铁磁性材料拉伸损伤过程的磁学特性

于凤云

(黑龙江科技学院 机械工程学院, 哈尔滨 150027)



铁磁性材料拉伸损伤过程的磁学特性

于凤云

(黑龙江科技学院 机械工程学院, 哈尔滨 150027)

采取分级加载拉伸断裂和重复加载拉伸断裂两种加载方式，对不同初始磁场强度的板状试样进行了单轴拉伸试验，采用磁学信号特征量研究了中碳钢拉伸损伤过程。通过对试样变形过程磁学信号特征的分析，确定了中碳钢不同拉伸损伤阶段的磁学特性：弹性阶段的磁场强度和初始磁场分布规律一致，在材料由弹性损伤到塑性损伤过渡阶段，磁场强度均值及其标准差出现拐点；在颈缩阶段，磁场强度及其梯度信号明显增大，由此能够判断中碳钢由拉伸弹性损伤状态向屈服损伤状态的转变，以及材料断裂情况的出现，从而对工程中铁磁性构件的破坏性事故做出预警。

中碳钢; 拉伸损伤; 磁学特性; 铁磁材料

由铁磁材料制成的工件和设备在工作载荷和地磁场作用下,其残余磁感应和残余磁化强度会增长,显现出不同形式的磁致伸缩效应。增强后的磁场记忆部件的缺陷或应力集中的位置,以Doubov教授为代表的俄罗斯学者将这种现象形象地称之为“磁记忆”。国内研究者发现,原先不显磁性的某些铁磁性材料工件经切削加工后,工件本身和刀具被强烈磁化。同样,某些本来并无磁性的机器零部件在运转一段时间之后却显出了磁性[1]。低碳钢、铸铁在拉伸实验的过程中,都存在着拉伸磁性[2]。铁磁性构件在服役前初始磁场有大有小,有的带有一定的剩磁,有的经过退磁处理。在工作过程中铁磁性构件承受不同的载荷作用,对其进行损伤程度的检测可以是离线的,也可以在线检测。弹性损伤和屈服损伤阶段磁信号有何特征,对不同铁磁构件损伤程度的表述,用哪种信号的特征量更为合理,将是笔者此文的研究内容。

1　实验设计

实验材料选取45#钢,根据GB 6397—1986《金属拉伸试样》,试样设计为板状,宽度20 mm,厚度5 mm,两个夹持端长度为70 mm,矩形截面拉伸试样如图1所示。实验系统由CSS-44100电子万能材料实验机、SG-4L特斯拉计、探头移动支架等组成。试样的初始磁场有两种状态,即加工剩磁状态和退磁状态。加载方式为分级拉伸加载和重复拉伸加载两种方式。这里需要强调的是，SG-4L特斯拉计的测量单位是mT，在国际单位制中T是磁通密度的单位，但也可用作磁场的单位，此时应采用符号“μ0H”[3]，但为了研究和书写的方便，文中用符号“H”来表示磁场强度，单位为mT。

图1　矩形截面试样Fig. 1　Rectangular cross section specimen

试样1布置了两个检测通道,实验发现,对于平板试样来说,两个通道的磁场分布情况一致,因此,在后面的实验中,采取单通道检测。探头提离值3.5 mm,选定加载速率1 mm/min,对试样进行单轴拉伸加载,在试样标距100 mm范围内,沿试样长度方向检测,向右为检测正方向。根据Doubov对磁记忆现象的理论阐述及缺陷处漏磁场分布特征,实验检测的是垂直于检测面的磁场强度,即法向磁场强度Hy。在每次拉伸加载结束后,检测退磁试样和有加工剩磁试样在不同拉伸损伤阶段的法向磁场强度。

2　中碳钢拉伸损伤实验

2.1拉伸损伤评价参数的确定

(1)

式中:Hyi、Hyi-1——位于第i个检测点和第i-1个检测点处的磁场强度,mT;

Lk——检测步长,mm,其方向与检测方向一致;

m——通道数;

