不同初始磁状态U75V钢变形阶段的磁记忆参数表征

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(浙江大学 结构工程研究所，浙江 杭州 310058)

不同初始磁状态U75V钢变形阶段的磁记忆参数表征

付美礼，包胜，柏树壮，楼煌杰

(浙江大学结构工程研究所，浙江杭州310058)

通过对经退磁处理和未消磁的U75V钢光滑试件进行静载拉伸试验研究了初始磁状态对试件表面磁信号的影响。结果表明：消磁试件长度范围内的表面磁场在弹性阶段呈现很好的线性分布。进入塑性后，切向磁场出现局部弯曲。利用切向磁场均值和法向磁场斜率变化可以区分弹塑性阶段以及确定弹性阶段的应力幅值；未消磁试件随着载荷增加其表面磁场波动幅度减小，由初始无规律分布逐渐转向磁有序状态。利用未消磁试件长度范围外的磁记忆信号曲线的磁场均值及斜率变化可以有效表征不同的变形阶段。

初始磁状态； 变形阶段； 磁记忆参数； 拉伸试验

1 前 言

传统漏磁检测是一种强磁检测技术，即需通过一外加磁场对被测构件进行饱和性磁化，这类强磁检测技术对发现结构宏观几何型缺陷较为有效，但不适用于对材料早期损伤的检测[1-2]。金属磁记忆检测技术(Metal Magnetic Memory Testing，简称MMMT)利用铁磁性材料在工作载荷和地磁场作用下产生的磁记忆效应实现早期损伤的快速检测，是一种新的无损检测方法[3-6]。该技术无需附加激励磁场即能有效检测铁磁材料表面的应力集中区域，可用于铁磁性材料损伤程度的评估和剩余寿命的预测，由于其操作简单易行，检测灵敏度高，在铁磁构件损伤评价领域具有广阔的应用前景。

目前该检测技术只能定性确定缺陷可能存在的位置，无法提供定量化的检测结果，其中一个很重要的因素是尚未建立系统的基于金属磁记忆技术的材料不同变形阶段的磁记忆评价参数。由于磁记忆检测结果容易受到诸多因素干扰而随机性较大，为此学者们开展了大量的基础性试验研究。如董丽虹等[7-8]研究了未经任何磁处理的试件在拉伸荷载作用下法向磁信号在弹塑性阶段的不同变化特点。徐滨士等[9-11]深入研究了经退磁处理后的光滑试件在静拉伸过程中的法向磁场变化规律，建立了弹性范围内应力与法向磁场梯度的定量关系。任吉林等[12]研究了退磁试件不同程度变形下应力状态对法向磁信号的影响，定性解释了磁信号变化的不同机理。在众多的试验中，利用消磁铁磁构件表面的法向磁场分量及其梯度变化表征弹塑性阶段的研究较多，而对于未消磁试件不同变形阶段的表征研究较少。本文以U75V钢轨钢为研究对象，通过对消磁和未消磁试件进行静载拉伸试验，分别测量两种试件表面不同测量区间的磁记忆信号，系统研究了不同初始磁状态试件在不同变形阶段的磁记忆参数表征方法。

2 试 验

2.1 试件制备

U75V钢轨钢是攀钢于20世纪90年代初研究开发出的高碳微钒合金轨，目前在我国铁路上被广泛使用。该钢耐磨性、韧性及抗疲劳性好，抗拉强度高，但其所含碳、硅等元素较高，且含有其它的残留元素，可焊性较差。U75V钢试件按照GB/T 228-2002标准分别加工成图1所示的厚度为4mm的光滑板状试件，其主要化学成分和力学性能见表1、表2。试件分为消磁组和未消磁组，在消磁试件表面设置长度为100mm的测量线，在未消磁试件表面设置长度为170mm的测量线，测量方向由左到右如图1所示。

表1 材料化学成分

表2 材料力学性能

图1 试件形状及测量路线示意图(单位: mm)Fig.1 Specimen shape and scanning line (mm)

