应力集中引起的金属磁记忆现象的研究.pdf

第3 3 卷第5 期 中国矿。业大学学报 V o l 。3 3N o ．．5 2 0 0 4 年9 月 ．1 0 r e n a lo fC h i n aU n i v e r ’s i t yo fM i n i n g ＆4 T e c h n o l o g yS e p 。2 0 0 4 文章缔号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 5 0 5 9 2 0 4 应力集中引起的金属磁记忆现象的研究 陈玉玲- ，葛森2 ，吴 淼 1 。中国矿业大学机电与信息工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．国家锅炉压力容器检测中心，北京1 0 0 0 1 3 摘要金属磁记忆检测技术是一种新兴的无损检测技术，有着广阔的应用前景，但关于磁记忆现 象产生的机理的研究还很不完善，由应力集中引起的磁场变化特征没有得到专门的研究．本文以 双侧U 形凹口的应力集中试样为例，在实验机上对其进行拉伸，用专用的检测仪检测其在静载 状态下所产生的磁场信号．结果表明磁场分布状况和应力集中的状况之间有较好的一致性，说明 了金属磁记忆检测技术可以用于检测应力集中，因而可以为应力的检测探索一种新的方法，具有 重要的现实意义． 关键词应力集中；金属磁记忆；无损检测 中图分类号T G1 1 5 ．2 8文献标识码A S t u d yo fM e t a lM a g n e t i cM e m o r yI n d u c e d b yS t r e s sC o n c e n t r a t i o n C H E NY u l i n 9 1 ，G ES e n 2 ，W UM i a 0 1 1 ．．S c h o o lo fM e c h a n i c a l ，E l e c t r o n i ca n dI n f o r m a r i o nE n g 。C U M T ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ．C e n t e io fB o i l e r ＆P r e s s u I eV e s s e lI n s p e c t i o n ＆R e s e a t c h ，B e i j i n g1 0 0 0 1 3 ，C h i n a A b s t r a c t M e t a lm a g n e t i cm e m o r Y M M M i san e wt e c h n o l o g yi nn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g t e c h n o l o g yw h i c hh a sav a s tp r o s p e c tf o i 。a p p l i c a t i o n s ．B u tt h es t u d yo f t h em e c h a n i s mt oi n d u c e m a g n e f i cm e m o l ’Yp h e n o m e n o ni sn o tp e r 。f e c t ．E s p e c i a l l y ，t h ei n v e s t i g a t i o ni n t om a g n e t i cv a r i a b l e c h a i a c t e I Si n d u c e db ys t I e s sc o n c e n t l a t i o nh a sn o tb e e nc a r I i e do n ．I nt h i sp a p e i ，t h ed o u b l eU s h a p es t r ’e s sc o n c e n t r a t i o ns a m p l ea sa ne x a m p l ei ss t u d i e d ．W h i l ei ti sp u l l e db yt h ee x p e r i m e n t a l m a c h i n e ，t h em a g n e t i cs i g n a lu n d e rt h es t a t eo fs t a t i cl o a di sd e t e c t e db ys p e c i a li n s t i u m e n t ．T h e r e s u l ti n d i c a t e st h a tt h e i - ei sag o o dc o h e i e n c eb e t w e e nt h e m a g n e t i cd i s t r i b u t i o na n d s t r ‘e s s c o n c e n t ia t i o ns t a t u e ．A tt h es a m et i m ei tp i ’o v e st h a tM M Mt e s t i n gt e c h n o l o g yc a nb ea p p l i e di n t e s t i n gs t r e s sc o n c e n t i ’a t i o na n db e c o m ean e wm e t h o di nt e s t i n gs t r e s s ．