Q235钢在扭转载荷作用下的磁化反转效应

任尚坤,黄 隐,习小文,赵珍燕,段振霞

(南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室， 南昌 330063)



Q235钢在扭转载荷作用下的磁化反转效应

任尚坤,黄 隐,习小文,赵珍燕,段振霞

(南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室， 南昌 330063)

磁记忆检测技术是近期发展起来的可早期发现金属检测试件损伤的新的无损检测方法，研究磁化反转效应可以解决磁记忆检测技术中的基础问题和应用瓶颈。通过反复地加载和卸载，测量了Q235低碳钢试件在不同的扭矩作用下，表面固定点磁感应强度随扭矩变化的对应关系。试验结果表明，在弹性阶段，磁感应强度B与扭矩T近似成直线关系。当扭矩T达到或超过屈服扭矩(39.98 N·m)之后，磁感应强度B与扭矩T的关系表现为先增大后减小。随着屈服过程向圆心的转移，磁感应强度差值ΔB的差距进一步加大。在接近抗拉扭矩后，磁感应强度差值ΔB的变化量进一步增大。试验得出：试件的磁感应强度在扭矩作用下，存在磁化反转效应，并对扭转过程中的力-磁关系做出了简单的评价。

磁化反转;力-磁关系;金属磁记忆;扭转

进入21世纪以来，现代工业正日益向高速、高载、高频的方向发展，零件、材料在使用过程中经常发生失效问题。对材料使用前期进行有效地无损检测，可以避免或减少恶性事故的发生。在前期的检测过程中，金属磁记忆检测[1-2]是迄今为止对金属部件进行早期诊断行之有效的无损检测方法之一，对避免破坏性事故的发生具有重要意义。铁磁性材料在地磁场、应力、内部组织相互作用下，材料表面会产生漏磁场，磁记忆检测技术是通过对材料表面漏磁场的检测来评价材料的损伤状况。磁化反转效应是力-磁效应、位错磁化效应和磁畴组织效应的三种主要效应的结合[3]。对磁记忆的基本规律及机理的理解目前尚无统一定论，有待深入的研究和探索[4]。

关于研究力-磁效应的拉伸、疲劳试验比较多[5-7]。任尚坤教授研究了铁磁试件应力磁化过程中的磁化反转效应，并建立了两种应力磁化效应的应力等效磁场模型和磁导率数学模型[8-9]，但对扭转作用下的磁化反转效应的研究还未见报导。笔者通过扭转试验来研究力磁效应,本质上，拉伸与扭转都是应力引起的材料内部晶粒的变化，从而导致的材料形变。拉伸过程是通过拉伸载荷的作用，导致构件截面的整体变形，其过程可以分为弹性、屈服、强化和颈缩四个阶段。但构件的扭转过程在扭矩的作用下表现为弹性、屈服和强化三个阶段，并且其屈服过程是由表面逐渐向圆心扩展而形成环形塑性区的。当构件横截面全部屈服后，试件才全面进入塑性阶段。在屈服阶段后期，扭矩基本不动或呈下降趋势的轻微波动，而扭转变形继续增加。

1 试验过程

采用深圳三思纵横科技股份有限公司的电子扭转试验机在室温下进行扭转试验。电子扭转试验机的主要参数为：试验机级别为1级/0.5级；扭转速度为6～720(°)·min-1；扭转计扭角分辨力为0.004 5°;扭矩分辨力为最大扭矩的1/300 000 N·m。

采用美国LakeShore公司生产的421Gaussmeter弱磁场测量仪收集漏磁场数据。421Gaussmeter是LakeShore公司为适应永磁工业的动态变化而设计的，具有极快的反应速度，极高的分辨率和极佳的磁通密度测量重复性。测量范围：10-9～30 T；准确度：0.2%；刷新率：18 次·s-1。试验装置如图1所示。

图1 试验装置外观

试件采用Q235低碳钢标准试件，试验前对所有试件进行去应力退火。试件的尺寸示意如图2所示。

图2 试件断面结构示意

试验过程中用电子扭转试验机测量试件1的扭矩-转角曲线，了解Q235低碳钢的扭转-转角曲线和试件的弹、塑性变形规律。根据试件的扭转-转角曲线，设计试验最大加载值。根据每次设计的加载梯度值进行加载试验,每次加载到设定的加载值时，在线测量M点(位于整个构件长度的四分之一表面处)的漏磁场强度大小；设置合适的梯度(20 N·m时以1 N·m为梯度逐级变化；40，44，52 N·m时以2 N·m为梯度逐级变化；60，80 N·m时以5 N·m为梯度逐级变化)，重复试验，反复进行加载-卸载过程四次，记录每次测量所得的数据。

