本文主要研究磁滯測量技術在評估鋼結(jié)構(gòu)疲勞壽命中的應用。基于鐵磁性材料的機械性能與磁性能密切相關，磁滯無損檢測技術可以連續(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，矯頑力和剩磁會產(chǎn)生突變，從而可以預測材料的失效。

 

    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鋼為研究對象，加工四十個拉伸試樣，進行拉伸、硬度試驗，測得屈服強度=369 MPa，抗拉強度=536 MPa，洛氏硬度=88 RB。然后進行低周和高周疲勞試驗，在整個疲勞壽命期間進行磁性能測試。

 

    應變控制疲勞試驗

 

    疲勞試驗最初是在從0.0015到0.007不同應變等級下進行。在一個預設置的疲勞循環(huán)數(shù)后獲得機械滯后回線。這些回線可用來確定疲勞試驗是在低周載荷下進行還是在高周載荷下進行，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次應力循環(huán)之前宏觀裂紋開始擴展。如圖2在更小的應變幅0.0018下，在高周疲勞測試實驗中，宏觀裂紋形成在110000次應力循環(huán)之前。

 

圖1 疲勞周次為#16000下的載荷-應變曲線
 

圖2 疲勞周次#110000下的載荷-應變曲線
 

圖3 在應變幅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。這個穩(wěn)定區(qū)域占壽命的80-90%。最后10-20%的壽命，磁滯參數(shù)急劇變化。根據(jù)載荷的輪廓，最后階段對應宏觀裂紋形成，伴隨一個需要獲得一個恒定應變幅的載荷下降。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

 

    不同的應力幅下進行載荷控制疲勞試驗，主要是高周疲勞體制。在整個耗費的疲勞壽命預設的疲勞循環(huán)數(shù)下進行磁性能測試。272 MPa應力級別下的測試結(jié)果如圖5-6。在應力控制下，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)應力時經(jīng)受疲勞軟化。這可以通過一個例子證明，當在應變控制疲勞過程中，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械硬化。所以材料經(jīng)歷一個機械軟化伴隨一個磁硬化的觀察結(jié)果是不被期望的。事實上，這種看似對立的現(xiàn)象可以通過鮑申格爾效應解釋。當A533B鋼疲勞失效時， 會產(chǎn)生額外的位錯作為磁疇壁運動的釘扎點，從而增大矯頑力。然而，在循環(huán)應力下，位錯在晶界或析出物處堆積，形成位錯纏結(jié)。在逆向載荷作用下，在纏結(jié)后緣的位錯更容易從晶界和析出相處移動，導致材料性能的明顯軟化。

 

圖5 在應力幅272MPa的疲勞試驗中兩個不同位置的矯頑力隨疲勞壽命損耗的變化


 

 

圖6 在應力幅272MPa的疲勞試驗中剩磁和磁滯損耗隨疲勞壽命損耗的變化

 

    結(jié)論

 

    磁性檢測方法對于這種鋼的機械性能降級無損評估是一種極具前景的無損評估技術。本項試驗表明：在應變控制疲勞試驗中，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)定擴展的原因。在載荷控制疲勞試驗中，微裂紋減少拉伸試樣有效截面，可以導致從一個應力循環(huán)周次到下一個周次應力幅逐步增加，這會產(chǎn)生額外的位錯可以釘扎磁疇壁，矯頑力隨疲勞周次增加而增大。

 

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