2.2 试验方法

试验前利用TC-1型退磁器对需要消磁的试件进行退磁处理，利用TSC-2M-8型磁检测仪和2M扫描装置沿着图示检测线方向采集消磁试件和未消磁试件表面磁场信号。拉伸试验采用的是量程为200kN的电子万能试验机，试件在拉伸试验机上以3mm/min的速度加载至预定载荷，再以5mm/min的速度卸载并卸下置于测量平台上，利用磁检测仪由左到右测量，依此重复，直至试件被拉断。

3 试验结果与分析

3.1 消磁试件

图2给出了消磁试件表面磁场随荷载的变化曲线，由图可见，在弹性阶段0～70kN(屈服荷载约为78kN)，随着荷载增大，切向磁场Hx向坐标轴负方向移动，沿测量线呈现很好的线性分布。法向磁场Hy顺时针转动，同样表现出很好的线性。进入塑性阶段80～115kN，Hx曲线开始弯曲并开始反转向上移动，随着荷载增大，测量线中部弯曲进一步加剧。Hy曲线开始逆时针转动，相比弹性阶段，转动的幅度渐小，但并未出现明显的局部弯曲现象，依然表现出很好的线性。为了更好地反映荷载对试件表面磁场的影响，取每级荷载下整条测量线上切向磁场均值和法向磁场斜率作为评价参数，如图3所示，切向磁场均值和法向磁场斜率随荷载的变化规律表现出很好的一致性，即弹性阶段其绝对值都随荷载的增大而近乎线性增大，塑性阶段其绝对值都随荷载增大而稍有减小。从而表明对于消磁试件，可以利用磁记忆参数(切向磁场均值和法向磁场斜率)的变化来区分弹塑性阶段以及确定弹性阶段的应力幅值。当然，针对不同铁磁材料，这两个磁记忆参数在弹性阶段与应力幅值之间是否严格满足线性关系，以及相关线性系数值等，还需进一步做试验确定。

当铁磁性材料受拉应力作用时，存在由于形变而引起的磁弹性能和由外应力作用而产生的磁应力能。对于磁致伸缩系数为正的U75V钢，拉应力使材料内部的自发磁化强度取平行于拉应力的方向。从磁畴与位错理论[13-14]来说，在弹性变形阶段，应力将改变铁磁材料体内磁畴的自发磁化方向以增加磁弹性能，来抵消应力能的增加，以实现总能量最小化。弹性应力的存在能有效克服磁畴运动过程中金属内部的位错钉扎作用，促进磁畴逐渐沿拉应力方向取向，从而引起试件表面磁场强度的增大。因此，在弹性变形阶段，磁记忆参数几乎呈线性增加。塑性阶段相对于弹性阶段来说，其磁场变化的微观作用机制完全不同。塑性变形导致试件内部出现残余应力，随着应力增加和试件变形量增大，以位错、位错缠结以及位错胞形式出现的钉扎点成幂次数迅速增加。强烈的钉扎作用使磁畴的有序化运动停止，导致试件表面磁场强度不再增加甚至有所减小。此外，塑性变形不仅改变材料的磁导率，而且在局部塑性区会形成矫顽场[15]，相当于在整个样品均匀磁化场基础上再附加一局部场，因此造成磁场曲线在局部塑性区出现弯曲，试验结果表明切向磁信号对局部塑性区的表征比法向磁信号更为敏感。

图2 消磁试件表面磁场随荷载的变化(a) 切向磁场； (b) 法向磁场Fig.2 Variation of surface magnetic fields of the demagnetized specimen at different loads (a) tangential component; (b) normal component

图3 消磁试件切向均值和法向斜率随荷载的变化Fig.3 Variations of the tangential average magnetic field and the normal magnetic gradient of the demagnetized specimen at different loads

3.2 未消磁试件

图4 未消磁试件表面磁场随荷载的变化(a) 切向磁场； (b) 法向磁场Fig.4 Variation of surface magnetic fields of the undemagnetized specimen at different loads (a) tangential component; (b) normal component

