温度对金属磁记忆检测的影响

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(南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室, 南昌 330063)

目前对磁记忆检测的影响因素的研究，主要有以下几个方面[1-4]：通过改变拉伸速率，研究不同的拉伸速率对磁记忆检测信号分布状态的影响；通过改变材料的应力状态，研究应力对漏磁场大小的影响，且通过应力的改变，分析其对磁畴组织的影响，以此研究磁记忆效应的变化；通过改变测量磁场时的提离值来研究提离值对磁记忆信号的影响,以及通过改变测量路径研究不同测距对磁记忆信号的影响等。这些磁记忆检测的影响因素都是在常温下进行研究的，温度变化对磁记忆信号造成的影响并没有考虑[5-8]，因此，笔者通过建立典型试样仿真模型，施加不同的温度进行ANSYS有限元仿真，来研究温度的改变对磁记忆检测的影响。

1 试验方案

以铁磁性材料20钢、45钢、12Cr1MoV为研究对象，基于热力耦合效应和力磁耦合效应，建立三维有限元仿真模型，并对其加载求解，得到其应力状态分布和磁记忆检测信号的分布结果，然后对仿真结果进行分析，以此来探讨改变温度时不同材料的磁记忆检测信号的变化规律。20钢、45钢、12Cr1MoV的主要成分以及不同温度下的性能如表1～4所示。表1～3中的化学成分百分比为质量百分数。

表1 20钢的主要性能参数

表2 45钢的主要性能参数

表3 12Cr1MoV钢的化学元素的质量分数

表4 12Cr1MoV在不同温度下的力学性能

文章所仿真的试样模型的形状为中心含小孔的平板，其尺寸如图1所示(图中δ表示厚度)。

图1 中心含圆孔的平板试样尺寸示意

首先建立热力耦合的试样ANSYS有限元模型，并对其施加不同的温度载荷，得出不同温度下试样的应力分布结果；将应力分布结果导入另一个力磁耦合的试样有限元模型，再对该模型施加拉伸载荷并求解；根据求得的应力分布结果修改材料属性，并对其施加地磁场；最后再进行求解，得出模型在圆孔附近的磁场分布情况。

2 试样的有限元仿真

2.1 热力耦合单元的有限元仿真

首先对12Cr1MoV材料进行ANSYS有限元仿真。为了对模型施加不同的温度，在建立试样模型时，采用的是Solid45单元。该单元可用来构造三维固体结构，并且每一个节点都有3个沿着x，y，z方向平移的自由度。

选好结构单元之后，定义模型的材料属性，建模并划分网格。由于模型是轴对称模型，为了节约计算资源，提高计算效率，仅建立一半的试样模型。建立的仿真模型及网格划分如图2所示。

图2 试样模型及网格划分

在划分好网格之后，对模型施加不同的温度载荷，模型最外围设置为绝热边界条件，然后进行求解计算。计算完成之后通过Element Switch命令将热单元转换成结构单元，并施加大小为240 MPa的拉伸载荷。因为不考虑拉伸载荷对磁场强度的影响，所以对模型施加一个固定不变的拉伸载荷。然后，将前面热分析计算得到的结果施加在结构分析单元上，再进行热力耦合计算，得到试样的应力分布结果如图3所示。

由图3可以看出，在只考虑热力耦合，不考虑磁场及磁导率的情况下，当对试样施加的温度逐渐升高时，试样在圆孔附近的应力也随之增大，并且应力集中程度也越来越高。

图3 不同温度下的试样应力分布结果

图4 地磁场模型示意

2.2 力磁耦合单元的有限元模型建立

建立如图4所示的地磁场模型，由于磁记忆检测的环境磁场为地磁场，因此需要给模型施加一个类似于地磁场的环境磁场。模型由两块永磁体和一块衔铁组成，外围是空气层。模型最外围设置为平行边界条件。模型外围的空气层的相对磁导率为1，矫顽力为0；永磁体相对磁导率为1.075 9，矫顽力为56 A·m-1;衔铁的相对磁导率为1 840。由于地磁场在一定空间范围内的变化几乎可以忽略不计，因此为了使模型周围的磁场强度比较平均，永磁体相对试样的大小设置得非常大，尺寸(长×宽×厚)为100 mm×100 mm×10 mm，两个永磁体的间距为100 mm。这样地磁场、空气层和试样的三维力磁耦合模型已建立好。力磁耦合模型采用的是Solid98的三维十节点结构实体单元。

2.3 加载和求解

定义好材料参数后，保持试样的网格划分不变，将热力耦合单元得到的应力分布结果导入到该单元中，再对试样模型施加地磁场，并对地磁场进行网格划分后进行求解，最后得到试样模型表面的磁场强度分布规律。

由于所研究的是不同温度时，在地磁场与载荷造成的应力集中共同作用下试样材料表面的磁场强度的分布规律，因此提取φ2 mm圆孔附近50 mm的范围作为磁场的测量路径，提离高度为1 mm。

为了更有效更直观地分析仿真结果，将得到的磁记忆信号的分布情况导出到MATLAB软件中进行绘图，其中缺陷处为测量点位置的20 mm处,得到的结果如图5(a)所示。

图5 不同温度下三种材料试样缺陷处的磁场强度

为了研究不同材料对磁记忆检测的影响，将试样的材料换成20钢和45钢，重复以上的仿真步骤，分别得到20钢和45钢在不同温度下的磁场强度分布规律曲线，如图5(b)，(c)所示。

2.4 结果分析

(1) 在不考虑其他条件，改变加载的温度时，铁磁材料试样的应力集中区域的应力值发生相应的改变，其趋势是随着温度的升高，试样内部的应力也随之增大，并且在缺陷处的应力集中程度也随之升高。

(2) 当温度升高时，材料内部结构发生变化，使得铁磁性材料的屈服强度下降，导致试样应力集中区域的应力集中程度增加。因此应力集中区域表面磁记忆信号的峰峰值增大。但是，在一定温度范围内时，磁记忆信号的峰峰值大小很接近。

(3) 当温度升高到材料的居里点附近时，材料的磁导率急剧下降，导致材料的磁阻急剧变大，因此应力集中区域的漏磁场强度会出现急剧增大。此时，在应力集中区域的漏磁场峰峰值也会急剧增大。

(4) 不同的铁磁性材料试样在应力集中区域表面的漏磁场变化规律基本没有发生变化，磁记忆信号都是在该部位出现极值，材料种类的不同对磁记忆信号的影响仅仅体现在磁记忆信号大小的不同上，同时，当温度发生变化时，由于不同材料的磁导率不同，居里温度也不同，因此发生漏磁场的突变点以及磁场强度峰峰值的突变点都是处于居里点附近。

3 结论

为了研究不同温度对磁记忆检测信号的影响，对带有典型缺陷(中心含小孔)的3种不同材料的试样进行了仿真研究。结果表明：当其他条件一定，只改变加载的温度时，随着温度升高，试样的应力集中程度也随之增高；施加磁场后，当温度在一定范围内变化时，磁记忆信号并没有发生很明显的变化，但是，当温度接近试样材料的居里温度时，由于材料的磁导率急剧下降，磁阻急剧上升，应力集中区域的漏磁场峰峰值会急剧增大；此外，当试样材料不同时，不同材料在温度发生变化时对磁记忆信号影响的规律是基本相同的，不同的只是磁记忆信号峰峰值的大小和居里温度的不同而导致应力集中区域的漏磁场峰峰值发生突变的点不同。后续将通过试验对仿真结果的正确性进行验证和分析。