磁法检测技术在应力检测中的研究

吴冠霖+吕庆贵+齐昌超+张渺+李潮浪

摘 要 磁法检测技术是通过对试件磁信号的检测，对试件的压力集中情况和疲劳损伤程度进行早期评估的一种新的检测手段。该方法的使用可以正确反映待测试件应力的变化。为了精确测量试件的磁信号强度，在研制了高灵敏度磁矢量探头检测的试验平台的同时，建立了检测信号与磁导率的关系算法。试验发现，应力集中区域，会导致该区域与周边的区域磁导率发生相应的差异，即随着试件中所存在的残余应力增加，所采集得到的磁信号强度也在增大。

关键词 磁法技术 磁导率 压力 磁信号 磁感应强度

中图分类号：TG142.71 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2015.12.073

Abstract Magnetic is a technique by which can evaluate stress concentration and degree of fatigue damage by testing the permeability of ferromagnetic components. The technique can reflect the stress changes in component precisely. In order to measure the permeability accurately， the high sensitivity testing platform and the algorithm between the signal and the permeability are setup. The results demonstrate that the permeability and micro-strain of the material increase with the residual stress.

Key words magnetic technique； magnetic permeability； stress； magnetic signal； magnetic induction intensity

残余应力是材料内部维持自身相互平衡的一种应力系统。①残余应力的存在会对构件的相关性能产生直接的影响，②如机械性能、强度、抗腐蚀力、尺寸与使用寿命。在各工业领域如机械、水利水电、热电核电、航空航天、石油化工、冶金、铁路、交通等行业，③残余应力测试技术及其应用研究始终受到高度重视。为此，各国研究者从不同的角度出发，针对残余应力测试技术进行了研究。④

目前残余应力检测技术主要有以下几种：射线衍射法、磁性法、超声波检测法及电子散班法等，⑤但这些方法都在不同程度上存在着局限性。1929年俄国学者AKCEHOB首先提出X射线应力测定构想，最终形成了成熟X射线衍射法，可是在实验和实际应用过程中发现，该方法对检测表面的要求比较高，穿透深度小，只有30 m左右，⑥且操作程序繁琐。⑦中子衍射法是一种较新颖的检测方法，但只有反应堆中才可以得到所需的热中子流，且在反应堆或者中子加速器中，才能获得较高分辨率，⑧仪器设备非常昂贵，同时测试条件要求非常高，因此在实际的测试及应用还存在许多困难。⑨而磁性法： 可靠性和精度都比较差，量值标定困难，对材质较敏感，且应用范围较窄，仅只限于铁磁材料。 超声波法 对应力的检测受到材料的性能、机械构件的形状和组织结构影响， 测量的灵敏度相对较低， 同时须采用高精度设备及仪器进行测定声速变化，测定过程较为烦琐。 同样只能对材料表面应力情况进行测量的电子散斑干涉法， 且对抗震性要求很高，及工作环境要求限制较大。

针对残余应力的检测中缺乏简便而有效手段的问题，本文提出采用基于地球磁场的微磁检测技术。该方法不受材料性质的限制，具有速度快、无辐射、操作简单，同时可以对石羊内部和外部进行应力检测。

1 微磁检测原理

微磁检测技术是利用高精度磁矢量传感器，进而对检测试样表面不同区域的地磁场磁感应强度变化情况，以不同区域磁感应强度改变情况进而判断试件中的残余应力分布，并经过对数据处理和分析，预测试样中应力较为集中的区域位置和应力分布的一种新颖无损检测技术，是一种基于地磁场为磁源的被动式检测技术。其基本原理是：

将构件置于以地磁场为背景环境中，若试样中存在应力集中时，该区域与试样的相对磁导率会产生一定程度的差异，为及。图1所示，当试样中存在应力集中，试样表面所采集的磁感应强度B则会发生相应的变化；反之则会均匀分布，不会发生异常变化。

应力集中会对试样所采集的磁感应强度产生不同程度的影响，当>时，如图2（a）所示，试样压力集中区的磁感应强度信号值会显示一个异常的向上凸起；当<时，就会在该位置使得磁感应强度信号值发生向下的凸起，如图2（b）所示。

2 检测系统结构框架图

该应力检测系统的采集磁信号传输框架图如图3：

系统中，使用CAN总线进行下位机与上位机之间的数据传输。基于CAN的可靠性和独特的设计，以及采用了高性能的USB采集数据卡，保证了正常工作情况下，对检测系统进行实验时的数据采集和存储。