T h e r e f o i ’e ，t h er e s e a i ’c hh a s i m p o r t a n tp i a c t i c a ls i g n i { i c a n c e ． K e yw o r d s s t i ’e s sc o n c e n U ’a t i o n ；m e t a lm a g n e t i cm e m o i ’Y ；n o n d e s t ru c t i v 宅t e s t i n g 2 0 世纪9 0 年代，俄罗斯学者D o u b o v 教授率 先指出铁磁构件残余应力能够产生宏观磁场的金 属磁记忆效应，并同时提出通过测量磁记忆信号检 测构件表面的应力分布和应力集中区的设想．1 9 9 9 年l o 月在汕头召开的第七届全国无损检测年会 上，D o u b o v 教授在大会论文中介绍了磁记忆检测 的原理及其在管道、锅炉压力容器上的应用，同时 还介绍了俄罗斯“动力诊断”公司研发的用于检测 应力集中的金属磁记忆检测仪r 川，此后金属磁记忆 现象和检测技术在我国得到了极大的关注并展开 了广泛的研究和讨论． 金属磁记忆检测的原理可以简述为处于地磁 收稿日期2 0 0 4 0 1 0 9 基金项目国家自然科学基金项目 5 9 9 7 5 0 8 5 作者简介陈玉玲 1 97 9 一 ，女，山东省高唐县人，中国矿业大学 北京校区 硕士研究生，从事金属磁记忆检测技术方面的研究 万方数据 第5 期陈玉玲等应力集中引起的金属磁记忆现象的研究 环境下的铁制工件受工作载荷的作用，其内部会发 生具有磁致伸缩性质的磁畴组织的定向和不可逆 的重新取向，并在应力与变形集中区形成最大的漏 磁场的变化[ 2 ] ．为了探讨应力集中和磁场之间的关 系，本文设计了双侧U 形凹口的应力集中试样，用 俄罗斯“动力诊断”公司的T S C 一1 M 型应力集中 检测仪检测试样在所加载荷状态下的磁场分布特 征和变化规律． 1实验准备和力学参数 1 ．1 试验准备工作 试样所用材料为普碳钢Q 2 3 5 A 3 钢 ，对原捌 料进行正火处理，粗加工完毕进行去应力退火，精 加工后进行退磁处理，最大限度的消除了原材料的 残余应力和切削应力的影响．试样的尺寸为长 3 5 0m m ，宽5 0m m ，厚5m m ，1 ．5 形凹口半径p 一 1 ．5m m 图1 ，其应力集中系数为口 3 ．6 9 E3 | ，试 样的长度方向考虑了夹具的影响而做了加长． 测量区域由图1 右侧标识的5 个通道的3 5 个 测点组成，已分别编号并标注．各通道间距为1 0 m m ，其中1 ，5 通道离试样边界5m m ．长度方向上 以U 形凹口为中心左右各划分3 条线，各条线之 间为1 0m m ，由于主要考察U 形凹口附近的应力 和磁场状况，因此在U 形凹口中心再增加一条线． ／3 a3 43 3附P2 9 5、 2 J2 7 2 62 J 2 42 3 2 24 ] I 2 12 0 1 9I8 j 1 。7 。1 1 61 53 I J l4 |1 31 21 1 | 982 ＼ 7I654 ．I21 1 ＼T 图1 测量区域划分 F i g 。1 P l o to fm e a s u I e dr e g i o n s 1 ．2 拉伸参数及拉伸曲线 断后尺寸测量结果断裂发生在u 形凹口中 心位置，试样断后的长度为3 6 0m m ，U 形凹口开 口宽度为9m m ． 断面尺寸宽度为2 9 ．1m m ，厚度为3 ．3 2 m m ． 原始尺寸宽度为3 0m m ，厚度为5m m ． 在试样的表面形成了明显的双向4 5 。滑移线， 这是由于双侧U 形凹口的应力集中造成的．拉伸 曲线如图2 ，各小尖峰处为停机点标识． 试验过程所加载荷和位移数据如表1 所示． 图2 拉伸曲线 F i g ．．2 T e n s i l eC U l v e 表1 载荷一位移数据 T a b l e1 D a t ao fl o a d d i s p l a c e m e n t 载荷／k N 0 9 ．8 0 11 9 ．4 3 52 9 ．3 0 64 5 ．8 3 9 位移／m m 载荷／k N 位移／m m 2 磁场检测结果分析 2 ．1各通道断裂前不同载荷下的磁场结果分析 图3 表示1 ，2 ，3 通道在各载荷下的磁场分布 图．4 ，5 通道和1 ，2 通道完全对称，其变化规律基 本相同，不再列出其图形． 由图3 可见，各通道随着载荷的增加磁场变化 的趋势基本相同．从图3 中各载荷下磁场的分布来 看，随着载荷的增加，磁场值增大并相对于零载荷 的磁场重新分布．在发生塑性变形前的载荷段，即 直到2 9k N 附近，磁场变化较大．但2 9 ～6 0k N 的 载荷段，磁场缓慢增加．当载荷超过6 0k N 时，并 且在各通道前3 个点的磁场值增大，后3 个点减 小．这是因为颈缩处有了‘漏磁场的存在，在颈缩位 置的一侧漏磁场方向和原来的磁场方向相同，因此 增加较快，而在另一侧的漏磁场方向和原来磁场方 向相反，因而是减小的．增大和减小的位置的分界 在这3 幅图形上可以看的很清楚，这种变化的趋势 表明了试样断裂后磁场方向发生变化这上- 事实．当 载荷增加到6 9k N 时，从试验状况来看，已经发生 了明显的颈缩，由于所用钢术才塑性较好，没有形成 明显裂纹，但这已经是断裂前的最后阶段，随后再 稍加载荷即发生的断裂． 由图3 可见，1 通道的磁场较强，2 通道次之，3 通道最小，这与各通道的位置有关，即离u 形口越 近，磁场越大，离U 形口越远，磁场越小，也就是说 U 形口所造成的应力集中影响了试样表面的磁场 分布．