本文主要研究磁滯測量技術(shù)在評(píng)估鋼結(jié)構(gòu)疲勞壽命中的應(yīng)用。基于鐵磁性材料的機(jī)械性能與磁性能密切相關(guān)，磁滯無損檢測技術(shù)可以連續(xù)監(jiān)測鋼結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷。在疲勞壽命最后的10%階段，矯頑力和剩磁會(huì)產(chǎn)生突變，從而可以預(yù)測材料的失效。

 

    文/ D.C.Jiles 趙培征 陳城 北京康坦科技有限公司

 

    以常見的壓力容器鋼A533B鋼為研究對(duì)象，加工四十個(gè)拉伸試樣，進(jìn)行拉伸、硬度試驗(yàn)，測得屈服強(qiáng)度=369 MPa，抗拉強(qiáng)度=536 MPa，洛氏硬度=88 RB。然后進(jìn)行低周和高周疲勞試驗(yàn)，在整個(gè)疲勞壽命期間進(jìn)行磁性能測試。

 

    應(yīng)變控制疲勞試驗(yàn)

 

    疲勞試驗(yàn)最初是在從0.0015到0.007不同應(yīng)變等級(jí)下進(jìn)行。在一個(gè)預(yù)設(shè)置的疲勞循環(huán)數(shù)后獲得機(jī)械滯后回線。這些回線可用來確定疲勞試驗(yàn)是在低周載荷下進(jìn)行還是在高周載荷下進(jìn)行，觀察回線的變形還可以用來發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋形成的開始。從圖1中可以看出在16000次應(yīng)力循環(huán)之前宏觀裂紋開始擴(kuò)展。如圖2在更小的應(yīng)變幅0.0018下，在高周疲勞測試實(shí)驗(yàn)中，宏觀裂紋形成在110000次應(yīng)力循環(huán)之前。

 

圖1 疲勞周次為#16000下的載荷-應(yīng)變曲線
 

圖2 疲勞周次#110000下的載荷-應(yīng)變曲線
 

圖3 在應(yīng)變幅0.003下拉伸載荷與矯頑力隨疲勞壽命損耗的變化

 

 

圖4 在應(yīng)變幅0.003下剩磁與磁滯損耗隨疲勞壽命損耗的變化
 

 

    在整個(gè)疲勞壽命期間測試材料的磁性能。圖3和圖4的結(jié)果表明：在疲勞壽命早期階段，作為疲勞軟化結(jié)果，矯頑力適當(dāng)降低。然后矯頑力和其他磁滯特性參數(shù)在絕大多數(shù)疲勞壽命保持穩(wěn)定。這個(gè)穩(wěn)定區(qū)域占?jí)勖?0-90%。最后10-20%的壽命，磁滯參數(shù)急劇變化。根據(jù)載荷的輪廓，最后階段對(duì)應(yīng)宏觀裂紋形成，伴隨一個(gè)需要獲得一個(gè)恒定應(yīng)變幅的載荷下降。期望主體顯微結(jié)構(gòu)在初始疲勞軟化之后是穩(wěn)定的，疲勞中間階段磁性參數(shù)無變化與這一解釋一致。

 

    載荷控制疲勞試驗(yàn)

 

    不同的應(yīng)力幅下進(jìn)行載荷控制疲勞試驗(yàn)，主要是高周疲勞體制。在整個(gè)耗費(fèi)的疲勞壽命預(yù)設(shè)的疲勞循環(huán)數(shù)下進(jìn)行磁性能測試。272 MPa應(yīng)力級(jí)別下的測試結(jié)果如圖5-6。在應(yīng)力控制下，磁性能連續(xù)變化，甚至出現(xiàn)疲勞軟化后仍連續(xù)變化。這一結(jié)果與應(yīng)變控制下的測試結(jié)果不同。矯頑力是疲勞監(jiān)測過程中最有用的參數(shù)。

 

    很明顯A533B鋼在受循環(huán)應(yīng)力時(shí)經(jīng)受疲勞軟化。這可以通過一個(gè)例子證明，當(dāng)在應(yīng)變控制疲勞過程中，在開始的幾百周次中載荷明顯下降。然而，在載荷控制疲勞過程中，矯頑力增大，表明發(fā)生了磁硬化。通常磁硬化也伴隨著機(jī)械硬化。所以材料經(jīng)歷一個(gè)機(jī)械軟化伴隨一個(gè)磁硬化的觀察結(jié)果是不被期望的。事實(shí)上，這種看似對(duì)立的現(xiàn)象可以通過鮑申格爾效應(yīng)解釋。當(dāng)A533B鋼疲勞失效時(shí)， 會(huì)產(chǎn)生額外的位錯(cuò)作為磁疇壁運(yùn)動(dòng)的釘扎點(diǎn)，從而增大矯頑力。然而，在循環(huán)應(yīng)力下，位錯(cuò)在晶界或析出物處堆積，形成位錯(cuò)纏結(jié)。在逆向載荷作用下，在纏結(jié)后緣的位錯(cuò)更容易從晶界和析出相處移動(dòng)，導(dǎo)致材料性能的明顯軟化。

 

圖5 在應(yīng)力幅272MPa的疲勞試驗(yàn)中兩個(gè)不同位置的矯頑力隨疲勞壽命損耗的變化


 

 

圖6 在應(yīng)力幅272MPa的疲勞試驗(yàn)中剩磁和磁滯損耗隨疲勞壽命損耗的變化

 

    結(jié)論

 

    磁性檢測方法對(duì)于這種鋼的機(jī)械性能降級(jí)無損評(píng)估是一種極具前景的無損評(píng)估技術(shù)。本項(xiàng)試驗(yàn)表明：在應(yīng)變控制疲勞試驗(yàn)中，磁性能在疲勞壽命的初期和末期發(fā)生顯著變化，這是分別是由于疲勞軟化和微裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展的原因。在載荷控制疲勞試驗(yàn)中，微裂紋減少拉伸試樣有效截面，可以導(dǎo)致從一個(gè)應(yīng)力循環(huán)周次到下一個(gè)周次應(yīng)力幅逐步增加，這會(huì)產(chǎn)生額外的位錯(cuò)可以釘扎磁疇壁，矯頑力隨疲勞周次增加而增大。

 

    磁滯技術(shù)，測試材料整體磁性能。磁滯參數(shù)，如矯頑力，剩磁，磁導(dǎo)率和磁滯對(duì)顯微結(jié)構(gòu)和應(yīng)力非常敏感，但是表征的是材料整體測試的一個(gè)平均值。磁滯參數(shù)測試數(shù)據(jù)重復(fù)性非常好，測試結(jié)果很容易解釋且確實(shí)能查明宏觀裂紋擴(kuò)展的開始。