D.C.Jiles   趙培征   陳城

　　摘要：本項目主要是研究磁性檢測方法在核反應壓力容器鋼疲勞壽命評價中的應用。基于鐵磁性材料的機械性能與磁性能密切相關，可以通過測量材料的磁性能來監控這些試樣在循環加載下的疲勞累積損傷變化。試驗結果表明通過磁性技術無損監測材料疲勞損傷是可能的。例如，在載荷控制的高周疲勞測試中發現，在疲勞過程中塑性應變與矯頑力呈對數累積。基于兩個經驗系數可以確定矯頑力與疲勞循環次數的定量關系，這取決于測試條件與材料特性。同時發現在某一特定的條件下預測鋼結構疲勞失效是可能的。在應變控制低周疲勞試驗中，巴克豪森發射，矯頑力以及磁滯損耗的臨界變化都發生在材料疲勞壽命最后的10~20%期間。

1引言

　　鐵素體鋼作為一種被廣泛使用工程結構材料，其磁性能非常敏感于機械性能變化。巴克豪森效應，磁聲發射和磁滯現象等技術已經被用來評估材料的機械狀態，包括應力作用，塑性變形，蠕變損傷和疲勞損傷。由于這些技術的發展，鑒于核電設施部件疲勞損傷累積，磁性無損檢測技術被期望用于解決核電設施關鍵部件的疲勞累積損傷問題。

　　眾所周知，疲勞失效因其具有隱蔽性而成為一個非常嚴重的問題。疲勞損傷研究表明磁滯無損檢測技術可以被用來連續監控鋼結構疲勞累積損傷，矯頑力和剩磁在材料最后10%疲勞壽命里特別敏感于殘余壽命。這個敏感性表現為磁滯參數--矯頑力和剩磁的突變，發生在材料即將失效的任何可見信號之前。

　　本項目研究的目標：調研新的磁性無損檢測技術在核工業鋼結構部件疲勞損傷檢測評估中的應用，來驗證磁性無損檢測技術現場評估鋼結構機械性能變化的可行性。如果這種方法被證明：能夠準確地辨別材料的疲勞累積損傷，并能評估其殘余疲勞壽命，這對核電站設施的維護成本和安全操作的影響將十分巨大。

2試驗方法

　　以常見的壓力容器鋼A533B鋼為研究對象，加工了四十個具有特殊形狀的兩個檢測端的拉伸試樣，進行拉伸試驗，硬度試驗，然后在低周和高周疲勞區域不同條件下集中進行疲勞試驗，在整個疲勞壽命期間進行磁性能測試。

　　磁滯測試技術和巴克豪森測試技術，作為很好的檢測方法來檢測這些鋼試樣機械性能變化。在該項目中，我們基于這兩種方法：檢測結果的解釋能力、測試結果的可重復性及測試的簡易性，評定了巴克豪森測試方法與磁滯測試方法的優缺點。

3 材料實驗室模擬加載條件下的疲勞研究

　　3.1疲勞測試

　　在高周和低周疲勞體制下對未處理的原始試樣進行了測試，測試得出S-N，ε-N曲線，并記錄了材料在適當疲勞體制下的應力應變回線。疲勞測試在Ames實驗室，通過一個計算機控制，20KIPS，液壓伺服MTS測試系統下進行測試。該裝置通過計算機連接來數據獲取和控制卡片。軟件設計用于在載荷或應變振幅控制下進行疲勞測試，并記錄載荷和應變數據。由于能同時讀取和控制數據，測試變量（載荷或應變振幅）始終保持恒定，用記錄的數據設定控制信號。

　　磁性特征對外在測試條件非常敏感。在磁性能測試過程中，疲勞測試停止在上行沖程或下行沖程有很大的不同。為了保持結果的可比性，MTS控制軟件被修改為：隨著一個完整疲勞周期完成，啟動和停止磁性能測試。對于低周和高周疲勞測試，載荷或應變都是呈正弦曲線的，且頻率被設置在1到4Hz之間。在疲勞壽命預設間隔中斷疲勞試驗進行磁性能測試。（按照線性和對數增量來選擇間隔）。

　　3.2疲勞分析

　　疲勞壽命的定義是在載荷控制疲勞測試下試樣完全失效或應變控制疲勞測試中載荷降低50%所需要的循環數。 疲勞壽命被用來解釋材料抵抗應力和循環載荷的能力。

　　在測試過程中，連續記錄載荷和應變數據。由于在疲勞壽命的后期形成穩定的微裂紋，剛度損耗會導致經常發生應變控制疲勞試驗中的載荷水平下降以及載荷控制疲勞試驗中的應變數據增大。為了辨別磁性參數變化的根源，對比記錄數據和磁性測試結果，從而研究磁性無損檢測技術對疲勞損傷評估的敏感性。