为了更好的说明这一点，将给出测量区域表 面在不同载荷下磁场的分布情况． 万方数据 中国矿业大学学报 第3 3 卷 f 暑 ● S ＼ 赵 骠 辫 擅 测点编号 a 1 通道各载荷下磁场分布 测点编号 b 2 通道各载荷F 磁场分布 测点编号 c 3 N N 各载荷下磁场分布 图3 各个通道在各载荷下的磁场分布 F i g3I h em a g n e t i cd i s t r i b u t i o no fe v e r yc h a n n e lu n d e is o m el o a d s 0k N ；十98 0k N ，十1 94 3 5 k N ； 2 93 0 6k N ；* 4 58 3 9 k N ； 5 33 7 8k N ； 6 09 1 2k N ，- - - O - - 6 80 5 6 k N ；一一6 9 4 5 0k N 2 ．2 各载荷下测量区域表面的磁场分布 为了形象表示不同载荷下试样整个测试表面的 磁场分布状况，下面给出一些载荷下的测量表面的 磁场分布图．图4 表示各测点组成的测量区域的磁 场分布图．图4 中3 个坐标轴分别表示测量通道、测 点在通道的位置和磁场强度的大小． 由图4 可见，加载后试样表面磁场重新分布，并 随着载荷的增而增大，当载荷69 ．4 5 0k N 时，可以 看出每个通道前3 个点的磁场增加，后3 个点下降 的趋势，原因在前面已经作了介绍．越靠近U 形凹 口的通道，磁场越大，中间一个通道最小并且磁场分 布较为均匀． a 0k N 测量送域表面磁场强度分f } j b 1 9 ，．4 3 5k N 测量区域表面磁场强度分布 c 4 5 ．．8 3 9k N 测量区域表面磁场强度分布 d 6 94 5 0k N 测量区域表面磁场强度分布 图4 测量区域表面磁场强度分布 F i g ．4T h em a g n e t i ci n t e n s i o nd i s t r i b u t i o no fm e a s u r e m e n tr e g i o nu n d e rs o m er o a d s 2 ．3 断裂前整个试样表面磁场测量结果 为了获取整个试样表面的磁场分布状况，取试 样长度方向上中间2 0 0m m 范围进行测量，也是图 1 所示的5 个通道，长度方向每隔1m m 采一个点． 图5 是以4 5 ．8 3 9k N 为例的测量区域的磁场分布 图，其它载荷下的曲线形状和4 5 ．8 3 9k N 时基本 相同，不在重复列出． 从图5 中可以看出，在长度方向上U 形口位 置附近的磁场值比其他位置要大的多，即以U 形 图5 试样中问2 0 0m m 长度范围内的磁场分布 F i g ．5 T h em a g n e t i ci n t e n s i o nd i s t r i b u t i o ndt h e m i d d l e2 0 0m mo ft h es a m p l e 狮脚瑚啪姗Ⅲ脚m∞∞ 万方数据 第5 期陈玉玲等应力集中引起的金属磁记忆现象的研究 口为中心向两侧减少．宽度方向上3 通道最小，2 ，4 通道次之，l ，5 通道最大即以3 通道为中心向两侧 增加．这充分说明了在U 形口位置的应力集中对 试样表面的磁场分布产生了影响，应力越大，磁场 越大． 2 ．4断裂后测量区域的二维和三维曲线 ￡、 蠢 ● S ＼ 划 氍 爨 钽 断裂后各通道磁场分雍二维曲线和三维曲线 如图6 所示． 从图6 可见，断裂后磁场在断口位置方向改 变，磁场剧烈增加．原因是断裂后形成漏磁场，并极 化出两个磁极． f 暑 ● ≮ 越 麓 霹 镡 磁场强度／ A m 。 图6 断裂后磁场强度分布 F 喀6T h em a g n e t i ci n t e n s i o nd i s t r i b u t i o na f t e r ’r u p t u z ’e 3试验结论 烈增翥．断裂后磁场符号发生改变尊且磁场强度剧 综合上面实验结果分析得出以下结论， 1 应力集中程度和磁场分布状况之间有较好 的一致性． 2 各通道在不同载荷下的磁场曲线进行比较 的结论表明可以利用此方法判断有无塑性变形发 生． 3 对各个通道组成的测量区域表藏的磁场分 析说明应力集中的程度对磁场变化有显著影响． 4 取试样长度方向中间2 0 0m m 范围内的测 量结果表明磁场分布状况和应力集中的程度是对 应的． 参考文献 [ 1 ] D o u b o vAA ．D i a g n o s t i c so fM 【e t a la n dE q u i p m e n l b y M e a n so fM e t a l M a g n e t i cM e m o I Y [ A ] N o n d e s t r u c t i v e 。T e s t i n gI n s t i t u t i o n ．P f o c e e d i n g so f C h S N D T7 t hC o n f e I e n c eo nN D Ta n dI n t e r n a t i o n a l R e s e a i c hS y m p o s i u m [ C ] ．S h a n t o uC h i n a C M E S ， 1 9 9 9 ．1 8 1 一1 8 7 ． [ 2 ] 任吉林，林俊明．金属磁记忆检测技术[ M ] ．．北京中 国电力出版社’，2 0 0 2 ． [ 3 ] 西田正孝。应力集中[ M ] ．李安定，等译．北京机械 工业出版社‘，1 9 8 6 ． 责任编辑姚志昌 ．。伽抛。瑚枷鲫黜蝴 万方数据