n——每个通道的采样点数。

2.2实验结果与分析

2.2.1反复拉伸损伤过程的磁学特性

(1)无退磁试样

有一定初始磁场无退磁、反复拉伸试样(以下称试样1)的磁场强度及梯度如图2所示。由图2可见,弹性阶段的磁场强度和初始磁场分布规律一致。随着拉伸位移s的增加,分级拉伸时试样表面的磁场强度逐渐减小,并且卸载瞬间和稳定后的磁场强度也是减小的。拉伸位移增加幅度越大,磁场强度相对减小量也越大。在整个弹性阶段,从卸载开始到残余磁场基本稳定,无论哪个拉伸位移情况下所经过的时间大约都是2 min。磁场强度梯度随着拉伸位移的增加越来越小,说明试样表面各点的残余磁场分布变得更加均匀。试样1塑性阶段的拉伸位移与磁场强度的关系较弹性阶段复杂。随着拉伸位移的增加,保载时测点1的磁场强度呈下降趋势,而卸载瞬间的磁场强度先增大后减小;稳定后的磁场强度也是先增大,而后基本不变。即当拉伸位移较大时,各个测点的磁场强度及其梯度随拉伸位移的增加变化微小,并且每个加载阶段由结束到磁场稳定的时间也比弹性阶段长很多,甚至不得不松开实验机的夹头使弹性变形尽快消除掉,减小不必要的辅助实验时间,然后再重新夹紧试件。比如,在拉伸位移为6.4 mm时,15 min时磁场强度还在波动。

图2　磁场强度及其梯度Fig. 2　Magnetic intensities and gradients

按照金属学理论,在试样拉伸位移不大时,晶粒以单系滑移为主,变形阻力相对较小,位错首先在变形晶粒的晶界附近堆积,运动的位错较少,所以这时的磁场强度不大。当拉伸位移较大时,运动位错与各种位错之间,以及各种运动位错与运动位错之间,产生了一系列复杂的交互作用。由于位错与位错的相遇,大量的位错在位错壁和位错网旁边形成堆积,随着变形的继续增大,便会使各晶粒破碎为细碎的亚晶粒,位错密度就会显著增大。因此,随着变形量的增大,由于晶粒破碎和位错密度的增加,材料内的晶粒破碎并被拉长,同时,各晶粒间的晶格位向也会沿着拉伸位移的方向发生转动。当拉伸位移达到16.7 mm左右时,由于金属材料组织的“择尤取向”,金属性能就具有了明显的方向性。这时的磁场强度也基本不变。此后,载荷开始下降,表明内部有材质损伤。这正是材料的颈缩阶段。

由式(1)计算得到的不同拉伸位移下试样1的磁场强度均值及标准差,如图3所示。当拉伸位移较小时,随拉伸位移的增加磁场强度均值及标准差均减小;当拉伸位移较大时,磁场强度均值和磁场强度标准差随着拉伸位移的增加几乎不再变化。当磁场强度均值为-0.151 3 mT,其标准差为0.045 9 mT时,磁场强度均值及其标准差曲线均出现拐点。该拐点对应的拉伸位移为0.87 mm,拉伸载荷为40.8 kN。这一数值与材料的屈服强度一致,表明此时拉伸已由弹性损伤过渡到了塑性损伤。

(2)退磁试样

上述实验是在试样具有一定剩磁条件下进行的。在工业生产中,如果工件上的残留磁场过大,在后续加工过程中会加剧工具的磨损,可能干扰下道工序以及影响仪表或精密仪器的使用等。采用反转磁场退磁法对试样进行了退磁处理,然后对其进行反复拉伸,检测表面法向磁场强度,对退磁后的试样进行反复拉伸损伤研究。

退磁、反复拉伸试样(以下称试样2)的磁场强度及其梯度与拉伸位移的关系如图2。从试样2拉伸过程中各测点磁场强度的变化情况可以看出,经过退磁后试样的磁场强度与拉伸位移曲线之间没有明显的对应关系。这一点与试样1的拉伸磁特性完全不同。未加载前退磁试样内部的磁畴分布是杂乱无章的,各处的磁场强度几乎相等,梯度接近零值。试样2磁场强度均值及标准差与拉伸位移的关系曲线如图3。在弹性阶段,随着拉伸位移的增加,磁场强度均值和磁场强度标准差均没有明确的变化规律。当拉伸进入屈服阶段时,标准差急剧增加而后减小,在强化阶段呈增加的趋势。当磁场强度均值为-0.112 6 mT时,其标准差为0.010 76 mT,此时,两曲线出现了明显的转折点。这与试样1转折点的出现位置是一致的,此时的拉伸载荷为35 kN。塑性阶段磁场强度的变化规律同弹性阶段基本相似,在相同的拉伸条件下,不同测点的磁场强度有的增大,有的减小,因此,其均值仍然没有明确的变化规律。在强化阶段,试样的变形越大,磁场强度标准差也越大。

图3　磁场强度均值及其标准差Fig. 3　Average values and standard deviations of magnetic intensity

通过对试样2拉伸过程中磁场强度的检测与分析得出,试样2在拉伸过程中的磁记忆特性与试样1的差别较大。弹性阶段,磁场强度标准差与拉伸位移之间没有明确的对应关系,材料屈服后,标准差随拉伸位移的增加而增加。一个有意义的现象是:试样1和试样2有一个共同的拉伸磁记忆特性,即在材料进入屈服点时,磁场强度标准差曲线出现了明显的转折点。