4結果

　　研究結果總結如下：在應變控制和載荷控制疲勞試驗中觀察到了磁性能的顯著變化。在應變控制疲勞測試中磁滯參數在疲勞壽命最后的10-20%處有個突變，然而，在載荷控制疲勞試驗中它們的變化卻是連續的。巴克豪森效應測試表明巴克豪森振幅在兩種疲勞試驗的情況下連續變化。進一步研究表明在載荷控制高周疲勞試驗中，矯頑力，剩磁和磁滯損耗等磁滯參數隨著疲勞循環次數的對數呈線性變化。因此基于這兩個經驗系數可以得到矯頑力和疲勞壽命的量化關系。

　　4.1機械性能測試

　　在從大型型鋼技術-CE板材中切取的兩個樣品上，進行拉伸試驗以確定材料的屈服強度和極限抗拉強度。0.2%屈服強度=369MPa，極限抗拉強度=536MPa，對這兩個樣品的碎片進行洛氏硬度試驗。洛氏硬度的平均值為88RB。

　　4.2 應變控制低周疲勞試驗

　　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數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現宏觀裂紋形成的開始。圖1是一個典型的S-N曲線，圖2-8給出一系列應變幅0.003的EP05試樣的機械滯后回線。從圖2中可以看出低周疲勞下，在疲勞壽命早期發生機械滯后。從圖7中可以看出在1600次應力循環之前宏觀裂紋開始擴展。試樣MP03在更小的應變幅0.0018下有類似的疲勞測試結果如圖9-17。可以看出試樣MP03，在高周疲勞測試實驗中，宏觀裂紋形成在110000次應力循環之前。
 

　　圖1試樣EP05在應變幅0.003下拉伸壓縮載荷隨疲勞壽命損耗的變化。#p#副標題#e#

　　

 

　　選擇0.003應變幅是因為便于系統研究低周疲勞對鋼磁性能的影響。在這個應變級別，從滯后回線中可以看出很明顯的塑性應變，疲勞壽命（失效前）大約在15000周次。#p#副標題#e#

　　在整個疲勞壽命中在預置間隔用放像機測試磁滯參數。EP11試樣在0.003應變幅下的測試結果如圖18-19。EP09和EP10試樣也有類似的結果如圖20-23.可以看出在疲勞壽命早期階段，作為疲勞軟化結果，矯頑力適當降低。然后矯頑力和其他磁滯特性參數在絕大多數疲勞壽命保持穩定。這個穩定區域占壽命的80-90%。最后10-20%的壽命，磁滯特性參數急劇變化。根據載荷的輪廓，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。期望主體顯微結構在初始疲勞軟化之后是穩定的，疲勞中間階段磁性參數無變化與這一解釋一致。

　　4.3巴克豪森效應測試

　　巴克豪森效應測試是為了研究探測疲勞損傷甚至宏觀裂紋擴展之前，巴克豪森信號對疲勞耗費壽命的關系。

　　這種試驗研究的合理解釋是疲勞失效主要從材料表面開始。由于滑移帶在試樣表面擠入擠出會導致高表面應力----微裂紋形核，隨后將形成一條宏觀裂紋并在試樣中擴展。如果是這樣的話，最重要特性就是監測表面應力。根據巴克豪森效應特性，其有效頻率范圍為20到300kHz，巴克豪森效應在鋼中有一個很淺的滲透范圍，對應的滲透范圍通常0.05-0.2mm，這意味著巴克豪森效應測試確實只能給出材料表層的信息。因此，這項技術對探測疲勞損傷過程是可行的，因而巴克豪森效應測試很好的適用于這類的表面研究。

　　應變幅0.003的應變控制疲勞試驗中，使用應力儀探測巴克豪森振幅。測試結果如圖24-28.可以看出巴克豪森振幅在整個疲勞壽命過程中連續變化。這些結果表明基于巴克豪森信號的變化，整個疲勞壽命可以分成三個階段。

　　第一階段（疲勞壽命的10%），巴克豪森振幅增長。這個增長是循環載荷下位錯纏結的破壞導致的疲勞軟化的結果。因此磁化過程中的不連續變化（包括巴克豪森信號）將會由于兩個釘扎點間磁疇壁跳躍振幅的增大而變大。

