金属磁记忆方法进行应力定量化评价问题的讨论[J].机械工程学报，2015，51（8)：9-13.

[18]钟力强，李路明.检测环境磁场对磁记忆方法评价应力集中的影响[C]∥第四届十三省区市机械工程学会科技论坛暨2008海南机械科技论坛，2009.

[19]任尚坤，杨雅玲，林天华，等.环境磁场对20钢应力-磁效应的影响[J].理化检验（物理分册)，2008（8)：401-404.

[20]王正道，姚凯，沈恺，等.金属磁记忆检测技术研究进展及若干讨论[J].实验力学，2012，27（2)：129-139.

[21]李喆.外界磁场对铁磁性材料金属磁记忆检测影响的研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2015.

Study on the influence of magnetic field on force-magnetic coupling relationship of ferromagnetic specimen

ZU Ruili， REN Shangkun， DUAN Zhenxia， ZHAO Zhenyan
（Key Laboratory of Nondestructive Testing of Ministry of Education，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China)

In order to study the effect of magnetic field on the distribution law of force-magnetic signal in ferromagnetic specimen，static tensile test is carried out on 45#steel specimens under different additional environmental conditions to examine the size of the magnetic memory signal on the surface of the test specimen and analyze and discuss the force-magnetic coupling relationship of the specimen under different additional magnetic fields.The results show that，under the action of magnetic field，the magnetic memory signal B increases with the increase of stress， it reaches the maximum value near the yield point， and then the magnetic memory signal B is basically stable.The additional environmental magnetic field does not change the variation law of the force-magnetic signal，but it can increase the magnitude of the magnetic memory signal，and the change of the magnetization state D increases with the increase of the additional environmental magnetic field.It reaches the maximum value when H is 240A/m，and then begins to decrease.In the plastic deformation stage，the force-magnetic signal shows the magnetization reversal phenomenon that it decreases first and then increases.So the additional environmental magnetic field does not affect the qualitative evaluation of metal magnetic memory technology，but affects the quantitative evaluation.Therefore，magnetic memory detection technology can be used to judge the force-magnetic coupling characteristics of ferromagnetic specimen，which is of great significance for the further study of quantitative detection of metal magnetic memory.

nondestructive testing； additional environmental magnetic field； force-magnetic coupling relationship； magnetic state change； quantitative detection

1674-5124（2017）10-0127-07

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.10.025