34CrMo4钢拉伸过程中磁记忆信号分析

赵海江，关卫和，郭鹏举

（1.浙江工业大学 化工机械设计研究所，杭州 310014；2.国家压力容器与管道安全工程技术研究中心，合肥 230031）

34CrMo4钢广泛应用于高压无缝气瓶和其它承压设备元件的制造中。承压设备元件在内压、循环载荷、内部介质等因素的共同作用下易产生应力集中。在应力集中区域，局部所承受的应力远大于名义应力值［1］，应力集中的存在加速了疲劳、腐蚀的发展，甚至将发展成宏观裂纹。因此，及时准确地探测到承压设备元件的应力集中区域以及应力集中程度具有重要意义［2］。

金属磁记忆检测的原理是利用铁磁构件运行时，在应力和变形集中区域内所产生的磁记忆效应，通过对构件表面法向磁场强度Hp（y）的检测，准确探测以应力集中为特征的危险部位［3］。在实际应用中，磁记忆技术可以检测到应力集中部位，但很难对应力集中程度进行准确的定量分析。

为了对设备元件应力集中程度进行准确的定量分析，作者通过对34CrMo4钢板状试件进行拉伸试验，研究表面法向磁场强度Hp（y）随拉应力σ的变化规律，结合磁场梯度的绝对值｜k｜分析了塑性变形对表面磁场强度的影响。

1 试验方案

1.1 试件

试件材料选用高压气瓶用钢材料34CrMo4，经调质处理，其主要力学性能为：屈服强度950 MPa，抗拉强度1 057 MPa。

从新制备的34CrMo4钢气瓶上沿轴向切取试件，按照GB／T 228－2010《金属材料 室温拉伸试验方法》标准加工成光滑弧状试件。图1为试件具体加工尺寸，其厚度约为8.5mm。

图1 试件几何尺寸及检测路径

1.2 试验设备

静态拉伸试验在SHT4505型拉伸试验机上进行，试验过程中，以10 MPa·s－1的加载速度加载至预定载荷（每次载荷增加150 MPa）后，卸载并将试件取下。采集磁信号后，再次加载至更大预定载荷并测量。检测前未对试件进行退磁处理。试验过程中，环境磁场为相对恒定的大地磁场。

信号采集采用俄罗斯产TSC－1M－4型磁记忆检测仪，将试件按南北方向放置，2 型探头从A 到B的方向进行测量，如图1所示。图1中1，2为两条检测路径，检测长度为70mm。

2 结果与分析

2.1 断裂前的磁信号特征

在试验过程中发现，两条检测路径所测得的磁信号测量结果有相同的特点，因此以第1条路径的检测结果进行分析。

图2是34CrMo4钢拉伸过程中弹性阶段的不同位置处Hp（y）随拉应力的变化曲线。在未加载时，初始磁场强度在＋192～－135A·m－1之间，表明试件加工后存在一定的初始磁信号。笔者经过多组试验测定，认为图2中初始磁信号较弱，并对后续拉伸过程中的磁信号分布影响较小，可以不予考虑。在弹性拉伸阶段，试件表面磁场强度随着拉应力的增加而逐渐增大。初次施加载荷至150 MPa时，磁场强度在＋157～－316A·m－1之间分布。当加载至900MPa时，磁场强度达到＋300～－387A·m－1。

图2 弹性阶段不同位置Hp（y）随σ的变化规律

图3 是34CrMo4 钢拉伸过程中塑性阶段的Hp（y）曲线随拉应力的变化曲线。当σ＝950 MPa时，磁场强度降低为＋176～－334A·m－1。与图2相比，在试件进入塑性阶段后，其表面磁场强度出现下降趋势。当拉应力σ大于1 000 MPa时，磁场强度已趋于稳定。

图3 塑性阶段不同位置的Hp（y）随σ的变化规律

铁磁物质具有磁畴结构以及自发磁化的特性［5］。当对铁磁体施加应力产生应变时，其内部磁畴排列、自发磁化的方向将发生变化［5］。图4所示为试件受到拉应力σ与地磁场共同作用下会产生磁畴的重新取向。当试件受到拉伸载荷作用时，内部的磁畴的磁矩发生转动，并且伴随着磁畴壁的位移，使得内部磁场在拉应力轴线方向上得到增强［6］。因此，在弹性阶段内，随着拉伸载荷的不断增大，磁畴的有序化程度增大，宏观上试件表面的磁场越来越强。

