金属材料疲劳损伤磁效应监测试验与分析研究

金属材料疲劳损伤磁效应监测试验与分析研究

石永新

国家不锈钢制品质量监督检验中心（兴化） 江苏省泰州市 225721

摘要：金属材料疲劳损伤问题十分常见，在交变荷载的作用下，金属材料疲劳损伤会持续累积直到材料被完全破坏。当疲劳损伤问题出现在压力容器、游乐设施等金属结构中时，会引发严重的安全事故。对此，金属材料疲劳损伤监测的准确性及及时性十分重要。本研究主要探讨金属材料疲劳损伤磁效应问题，结合疲劳损伤磁检测平台，借助试验的方式对信号进行处理，获取金属材料疲劳损伤不同阶段的磁效应曲线。金属材料在不同程度疲劳损伤下表现出的磁滞回线存在显著差异，可用于分析金属材料疲劳损伤程度。

关键词：金属材料；疲劳损伤；磁效应

在工业的持续发展下，金属零件疲劳损伤问题出现在各种设备中，在压力容器、起重设备、游乐设施中最为常见。疲劳损伤主要成因是受荷载多次作用后让疲劳损伤加剧，从而引发设备结构性损坏。在机械设备中，大部分失效或故障问题是因为疲劳损伤破坏引起。近年来，在机械设备制造水平提升及体量加大的背景下，设备工作应力越来越大，工况愈加恶劣，疲劳损伤问题愈加严重。为了避免机械设备因疲劳损伤问题而出现破坏，确保设备稳定运行，需对疲劳损伤问题进行有效监测。疲劳损伤是在疲劳荷载的影响下因微观结构变化导致，会让金属材料结构性能减弱。由于疲劳损伤形式复杂，影响因素较多，需借助检测仪器对其进行监测。目前，疲劳损伤监测方法包括X射线衍射、超声、磁性法（漏磁法）、声发射等。与其余两种方法相比，磁性法是监测金属材料疲劳损伤最为有效的方法，可借助铁磁材料的磁特性对材料疲劳损坏进行评估。本研究主要对金属材料疲劳损伤磁效应监测进行分析，为金属材料疲劳损伤预防及监测问题提供参考。

1 磁效应与疲劳损伤的相关性

从最开始的磁记忆现象来看，主要是在周期负载的影响下出现的，所以磁效应和材料疲劳密切相关[1]。材料在地磁场条件下受载就会存在磁效应，所以磁效应被用来分析铁磁材料的应力及损伤。但是，磁效应技术在疲劳损伤检测领域具有十分广阔的应用前景。学者们在分析磁效应与疲劳损伤相关性的同时，对疲劳损伤评价方法进行了探究[2-4]。对于磁场环境复杂的条件，使用此信号向分量过零点评估应力集中的位置并不准确，有学者提出对信号进行小波包滤波处理，将图中封闭区域出现的位置定义为应力集中区。通过整体专家及学者的研究方法，可汇总为如下几种：一是通过试验的方式建立了磁效应与疲劳损伤的相关性模型，裂纹扩展速度和磁效应存在一定相关性，借助磁效应分析法描述了金属材料在疲劳损伤作用下从完好到裂纹的状态；二是结合磁信号法，对疲劳损伤与循环次数的关系进行研究，得出磁信号表征的裂纹公式，建立磁信号损伤参数模型；三是磁记忆技术可以用于评估金属材料的疲劳损伤问题。铁磁材料疲劳阶段出现的记忆信号随着循环次数的增加不断变化，且呈现出一定规律，可使用磁信号变化模式判断金属材料疲劳损伤，同时采用磁信号特征量的定量来表示金属材料疲劳损伤的力学状态。金属材料疲劳损伤磁效应监测在疲劳损伤评估中应用十分广泛，这为本研究的开展奠定了理论基础。