2 试验结果及分析

图3 Q235钢扭矩-转角曲线

试验开始前，首先对试件1进行扭矩-转角测试，测定该扭转试样的屈服强度、抗拉强度等重要数据。通过图3完整的扭转曲线发现：试件在扭转的状态下屈服强度为39.98 N·m，抗拉强度为82.86 N·m。因此39.98 N·m是弹性阶段转塑性阶段的重要临界点，对研究扭转的力磁效应有重要影响。

(1) 扭矩在20 N·m时，试件处于弹性扭转阶段。

图4(a)表示扭矩T在0～20 N·m范围内反复加载和卸载时，第二次测量时点M上的磁感应强度B随扭矩T的变化曲线。由图4(a)可知：测量点M上的磁感应强度B随扭矩T的增大而增大(正负号表示磁场方向)，二者成正比关系，并没有表现出磁化反转现象。在扭矩的加载过程中，近似于直线，在扭矩的加载和卸载过程中，二者用不同的曲线拟合，其斜率大致相当。这个过程中扭矩T增加，磁感应强度B相应地线性增大，变化率为1.9%，漏磁场的变化量与动态扭矩变化有关。

(2) 扭矩在40～44 N·m时，试件扭转进入表面屈服阶段。

图4(b)、(c)分别表示扭矩T在0～40 N·m和0～44 N·m范围内反复加载-卸载时，第三次记录测量点M上的磁感应强度B随扭矩T的变化曲线。由图4(b)可知：测量点M上的磁感应强度B不是单一地随着扭矩T的增长而变大，而是先随着T急剧增大中间平稳过渡而后再急剧减小，表现出明显的扭矩磁化反转。加载过程中极值点在20～22 N·m处，而在卸载过程中极值点在8～10 N·m处。经历了一次加载和卸载完成后，扭矩T在0 N·m时的磁感应强度差值ΔB相互接近，但是难以回到初始位置。其中加载过程中，在B的增大区间，扭矩T在0～40 N·m和0～44 N·m间漏磁场的磁感应强度变化率分别为1.3%,0.9%。

图4 磁感应强度随扭矩T的变化曲线

这是因为，当扭矩接近或达到了40 N·m时，随着扭矩T的增大，与拉伸类似，试件内部相应的晶粒会出现位错滑移，逐渐形成大量的滑移区，宏观上表现为塑性变形，此时当扭矩达到了塑性区域后，引起了材料的部分硬化。而在卸载过程中，当外应力逐步消除后，晶粒内部原子的位错滑移不能沿原路径全部回复到初始状态，只能部分返回初始状态。但扭转和拉伸又不相同，横截面边缘处的剪切应力先达到屈服极限，而且塑性区逐渐向圆心扩展，形成环形塑性区，但是中心部分仍是有弹性的，这是一个逐步转变的过程。从图4(b)、(c)可以看出，经历了一次加载-卸载过程后，扭矩T在0 N·m时的磁感应强度差值ΔB差异不大，卸载完成后大部分漏磁场能返回至加载前的磁感应强度位置。说明目前的扭转只是发生在试件表面及其以下区域，并没有扩展至圆心区域。

(3) 扭矩在52～60 N·m时，试件扭转已经达到圆心屈服阶段。

图4(d)、(e)分别表示扭矩T在0～52 N·m和0～60 N·m范围内反复加载-卸载时，第三次记录测量点M上的磁感应强度B随扭矩T变化曲线。由图4(d)、(e)可知：测量点M上的磁感应强度B随着扭矩T的先平稳过渡然后缓慢增大，在30 N·m左右达到了极值后，急剧减小。在加载和卸载过程都出现明显的磁化反转效应，此时在加载和卸载过程中的极值点均在30 N·m。经历了一次完整的加载-卸载后，扭矩T在0 N·m处加载前和卸载后的磁感应强度差ΔB变大，卸载后的磁感应强度难以回到初始加载时的位置。随扭矩的增大、磁感应强度差ΔB的变化也在增大。说明试件在扭矩T的作用下已经形变完成，试件的屈服从试件表层向圆心处扩展直到整个界面几乎都是塑性区。