图4 拉应力作用下磁畴的重新取向

进入屈服阶段时，试件内部的位错成为阻碍磁畴壁位移及磁矩转动的主要作用［7］。位错密度的增大会对磁畴结构起到强烈的钉扎作用，阻碍了磁畴运动的进行，因此试件在屈服应力附近达到磁化饱和状态［8］。

试件断裂前表面磁信号曲线均可近似为斜直线，且具有唯一过零点，因此对断裂前Hp（y）曲线进行线性拟合，求得直线斜率作为Hp（y）的磁场梯度。图5所示为磁场梯度的绝对值｜k｜与拉应力σ的对应关系。可以看出，｜k｜随拉应力σ的增加呈现有规律的变化。在弹性阶段范围内（C点到D点），｜k｜随σ的增加而逐渐增大。当加载至接近屈服强度时，｜k｜存在最大值。随着塑性变形的不断增大，｜k｜大幅度减小。有研究认为：大的塑性会使得原有的磁畴组织发生变形甚至被分割和破坏，从而使试件表面磁场强度降低，｜k｜随塑性变形加剧而减小，同时Hp（y）下降［8］。

图5 ｜k｜随σ的变化规律

笔者曾对Q345R 钢试件进行拉伸试验，研究了表面磁场梯度最大值｜kmax｜随拉应力σ的变化规律（图6）［9］。可见，｜kmax｜值在屈服应力附近时有明显的上升，屈服后｜kmax｜又有所下降，但仍高于弹性阶段的数值，因此可以通过｜kmax｜值的大小来区分Q345R 试件是处于弹性状态还是塑性状态［9］。与图6对比，图5中的磁场梯度｜k｜在塑性变形阶段有明显的下降，与弹性阶段的数值相似或更小，因此无法通过Hp（y）分布范围和｜k｜值来判断试件是处于弹性状态还是塑性状态。

图6 Q345R 钢拉应力σ与｜kmax｜的对应关系［9］

与45 钢 和 Q345R 钢 相 比［8－9］，试 验 中34CrMo4钢屈服后Hp（y）分布范围（图3）和｜k｜值（图5）的下降幅度较大。这一方面可能与34CrMo4钢中非铁磁性相成分较多有关，此时34CrMo4钢更容易形成对畴壁位移有强烈阻碍作用的位错、位错缠结及位错胞，从而影响表面磁场强度［10］。另一方面34CrMo4钢具有较高的屈强比（约为0.9），该材料在屈服后很快就发生断裂，屈服后Hp（y）分布范围缩小和｜k｜下降较快也可能与其力学特性有关。

2.2 断裂后的磁信号特征

当拉应力达到1 079 MPa时，试件断裂。先将试件对接，然后沿检测路径进行磁信号测量，图7所示为所测的Hp（y）曲线。图7中Hp（y）曲线在断口处附近变化幅度显著增大，并在断口两侧出现峰值。此现象在其它拉伸断裂［8］和疲劳试验［11］中的磁记忆均曾观察到。在实际运用中沿焊缝进行磁记忆检测时，与焊缝相垂直缺陷的磁信号有类似特征［12］，缺陷处Hp（y）过零点且磁场梯度k值明显大于其他区域。

图7 断裂后Hp（y）沿检测路径的变化规律

3 结论

（1）34CrMo4 钢试件拉断前表面磁场强度Hp（y）随拉应力σ的增加而增大；接近屈服强度时具有最大值；进入塑性变形后，磁场强度出现减小趋势。

（2）磁场梯度的绝对值｜k｜随σ的增加而增大，在接近屈服强度时出现最大值。随着塑性变形的不断增大，｜k｜值大幅度减小。

（3）不能通过Hp（y）分布范围和｜k｜值来判断34CrMo4钢试件是处于弹性状态还是塑性状态。

（4）34CrMo4钢试件拉断前Hp（y）曲线具有唯一过零点；断裂后Hp（y）曲线断口处过零点，且磁记忆信号在断口处附近变化幅度较大。

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