2 金属材料疲劳损伤磁效应测试平台

金属材料疲劳损伤磁效应测试平台包含拉伸疲劳测试设备、样本、磁效应测试系统三部分。被测试样本材质为钢材料，为表面存在缺口的矩形横截面试件。金属材料疲劳损伤磁滞回线系统包含信号发生装置、功率放大装置、传感设备、大功率电阻、示波器。为了避免外部因素对检测结果的影响，本试验借助三角支架设置一款磁效应传感器固定设备。

3 金属材料疲劳损伤磁效应测试结果及分析

3.1 不同程度疲劳损伤磁滞回线

通过试验平台对样本进行疲劳损伤程度测试，样本循环次数达到5.2万次时，样本会出现1毫米裂纹，当裂纹出现时代表金属样本失效，其结构性能不满足使用要求；样本循环次数为6.3万次时，金属样本断裂。对此，本次试验主要对样本失效之前的疲劳损伤问题进行分析，取循环次数4万次对样本疲劳损伤程度进行评估。

图1 样本加载循环应力前的磁滞回线

图2 循环次数改变下的磁滞回线

结合图1可以发现，在电流的持续增加下，工作位置从开始点位上升到最大值，随后在电流的增大下不断减小，从最大值下降到B1位置。如果对样本施加反向电流，工作位置从B1下降到A1位置，随后达到最小值。此时对样本继续施加正线电流，工作点位不断上升，到达B2与A2位置之后，持续上升，达到最大值。通过加载更多的正弦电流，工作位置变化轨迹被圈定在磁滞回线上。上图中的磁滞回线表现出不对称的趋势，和加载励磁电流之前样本的剩余磁性相关。如果加载的循环拉应力与励磁电流均在恒定的状态，在循环次数增加后，回线形状基本不变，但是磁滞回线呈现出轻微扩大的趋势[5]。与此同时，随着疲劳损伤程度的加剧，磁滞回线矫顽力与剩余磁性存在一定不同，二者都表现出增加趋势。对此，获取的磁滞回线可对样本的疲劳损伤程度进行分析，同时依照磁滞回线的变化趋势，可得到磁滞回线的磁效应参数与疲劳损伤程度之间的关系。

3.2 磁滞回线磁效应参数和金属材料疲劳损伤的关系

如上文所述，磁滞回线磁效应参数可在一定程度上反应出金属材料的疲劳损伤程度。磁滞回线中的磁效应参数包含若干个，依照图2结果，提取图1 中磁滞回线的矫顽力，即点A1与A2的均值，将其定义为HC，剩余磁性取点B1与B2的均质，定义为BR，将矫顽力和剩余磁性作为磁滞回线变化的特征量。当励磁条件恒定不变时，绘制磁滞回线的矫顽力与剩余磁性随着循环次数改变的曲线。同时，绘制疲劳损伤累计程度和矫顽力与剩余磁性的关系曲线。经过多次循环后，金属材料疲劳损伤程度加大。在循环次数增加下，矫顽力和剩余磁性变化趋势基本一致，如果循环次数在8000以内，矫顽力与剩余磁性随着循环次数的增加不断增大。如果循环次数在8000到12000之间时，矫顽力与剩余磁性随着循环次数的增加呈现出急剧加大。当循环次数超过12000时，在循环次数的增加下，矫顽力与剩余磁性出现振荡现象，一直到样本结构性能失效。在循环次数变化中，矫顽力相对值与剩余磁性相对值的变化趋势可分为如下几个阶段：首先是急剧上升阶段，该阶段矫顽力相对值与剩余磁性相对值先呈现出缓慢增大趋势随后急剧上升，这个阶段在金属材料失效前占疲劳损伤全程的15%左右。其次为振荡平稳阶段，这个阶段矫顽力相对值与剩余磁性相对值变化处于缓慢趋势，基本处于稳定的状态，这个阶段占据疲劳损伤累计总量的85%左右，直到金属材料表面出现裂纹。急剧上升阶段中矫顽力相对值和剩余磁性相对值变化速度较快，意味着这个阶段金属材料对疲劳损伤的敏感程度较高，随着金属材料疲劳损伤敏感程度的减弱，矫顽力相对值与剩余磁性相对值疲劳损伤敏感度下降，应择取适宜的励磁电流及传感设备保证磁效应测试信号对疲劳损伤变化的灵敏度[6-7]。