3 实验结果及分析

3.1 磁感应强度与应力大小变化

将试件放置在真空热处理炉内，温度设置在600℃，时间为0h、2h、4h、6h、8h、10h、12h。通过热处理，改变试件中应力值情况，利用高精度应力测试仪，测定试件应力值大小，进而采集不同应力值下磁感应信号大小。通过实验数据分析，在进行热处理前，试件本身的压应力较大。热处理后，试件的应力逐渐变小，且可以发现恒温4h后，与之前状态相比较，应力减小程度大概为起始状态的43%，之后随着时间的增加，变化程度逐渐变小。图4（a）显示，通过对数据进行拟合发现，随着热处理时间的增加，磁信号逐渐变小，且开始变化幅度较大，恒温8h之后幅度变化程度逐渐变小。

加载施压实验，压力强度设定为160MPa，时间不同，分别设定为0h、2h、4h、6h、8h、10h、12h，通过对试件加载施压，改变试件应力值情况，采集不同应力值下磁感应信号大小，绘制图形，进而对数据拟合，如图4（b）。经过相同的加载强度但时间不同，采集的磁感应信号与应力值数据分析，试件在初始2h、4h的加载时间下，应力值与磁感应信号强度变化较为明显；加载8h、10h、12h之后，试件的应力值与磁感应信号强度变化较小。同时通过对数据分析可以发现，304不锈钢板试件两边的边缘磁信号强度变花不明显。

将加载时间设定为2h，改变加载强度，分别为160MPa、165MPa、170MPa、175MPa、180MPa，通过高精度应力测试仪采集试件在不同加载强度后的试件应力情况，同时利用高精度磁矢量探头对试件的磁信号进行采集，获取应力大小与磁感应信号变化情况。对所采集的数据进行分析可以发现，170MPa加载强度后，试件的应力值变化程度加大，但非线性。对所收集的试件信号数据进行拟合，得出如图4（c）所示数据。试件测试应力值与磁感应信号是正向关系，随着试件应力值的增加，磁感应信号也在增大，但幅度不一，且可以看出在加载185 MPa后，与之前状态相比较，应力增大较为明显。

4 总结

研究表明，微磁检测作为一种新的无损检测技术，可以较好反应构件中应力状态的情况，同时也可以对构件存在应力区域进行判别，对构件中应力分布及应力大小状态的早期预判和堆疲劳损伤程度的早期评价具有重要意义。具体研究结论如下： （1）通过对微磁检测技术原理的研究，并将该技术应用于304不锈钢板残余应力的监测，实现了对应力和疲劳损伤测定。将实验结果进行对比，发现三种处理后所得结果一致，表明微磁检测技术对残余应力检测的可行性。（2）应力集中区域，会导致该区域与周边的区域磁导率发生相应的差异，磁信号强度与应力大小变化存在着一定的联系，即随着试件中所存在的残余应力增加，所采集得到的磁信号强度也在增大。

注释

① 沈军，林波，迟永刚，等.残余应力物理法测量技术研究状况[J].材料导报，2012.26（19）：120-125.

② 王秋成，柯映林，邢鸿燕.板类构件内部残余应力测试技术研究[J].浙江大学学报（工学版），2005.39（3）：381-384.

③ 王庆明，孙渊.残余应力测试技术的进展与动向[J].机电工程，2011.28（1）：11-15，41.

④ Curfs C， Kipstein O， Studer A J， et al. Residual stress measurements in Australia： Present and future[J].Mater Sci Forum，2005，490-491：218-222.

⑤ STEINZIG M， TAKAHASHI T.Residual stress measurement using the hole drilling method and laser speckle interferometry part Ⅳ： measurement accuracy[J]. Experimental Techniques，2003.27（6）：59-63.

⑥ 陈勇，高德平，等.钛合金平板电子束焊接残余应力的小孔法测量[J].理化检验-物理分册，2001.10（37）：18-20.

⑦ 陈会丽，钟毅，王华昆，等.残余应力测试方法的研究进展[J].云南冶金，2005.34（3）：52-54.

⑧ Schneider L C R， Hainsworth S V， Cocks A CF， et al. Neutron diffraction measurements of residual stress in a powder metallurgy component[J]. Scr Mater， 2005， 52（9）： 917-921.

⑨ 李峻宏，高建波，李际周，等.中子衍射残余应力无损测量与谱仅研发[J].无损检测，2010.32（10）：765-769.

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