对于未消磁试件，由于加工搬运等原因导致试件有很强的初始剩磁场，如图4所示，在未加载前(0kN)，切向磁场幅值高达800A/m，法向磁场幅值高达1150A/m。此外，切法向磁场在测量线上呈现出多个波峰-波谷，可见未消磁试件表面磁场信号沿长度方向分布很不均匀。在10～70kN弹性阶段，试件长度范围内(x=20～170mm)的磁场波幅随着荷载增大而减小，且减小的速度逐渐放缓。此外，同消磁试件类似，切向磁场曲线整体向下移动，法向磁场曲线整体顺时针转动。在80～115kN塑性阶段，试件长度范围内的磁场曲线波动幅度渐小，与消磁试件相似，磁场曲线开始反转并在中间区域呈现局部弯曲。此外，在加载过程中，试件端部区域磁场也呈现剧烈的变化：切向磁场在x=0～20mm区域，曲线表现出很好的线性，随着荷载的增大，曲线由斜向下变为斜向上；在x=20mm附近，出现局部磁场极值点；在x=20～40mm区域，曲线顺时针转动；此外，加载至塑性阶段，在x=20～60mm区域的磁场要明显大于试件中间区域的磁场。法向磁场在x=0～30mm区域形成了一个喇叭口；在x=30mm附近，出现局部磁场极值点；在x=30～60mm区域，曲线顺时针转动，塑性阶段对应的磁场值同样明显大于试件中间区域。

为更好地研究加载过程中试件长度范围外的磁场变化规律，取左端x=0～10mm区域的磁场数据进行分析，图5给出了相应的切法向磁场均值和斜率随荷载的变化曲线。从图中可以看出，长度范围外的磁记忆参数(磁场均值和斜率)随荷载的变化表现出很好的一致性：即弹性阶段，应力加速磁化，磁记忆参数基本呈线性增加；塑性阶段，磁记忆参数基

本呈小幅波动。上述结果表明对于未消磁试件，由于机械加工等原因导致试件表面磁场沿长度方向分布呈现非线性和波动性，当前惯用的试件长度范围内的磁记忆参数不能有效表征弹塑性阶段，而分析试件端部外的磁场数据，表明可以利用试件长度范围外的磁记忆参数的变化来区分未消磁试件弹塑性阶段以及确定弹性阶段的应力幅值。

对于未消磁试件，在外加荷载作用下材料内部磁畴转动如图6所示。在初始时刻，由于试件内部及表面组织的微观不均匀性而产生不同的残余应力，材料内部初始磁畴分布较为杂乱,如图6(a)所示，因而试件表面各点的初始磁场强度差异较大，表现出波浪形的分布，其大小及分布与加工历史、运输过程等有关[16]。当试件受到拉伸荷载作用时，轴向拉力的作用使得材料内的磁畴结构发生变化，随机排列的磁畴发生转动，磁畴取向与应力方向较为一致地先转到易磁化方向，如图6(b)所示。随着荷载进一步增大，材料内部的残余应力和微缺陷开始重新分布，磁畴逐渐转为同一方向，如图6(c)所示。因此，在加载过程中，试件中间区域的表面磁场波动幅度逐渐减小并趋于稳定。而对于试件端部区域，当装夹后，由于试验机夹头由铁磁性材料制成，压应力产生附加磁场，咬合部位形成的磁场会对试件产生影响，导致试件长度范围内靠近端部的磁场比试样中间区域明显偏大[17]。在试件端部与空气分界面上，磁导率急剧减小，随着离试件端部距离的增大，空间磁场减弱并趋近于地磁场。因此，图4中切法向磁场在左端汇聚并在试件端部附近形成局部极值点。结合以上分析，对于受轴向应力作用的拉伸试件，其内部磁场的磁化方向沿应力轴、并与外磁场方向相同，试件磁场分布如图 7 所示。试件表面磁场H为外磁场(地磁场)H0、构件整体磁化产生的表面磁场HB的叠加，即

