铁磁试件应力集中疲劳损伤的 磁适应检测与评价技术

杨雅玲1 刘 威2 任尚坤2
1 江西省特种设备检验检测研究院 南昌　330096
2 南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室 南昌 330063

摘 要：磁适应检测技术是通过对试件微分磁导率极大值的检测，对构件的应力集中状况和疲劳损伤程度进行早期评价的新方法。文中研究了待测构件的磁导率与检测信号的关系模型，证明了检测信号与微分磁导率有关。从试验上测定了35 钢的低场初始磁化曲线，发现对35 钢初始磁导率即为极值微分磁导率。研制了磁适应检测的试验平台。通过试验优化了激励频率，激励频率取200 Hz。对35 钢平板试件检测信号随拉应力的关系进行了测试研究，试验表明，检测信号具有很好的规律性和稳定性。说明磁适应检测技术是一种新的可早期检测应力集中和损伤程度的方法，具有广阔的应用前景。

关键词：磁适应检测；无损检测；损伤评价；微分磁导率；应力集中

中图分类号:TM936.4 文献标识码:A 文章编号:1001-0785(2018)11-0178-05

0 引言
钢铁材料作为受力构件广泛应用于航空、航天、铁路、电力、石油、化工、压力容器等各行业。在使用过程中，由于应力集中、疲劳载荷及外部环境的作用，易在疏松区域、应力集中区域、疲劳损伤区域产生断裂现象，造成重大恶性事故，造成灾难性的后果。同时，原材料的应力集中和不均匀分布，将导致加工零件的应力变形，产生大量质量低下的次品，严重影响加工工艺技术。因此, 能快速、方便、高精度地检测出应力集中和疲劳损伤的严重区域，对预防构件的突然断裂、提高制造业的加工技术水平和防止重大灾难事故的发生具有重要意义。目前, 有几种对铁磁构件进行早期检测的方法正在研究和探索之中, 如金属磁记忆检测法、声发射检测法 和巴克豪森效应检测法。但这些基础方法都不太成熟, 存在各自的局限性和不确定性，都有待于深入的研究和提高。

通常用于检测的磁参量有饱和磁化强度、剩余磁化强度、矫顽力、磁导率等，磁适应检测技术（MAT,MagneticAdaptive Test) 是利用灵敏的磁参量来检测应力集中程度、疲劳损伤状况等微观结构的变化，也称为灵敏微分磁导率检测技术，或极值微分磁导率检测技术。

磁适应检测技术是一种新的无损检测和评价方法，是通过对试件微分磁导率极大值参量的检测，对铁磁构件的应力集中状况、疲劳损伤程度、微观结构老化等状况进行早期评价。对该技术的研究将可解决如何测定钢材应力分布状况这一难题，将可进一步提高检测应力分布的精度，将可破解困扰航空、航天、钢铁、石化、电力等企业在提高产品质量过程中遇到的应力瓶颈问题。该检测方法不仅可以检测试件的应力集中程度和疲劳损伤状况，还可以监测构件由于应变、温升产生的马氏体-奥氏体相变；可以检测由于材料老化产生的铁素体渗碳体相变；可以检测由于辐射老化等原因引起的力学脆性转变和力学韧性；可以检测晶粒晶界的变化等。材料的微观结构特征与低场技术磁化过程密切相关。低场磁化过程主要与铁磁材料内部的磁畴壁移有关，应力作用产生的磁化现象也主要是由磁畴壁的位移产生的，低场磁化规律更能反映应力的集中程度和分布状态 。

灵敏微分磁导率是磁化场和最大磁场的函数，表示随微观结构变化而变化最大的微分磁导率[9]，是反映微观结构变化灵敏的磁参量。与技术磁化过程对应的微分磁导率可用一矩阵形式来表示。设磁场强度变量为H a,最大磁场强度变量为H b, 微分磁导率既是磁化场强度的变量，也是最大磁场强度的变量，可表示为函数形式μd ＝ f（H a，H b）。在微分磁导率矩阵中，随材料微观结构变化率最大的微分磁导率矩阵元即为与该微观变量对应的磁适应参量( 灵敏微分磁导率)[10]。

1 检测信号与待检构件磁导率的关系模型
磁适应检测技术的探头传感器如图1 所示。模型的主体部分为一探头， 距离被测件有一定高度， 与被测构件构成磁回路。磁轭上绕有N 1 匝激励线圈和N 2 匝检测线圈，磁轭和待检测试件构成闭合磁路。如果待检试件磁导率发生变化，整个磁路的磁阻和磁通都要发生变化，导致感应信号发生变化。

通过构建磁回路和施加磁场激励，将待检构件材料的磁阻变化反应在电压输出上，实现对材料构件应力集中和疲劳损伤程度的检测。

1. 激励线圈2. 空气间隙3. 缺氧体磁芯4. 检测线圈
图1 检测模型
依据磁路安培环路定理和磁路欧姆定律

式中：φ 为磁回路磁通; μ 1、μ 2、μ 3 为探头磁芯、空气隙、被测件的磁导率；L 1、 L 2、L 3 分别为探头磁芯、空气间隙和被测构件区域长度; N 1 为激励线圈匝数; i 为激励电流; S 1、S 2、S 3 分别为探头磁芯、空气间隙和被测构件磁路区域等效截面积，分母是三部分磁阻之和。

引入麦克斯韦第二方程

代入式（1）得到感应输出信号

式中：N 2 为检测线圈匝数。
由式(2) 可知，di /dt 的有效值为常数，检测信号u out 与待检构件的磁导率有关，当被测铁磁构件磁导率μ3 发生变化时，可造成对应的输出响应电压发生变化。由于应力集中、疲劳损伤可影响构件的磁导率，所以，可根据输出电压幅值大小的变化，判断被测对象内部的应力集中状况和疲劳损伤程度。