2.2.2分级拉伸损伤过程的磁学特性

(1)退磁试样

退磁、分级拉伸试样(以下称试样3)磁场强度及其梯度与拉伸位移的关系如图2。随着拉伸位移的增加,各个测点的磁场强度变化情况区别较大。弹性阶段和屈服阶段,断口左侧测点的磁场强度总体呈增大趋势,断口处测点的磁场强度先减小后增大。这一点与试样1和试样2的拉伸磁记忆特性一样。当磁场强度均值为-0.141 mT,标准差为0.016 56 mT时,磁场强度均值与标准差曲线出现拐点,对应的拉伸载荷为35 kN;强化阶段,断口左侧的测点磁场强度随拉伸位移的增加而减小,断口处测点的值是先减小后又增大的。在强化的最后阶段,断口左侧测点磁场强度减小缓慢,而此时断口附近和右侧测点磁场强度却是增加的;发生颈缩时,断口左侧磁场强度随拉伸位移的增加而减小,且越靠近最后断裂部位,磁场强度变化越剧烈,而断口右侧测点的磁场强度随拉伸位移的增加而增加。当拉伸载荷为试样拉伸断裂后证实,在颈缩阶段磁化出两极的部位对应的正好是试样的断口位置。断裂时,断口左侧磁场强度为0.957 mT,右侧为-0.158 mT,梯度为0.115 mT/mm,表明断口部位磁场强度其梯度明显增大。此时,磁场强度均值为0.309 8 mT,标准差为0.166 9 mT,其两侧磁化出两个磁极。

(2)无退磁试样

无退磁但初始磁场极小、分级拉伸试样(以下称试样4)磁场强度及其梯度与拉伸位移的关系如图2,磁场强度均值及标准差与拉伸位移的关系如图3所示。当磁场强度均值为-0.086 91 mT,标准差为0.012 12 mT时,两曲线出现转折点,此时的拉伸载荷为42 kN。在分级拉伸加载状态下,试样4弹性损伤阶段的拉伸磁特性和试样3的基本相同,与试样1差别较大。试样4和试样3磁场强度标准差与拉伸位移的变化规律,与重复拉伸加载的试样2是一致的。

3　结　论

在地磁场作用下,对不同初始磁场强度的普通板状试样进行了分级加载和重复加载拉伸试验,研究了在保载和卸载状态下应力引起的拉伸损伤磁学特性。无明显剩磁试样和退磁试样在分级拉伸状态下的磁学特性、退磁试样在反复拉伸状态下的磁学特性基本相同,但三者的拉伸磁学特性与有一定剩磁试样在反复拉伸状态下的差别较大;在不同初始磁场条件下所有试样材料进入屈服点时,磁场强度标准差曲线均出现了明显的转折点,在实验条件下,该点对应的拉伸载荷在35～42 kN,与被拉伸材料的屈服强度一致。

磁场强度标准差是对总体分散程度的评价,笔者认为此参数比梯度更为全面和科学。在此基础上,可以建立磁场强度均值及其标准差与拉伸位移的函数关系,应用磁场强度均值及其标准差来评估结构材料的变形情况。有一定剩磁的试样磁场强度均值随着拉伸损伤程度的增加而减小,退磁或无明显剩磁试样与之相反;多点检测时,在材料的颈缩及断裂阶段,随拉伸位移的增加,试样断裂位置两侧的磁场强度向相反方向变化,梯度也明显增大。

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(编辑晁晓筠)

Magnetic properties in tensile damage process of ferromagnetic materials

YUFengyun

(College of Mechanical Engineering, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150027, China)

This paper is devote to uniaxial tensile tests of plate samples with different initial magnetic field strength using graded loading and repeated loading and study on the tensile damage process of medium carbon steel using the characteristic value of magnetic signal. The analysis of the magnetic signal characteristics of the deformation process leads to the determination of the magnetic properties of medium carbon steel at different tensile damage stages. Among the magnetic properties are the consistency between the distribution rule of magnetic field strength and the initial magnetic field strength at the elastic stage, the occurrence of inflection points on the mean and standard deviation curves of magnetic field strength during the transition from elastic damage to the plastic, and an obvious increase in magnetic field strength and its gradient signal at the necking stage, from which arises the transition from stretching elastic damage to yield damage and the occurrence of material fracture, thus giving a warning on the destructive accidents of ferromagnetic components in engineering.

medium carbon steel; tensile damage; magnetic properties; ferromagnetic materials

1671-0118(2012)03-0293-04

2012-05-03

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(11551433，1152G033)

于凤云(1968-)，女，黑龙江省庆安人，教授，博士，研究方向：机械状态监测及故障诊断，E-mail:yufengyun179@sohu.com。

TG115.28

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