图5 未消磁试件左端区域磁记忆参数随荷载的变化(0≤x≤10mm)(a) 磁场均值； (b) 磁场斜率Fig.5 Variations of the magnetic memory parameters of MMM signals measured from the left side of the demagnetized specimen at different loads (0≤x≤10mm)(a) average magnetic field; (b) magnetic gradient

图6 磁畴在应力作用下的转动示意图(a) 磁畴的初始方向； b) 增大应力后磁畴的转动； (c) 应力继续增大后磁畴的转动Fig.6 Orientation of magnetic domains under the action of stres(a) initial orientation of magnetic domains; (b) orientation of magnetic domains with increasing stress; (c) orientation of magnetic domains with a further increase of stress

图7 完整试件磁场示意图Fig.7 Magnetic field schematic diagram of the smooth specimen

H=H0+HB

(1)

实际上晶体中总存在各种缺陷，比如位错、夹杂物，使晶体的很多性质发生改变。此外，由于受试件两端夹头咬合以及试件塑性变形不均匀的影响，磁导率在整个试件长度范围内差异较大，导致试件长度范围内的表面磁场分布较为复杂，而试件端部外空气的磁导率比较稳定，磁场基本呈线性分布。因此，对于未消磁试件，通过研究端部外一定区域的磁场变化亦能表征试件的弹塑性阶段。

4 结 论

1.对于消磁试件，弹性阶段表面磁信号呈现很好的线性分布规律，应力加速材料磁化；塑性阶段表面磁信号出现反转。切向磁信号曲线出现明显的弯曲表明切向磁场比法向磁场对试件局部塑性区的表征更敏感。

2.对于未消磁试件，其初始表面磁场分布表现出强烈的波动特征，在加载过程中，试件长度范围内的磁场波幅快速减小最终趋于稳定，表面磁场随荷载的变化整体上类似于消磁试件；试件端部区域磁场变化明显，即空气区域磁场表现出很好的线性分布规律，空气与试件分界面附近出现局部磁场极值点，临近试件端部区域的磁场要明显大于试件中间区域。

3.通过研究试件不同区域的磁场表现可以对铁磁材料不同变形阶段进行损伤评价，可以利用消磁试件长度范围内和未消磁试件端部外磁记忆参数(磁场均值和斜率)的变化来区分弹塑性阶段以及确定弹性阶段的应力幅值。

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CharacterizationofMagneticMemoryParametersofU75VSteelwithDifferentDeformationStagesandInitialRemanentStates

FUMeili,BAOSheng,BAIShuzhuang,LOUHuangjie

(InstituteofStructuralEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)

Influence of initial remanent states on metal magnetic memory (MMM) signals was investigated by performing static tensile tests on the demagnetized and undemagnetized U75V steel specimens. For the demagnetized specimen, the surface magnetic fields present a good linearity within its longitudinal axis in the elastic stage, and the tangential magnetic component shows an obvious local bending in the plastic stage. The average magnetic field of the tangential component and the magnetic gradient of the normal component can be used to differentiate the elastic-plastic deformation stages and evaluate the elastic stress. For the undemagnetized specimen, the amplitude of magnetic field variation reduces with increasing load, and the magnetic signals transform from initial random distribution to magnetic ordering state. The deformation stages can be characterized by both the average magnetic field and the magnetic gradient of MMM signals measured outside the longitudinal axis of the undemagnetized specimen.

initial remanent state; deformation stage; magnetic memory parameters; tensile test

2016-07-05；

2016-09-12

浙江省自然科学基金资助项目(LZ12E08003)；中央大学基础研究基金资助项目(2015QNA4028)

付美礼(1990-)，博士研究生，从事基于磁记忆技术的试验与应用研究。E-mail：fuml13@zju.edu.cn。

包 胜(1979-)，副教授，博士生导师，从事基于压磁效应的钢材疲劳损伤机理研究。E-mail：longtubao@zju.edu.cn。

1673-2812(2017)06-0866-05

TG 115.28

A

10.14136/j.cnki.issn1673-2812.2017.06.002