2 试验研究
2.1 35 钢构件初始磁化曲线
以35 钢为例，首先分析材料的初始磁化特征，确定该材料的磁适应检测参量。本试验采用振动样品磁强计(Lakeshore VSM) 对35 钢样品进行低场磁化规律测定，低场初始磁化曲线如图2 所示。

图2 35 钢低场初始磁化曲线

图2 表示35 钢磁化强度M 随磁化场H 的变化规律。磁化曲线可很好地拟合为M =1 486-1 486e-H /137，dM /dH ＝10.85e-H /137, 在H ＝ 0 处有极大值。对35 钢材料，初始微分磁导率即是磁适应检测参量，对该材料磁适应检测技术即是基于初始微分磁导率的无损检测技术。

2.2 基于磁适应检测技术的检测系统平台
图3 表示磁适应检测系统结构示意图，检测系统主要包括信号源系统、信号处理系统和显示系统3 个模块。根据磁适应检测技术的特点，研发的检测系统应当满足以下几个性能指标：1）稳定的激励信号源，以及相匹配的功率放大器，使信号源具有足够的带负载能力；
2）设计出合理的信号调理电路提高检测信号的信噪比，以便于后级电路的处理；3）显示系统的设计应能完成检测数据的采集和存储，保证检测人员可以提取检测数据，进行分析处理。通过提取检测探头中检测电压信号，来实现对铁磁构件老化的检测，实现对铁磁构件进行早期损伤的评价。

图3 检测系统结构示意图

2.3 基于磁适应检测技术的检测参数设定
检测参数的设定关乎到检测精度的高度和检测的准确度问题。在本试验中，以35 钢为待检试件材料，激励线圈和检测线圈各绕300 匝，激励电源采用正弦波信号，保持激励电压u p-p ＝ 4 V，激励频率随输出信号的关系如图4 所示。

图4 表示检测信号随频率的变化关系曲线，由图可以看出, 检测铁磁试件( 称为铁磁回路) 时, 信号较强( 曲线C)。检测空气( 移去检测试件，称为空气回路) 时,信号较弱( 曲线B)。铁磁回路与空气回路信号差( 曲线D) 随频率的变化关系存在一极值，约在200 Hz 附近，感应信号在100 mV 附近。在该频率激励条件下，检测灵敏度和分辨率最高。在本次试验中，采用的激励频率是200 Hz。试验表明，在一定的激励电压幅值范围内，检测信号与激励电压幅值成正比，也可依靠提高激励电压的幅值来增强检测信号强度，提高检测灵敏度。

图4 检测信号随激励频率的变化关系

2.4 基于磁适应检测技术的检测算法
激励信号采用交流正弦波信号。检测信号与激励交流分量的幅值有关，交流分量的幅值应在与检测信号满足近似线性关系的范围内取值。

理论证明，检测信号μ 与磁导率成正比，与μ 具有线性关系。设μ ＝aμ+b , 检测空气试件时( 即无试件),设检测信号为μ0，磁导率为μ0；检测铁磁标准试件时，设磁导率为μm，检测信号为μm，可得磁导率与检测信号的关系为

式(3) 表示检测信号与磁导率的解析关系。 对不同应力状态下的铁磁试件检测时，将检测信号带入式(3)，可测定任意状态下试件的磁导率。反过来，通过测定磁导率，即可反演判断试件的应力状态。

2.5 检测试验及分析
利用INSTRON 公司的8801 试验机, 对35 钢平板试件进行拉伸试验。该拉伸机可产生正弦波、矩形波及三角波等多种波形。该拉伸机电脑全中文界面操作，可在电脑上同时显示不同数据，具有很高的智能化特点。试验采用静载拉伸方式，试验试样结构及尺寸如图5 所示，试件厚度为2.5 mm。对平板试件施加单轴方向的拉力，通过计算，35 号钢样品试件的屈服强度为27 kN(360 MPa)，抗拉强度为45 kN(600 MPa)。按照2kN(26.7 MPa) 的步进方式, 加载并记录检测线圈中的感应信号。

图5 35 钢试件示意图

在线测量，检测信号随拉应力的变化关系如图6 所示。图6 表示检测信号随拉应力的变化关系，拉力从0MPa 拉伸至667 MPa，开始以27 MPa 为增幅记录数据，在200 MPa 发生屈服现象，拉到560 MPa 时试件被拉断。由图6 可以看出，检测信号随拉力的增加而减少，表现出稳定的规律性。试验证明，检测信号可以检测判断铁磁构件的受力程度，可为早期进行无损检测和评估提供借鉴。

3 结论
磁适应检测作为一种新的无损检测技术，通过理论分析和试验验证，该技术可以反映试件所处的拉应力状态，可反映试件曾经所受拉力大小的历史，判断试件所处拉力的残余应力状况。对试件所受应力状况的早期检测和对疲劳损伤程度的早期评价具有重要意义。具体研究结论如下：

图6 检测信号随拉应力的变化关系

1) 通过理论推导和分析，证明了检测信号与磁导率有关，可通过检测信号判定构件的应力集中状况。
2) 搭建的基于磁导率检测技术的试验平台具有很高的灵敏性、稳定性和可靠性，实现了对拉应力与磁导率关系的测定。
3) 试验发现，当在线测量时，检测信号随拉应力的增加而减少，表现出很好的规律性和稳定性。试验证明，可以依据灵敏微分磁导率的变化实现对铁磁试件应力集中程度的高灵敏度检测。

参考文献
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[11] 冯端. 金属物理学[M]. 北京：科学出版社，1998.