矫顽力相对值与剩余磁性相对值随着疲劳损伤的累计不断变化，当处于迅速变化阶段时，可使用指数函数描述这一过程。当变化处于趋于平缓时可使用线性函数描述这个过程。矫顽力与剩余磁性变化规律基本相同。指数函数与线性函数可用于分析金属材料疲劳损伤与矫顽力和剩余磁性之间的关系，可为金属材料疲劳损伤定量分析提供数据参考。但需要注意的是，指数函数与线性函数是否可以十分准确的表达矫顽力与剩余磁性的关系，应借助仿真实验的方式获得结论，通过优化传感器、减少振荡变化、提高灵敏度的方式提升疲劳损伤检测精度[8]。与此同时，励磁电流频率及大小对金属材料疲劳损伤检测 结果影响十分明显，所以在未来研究中需对励磁电流条件下磁滞回线变化与空隙对结果的影响进行分析。

结论：本研究探讨了金属材料疲劳损伤磁效应监测方法，搭建了磁滞回线监测平台，可对金属材料疲劳损伤磁效应进行检测，从而评估材料结构疲劳损伤程度。当给励磁线圈施加正线电流时，考虑到样本为铁磁材料，存在一定的滞后效应，因此检测线圈获取的感应电压是非正弦变化，被测试样本工作位置位于磁滞回线之上。当循环次数发生改变时，获取的磁滞回线存在一定区别，意味着结构疲劳损伤与循环次数有一定关系。为了了解磁滞回线与疲劳损伤的关系，提取矫顽力与剩余磁性作为特征量，评估金属材料疲劳损伤程度。结论显示，样本从完好到失效的过程中，矫顽力与剩余磁性变化可分为急剧上升阶段与平稳阶段，前者灵敏度高，后者灵敏度低。当样本处于平稳阶段时，继续增加循环次数，当超过12000临界值时，样本出现裂纹，直到断裂。在变化趋势表述方面，急剧上升阶段可使用指数函数表达，平稳阶段可使用线性函数表达，可采用分段函数表示矫顽力和剩余磁性与疲劳损伤之间的关系，但准确性有待深入研究。

参考文献：

[1]王纯,王建强,周苏枫. 飞机典型金属结构振动疲劳损伤信息获取方法研究[J]. 工程与试验,2022,62(03):22-23+78.

[2]刘涛,尹志强,雷经发,汪方斌. 金属疲劳损伤过程表面形貌多分辨特征提取[J]. 激光与光电子学进展:1-14.

[3]刘涛,尹志强,雷经发,汪方斌. 金属疲劳损伤过程中表面形貌的多分辨特征提取[J]. 激光与光电子学进展,2022,59(08):444-453.

[4]李寿英,曹镜韬,李寿科. 考虑风速风向联合分布的双坡屋面风致疲劳研究[J]. 建筑科学与工程学报,2022,39(02):1-10.

[5]焦敬品,李立,高翔,吴斌,何存富. 金属板疲劳损伤非线性兰姆波混频检测[J]. 声学学报,2022,47(02):256-265.

[6]许靖,郝金凤,封毅,肖丽娜,赵仲秋,强兆新. 深海多金属硫化物矿浆提升管道波致疲劳分析[J]. 船舶工程,2021,43(S1):469-474.

[7]周崎,刘莹峰,樊嘉琦,李浩,黄嘉诚. 金属疲劳损伤的线性与非线性超声联合评价方法研究[J]. 中国测试,2021,47(05):151-155.

[8]朱达荣,杨善骥,汪方斌,雷经发,王大桂,栾庆磊. 疲劳损伤过程金属表面偏振热像纹理特征实验研究[J]. 激光与光电子学进展,2022,59(04):392-399.