　　第二階段（20-90%疲勞壽命），巴克豪森信號連續降低。這可能是由于位錯朝著表面運動的結果。當表面位錯密度變大，在兩個釘扎點間磁疇壁可以經歷更小的跳躍，不連續磁化中更小的變化將被期待，導致巴克豪森信號變小。

　　第三階段（最后10%的疲勞壽命）巴克豪森信號隨著應力循環周次迅速增加，這是宏觀裂紋形成的結果。當宏觀裂紋出現在表面時，會發生一些作用，例如，裂紋表面出現環狀磁疇。所有這些因素都可以考慮成巴克豪森信號振幅變化的根源。

　　這些測試結果表明，如果巴克豪森信號可以很好的表征表面損傷程度，那么預測疲勞失效甚至在第三階段之前是可能的。然而由于磁疇壁的隨機運動，巴克豪森信號結果的可重復性不是很好。（只有3/5樣品的巴克豪森信號顯示了相同的趨勢。）

　　4.4磁滯測試和巴克豪森效應測試的對比

　　磁滯技術，在直流條件下，測試材料整體磁性能。磁滯參數，如矯頑力，剩磁，初始磁導率和最大微分磁導率對顯微結構和體應力非常敏感，但是表征的是材料整體測試的一個平均值。磁滯參數測試數據是可重復性的，波動很小。測試結果很容易解釋且確實能查明宏觀裂紋擴展的開始。

　　另一方面，巴克豪森效應技術是一種表面敏感技術。它對材料的表面狀態很敏感，表征材料表面0.2mm深薄層的性能。通過監測由疲勞損傷引起的表層性能降級，來預測宏觀裂紋擴展前疲勞失效。在某些測試條件下這比磁滯測試有優勢。但是，由于巴克豪森發射隨機性的特征，觀察到的巴克豪森振幅存在相當大的波動（因此要使用先進的信號處理技術來減少噪聲部分），且重復性沒有磁滯測試好。同時巴克豪森結果的解釋也很困難。

　　上面描述的疲勞試驗中，兩種技術都對檢測疲勞損傷有效。每個都有一些優點。如果我們能適當的結合這兩種技術，可以更精確的預測剩余壽命。#p#副標題#e#

　　4.5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數下進行磁性能測試。272MPa應力級別下的測試結果如圖29-30。在應力控制下，磁性能連續變化，甚至出現疲勞軟化后仍連續變化。這一結果與應變控制下的測試結果不同。矯頑力是疲勞監測過程中最有用的參數。

　　進一步疲勞試驗表明在載荷控制疲勞試驗中，最大拉應變和最大壓應變隨疲勞循環數的對數呈線性累積，試驗結果如圖31-32。基于塑性應變通常與材料的矯頑力成線性關系，在單向應力加載中至少有一個小區域，發展一個關聯應力循環周次與矯頑力的現象關系。方程預測了矯頑力與疲勞周次的對數呈線性關系。兩個以上樣品在恒應力幅下進行疲勞試驗，根據疲勞周次對數在預設的間隔中測試磁參數。測量結果如圖33-34。這與附錄A1.6中方程描述的簡單現象關系相匹配，表現了磁性能（如矯頑力）與疲勞周次對數之間的直接關系。

　　很明顯A533B鋼在受循環應力時經受疲勞軟化。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，表明發生了磁硬化。通常磁硬化也伴隨著機械硬化。所以材料經歷一個機械軟化伴隨一個磁硬化的觀察結果是不被期望的。事實上，這種看似對立的現象可以通過鮑申格爾效應解釋。當A533B鋼疲勞失效時，會產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，在循環應力下，位錯在晶界或析出物處堆積，形成位錯纏結。在逆向載荷作用下，在纏結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。

5結論

　　應變控制疲勞試驗主要是在低周疲勞狀態下進行，而載荷疲勞試驗在高周疲勞狀態下進行。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生顯著變化，這是分別是由于疲勞軟化和微裂紋穩定擴展的原因。另一方面，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周次到下一個周次應力幅逐步增加，這會產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，在疲勞壽命最后的10%階段，矯頑力和其他磁滯參數有一個巨大變化；在載荷控制疲勞測試條件下，矯頑力在整個疲勞壽命期間隨疲勞周次的對數呈線性增長。雖然巴克豪森效應對疲勞壽命的損耗也很敏感，但是其信號十分嘈雜且其可重復性不是十分令人滿意。此外，很難解釋巴克豪森信號的變化。另一方面，在磁滯曲線中呈現的磁化，可以通過鋼中磁疇壁/缺陷相互作用來解釋。