从图4(b)、(c)、(d)和4(e)可以看到，在不同扭矩T加载的情况下，其最大磁感应强度B的位置发生了明显的转移。当扭矩T在40，44，52,60 N·m时，加载过程中磁感应强度B最大值出现的位置分别是在20， 22， 30,30 N·m点处，呈现出逐渐增大的趋势。这是因为试件处在塑性变形中，随着扭矩载荷的加大，内部组织结构会发生明显的变化，材料的硬化作用更加明显，因此最大磁感应强度B的位置会发生明显的转移，且随扭矩逐渐增大。这同重复加载同一材料，会使得材料的机械强度增强的原理类似。

(4) 扭矩在80 N·m时，试件扭转已经接近抗拉扭矩。

图4(f)表示扭矩T在0～80 N·m范围内反复加载-卸载时，测量点M上的磁感应强度B随扭矩T的变化曲线。其中图4(f)是从第3次加载试验开始，这之间加载-卸载循环过程的数据。由图4(f)可知，此时扭矩已经接近抗拉强度82.86 N·m，磁感应强度B随着扭矩T还是先缓慢地增大，最后急剧减小，存在明显的磁化反转。但是此时的加载-卸载曲线的趋势已经出现了稍微的差别，加载过程中在15～35 N·m时出现了缓冲阶段，而在卸载过程中没有出现，只是在15 N·m出现了最大磁感应强度B。并且从图4(f)看到，整个加载-卸载过程完成后，卸载后的磁感应强度B能够恢复到加载起始时的磁感应强度值(数值相差仅0.005)，并没有存在明显的迟滞现象，但在图4(b)～(e)的加载过程中都存在明显的磁滞过程，即扭矩T在0 N·m处卸载后同加载前的磁感应强度B存在明显的滞后，且随着扭矩T的增大迟滞现象更加的明显。这是因为扭矩的作用状态决定了磁畴壁迁移的阻力。迟滞现象是磁畴壁不可逆迁移所产生的结果，当试件接近抗拉阶段，内部磁畴壁阻力作用完全消除，此时，卸载后的磁畴壁受扭矩的作用能回复到原始位置。

3 结论

(1) 当扭矩T在20 N·m时，漏磁场与扭矩的相互对应为正比例关系，没有表现出磁化反转现象，此时漏磁场的变化量是与动态扭矩有关。

(2) 当扭矩T达到或超过了屈服扭矩(39.98 N·m)之后，磁感应强度B在扭矩T的作用下存在着明显的磁化反转效应，为扭转过程中的力-磁关系做出了简单的评价。

(3)当扭矩T超过屈服阶段后，扭矩T在0 N·m处的漏磁场的磁感应强度差值ΔB进一步增加。

[1] DOUBOV A A. Diagnostics of metal items and equipment by means of metal magnetic memory[J]. NDT′99 and UK Corrosion′99, 1999，32: 287-293.

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Magnetizing Reversion Effect under Torsion Action of Q235 Steel

REN Shang-kun, HUANG Yin, XI Xiao-wen, ZHAO Zhen-yan, DUAN Zhen-xia

(Key Laboratory of Nondestructive Testing, Ministry of Education, Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063, China)

The metal magnetic memory technology is a recently developed new NDT method capable of the early detection of damages in test piece. Study on the magnetization reversal effect is to understand the basic principle of magnetic memory testing technology and to solve its application bottlenecks. By repeatedly loading-unloading the Q235 mild steel specimens under different torques, the magnetization value at surface fixed point was measured together with corresponding torques. The results show that at the elastic stage the magnetic flux densityBshows approximately linear relationship with torqueT. When the torqueTreaches or exceeds the yield torque (39.98 N·m), the relationship between them performs as increasing first and then decreasing. With the yield process transferring to the center, the gap magnetic flux density ΔBis further opened. After approaching the tensile torque, the amount of change in magnetic flux density ΔBis further increased. Test shows that there exists the magnetizing reversion effect in the specimen magnetic flux density under the effect of torque, and it may provide basis for the evaluation of the stress-magnetism relationship in the course of torsion action.

Magnetization reversal; Stress-magnetism relation; MMM; Reverse

2015-05-28

国家自然科学基金资助项目(51261023)

任尚坤(1963-)，男，教授，主要研究方向为电磁检测技术及仪器。

黄 隐，E-mail:huangyin_0828@126.com。

10.11973/wsjc201611006

TG115.28

A

1000-6656(2016)11-0030-04