用磁法检测不锈钢残余应力的探讨

王建波



用磁法检测不锈钢残余应力的探讨

王建波

（四川省理化计量无损检测有限责任公司，四川 成都 610010）

残余应力的存在，将影响构件的静载强度、疲劳强度、抗应力腐蚀等性能及尺寸的稳定性，严重时将直接引发裂纹缺陷。以地磁场为磁源，根据残余应力使材料磁导率改变的特性，通过微磁检测技术检测304不锈钢表面的磁场强度变化，为其内部残余应力进行了定位和初步定量。通过测量退火前后304不锈钢内部磁场强度的变化来确定残余应力的变化。通过检测数据发现残余应力大小与磁场强度之间有密切关系，在退火前后其残余应力改变的幅值一定，而磁场强度所改变的幅值也相对稳定。用磁法检测304不锈钢的残余应力是可行的。

304不锈钢；残余应力；磁场强度；磁法检测

在机械加工进程中，残余应力的产生、叠加及释放会造成构件内部的应力状况重新分布，就可能影响构件的尺寸和形位精度以及装配精度，降低构件的抗疲劳强度、抗应力腐蚀及抗蠕变开裂的能力，最终影响到机器设备的性能与使用寿命。所以，对构件中的残余应力进行测量很有必要。

测量残余应力大致分为有损测量法和无损测量法两类。有损测量法通常采用切削或钻孔等方法把要测量残余应力的工件的一部分分离开，使其中残余应力被释放；无损测量法是运用被测试件的一些特性与应力及应变的特定关系来说明试件的应力分布情况。上述方法都有其自身局限性，因而残余应力检测技术的研究仍然具有十分重要的意义。

1 磁性法检测

磁性法是一种新兴的无损测量手段，它是以地磁场为磁源，根据残余应力使材料磁导率改变特性，通过微磁检测技术检测工件表面的磁场强度变化，为工件内部残余应力定位，具有技术完善、仪器精巧、携带方便、操作简单及对测点表面处理要求不太高等特点，且测量深度可达几毫米，适用于现场检测。

磁性法主要通过应力和磁导率、应力和磁噪声的联系对试件的残余应力进行测量，但只限于对铁磁性材料，对于非铁磁性材料，将试件置于均匀的地磁场0中，均匀的地磁力线穿过整个试件，由于试件材料的磁导率特性存在，试件本体会引起地磁场强度衰减。如果试件本体存在不连续区域（图1），其磁导率与工件本体的磁导率有显著差异，因此在不连续区域的地磁场强度衰减量0～1与试件本体的地磁场强度衰减量0～2会有显著差异。当试件中的部分区域有残余应力时，将引起该区域中材料磁导率的变化。试件本体中含有残余应力的区域与不含残余应力的区域的磁导率不同，因此导致引起的地磁场强度衰减量也不同。在工程与科研中，利用磁法检测仪测量构件上的地磁场强度衰减量，则可以对构件的残余应力进行定位和定量。

2 测试方式

2.1 材料选择

选用规格300×50×2 mm的304不锈钢薄钢板。304不锈钢的合金元素组成及其质量分数如表1所示。304不锈钢是铬－镍不锈钢中使用最普遍的，拥有优良的耐腐蚀性、耐高温性、抗拉强度、成型性等特性，在常温下深冲压和弯曲过程中具有很好的机械加工特性，在进行热处理之后不会发生硬化现象。

图1 磁法检测原理图

表1 304不锈钢的合金元素组成及质量分数

304不锈钢钢材的磁导率，计算如下：

式中：为304不锈钢的体积磁矩；X为304不锈钢的磁化率；为外加磁场强度；为304不锈钢的质量磁矩；为304不锈钢的密度；为304不锈钢的质量；μ为304不锈钢的相对磁导率；为304不锈钢的磁导率；0为真空磁导率。

计算得出304不锈钢在地磁场范围内的相对磁导率为1.0037～1.004，显然304不锈钢的相对磁导率大于纯钢的相对磁导率。

2.2 空采地磁场信号

将试件与探头的距离固定，调整探头的位置，用非铁磁性材料阵列式磁法检测仪扫查空载时的304不锈钢板。打开非铁磁性材料阵列式磁法检测仪，开启机箱面板上的[电源]开关，当运行指示灯亮时表示仪器一切正常可以开始工作，打开操作界面，按连接键，仪器连接上位机，按开始键，按照设定的工作模式开始进行扫查。数据采集后，选择保存数据，以便调用数据。得到的地磁场空采信号如图2所示，可以看出，非铁磁性材料阵列式磁法检测仪在空采地磁场时的磁场强度为23211～23214 nT，地磁场的磁信号的变化范围很小，说明地磁场在一定环境下是趋于稳定状态的，不会对测试结果产生较大的影响。

图2 地磁场空采信号图

2.3 消除残余应力前后试件的检测结果分析

因试件具有初应力，应对其进行去应力退火处理从而消除残余应力，进而消除残余应力对检测信号的干扰，确保数据的准确性。为了消除工件内部残余应力的影响，在加载应力之前先对试件进行退火处理。

对去除应力的试件进行扫描，得到试件信号图如图3所示，可以看出，检测结果近似为一条均匀的曲线，磁信号基本没有发生较大的向上或向下的异常，根据磁法检测原理，表明该不锈钢板不存在残余应力。

图3 消除残余应力的试件信号图

用非铁磁性材料阵列式磁法检测仪对304不锈钢板进行扫查，结果如图4所示，在波峰和波谷分别选取四个点编号为1、2、3、4，在退火前与退火后分别测量这几处的残余应力，测试的数据如表2所示，可以看出，退火后相比退火前残余应力减少了近50%，在不同点处磁场强度改变量均为3000左右nT，空采值减少近10000 nT。由此可以可知，残余应力减少的幅值与磁场强度改变的幅值有一定联系。

图4 304不锈钢板扫描图

表2 退火前后304不锈钢板中的残余应力

制作退火前、后残余应力及磁场强度的改变量，更直观地观察它们之间的关系，如图5、图6所示。前两个点退火后磁场强度比退火前小，后两个点退火后磁场强度比退火前高；图中两线交叉的原因由于实验设备及条件的限制，有待于进一步探究；退火前、后磁场强度的差值为3000 nT左右。退火后残余应力减少，但各点处减少的幅度均接近50%。

2.4 加载残余应力后试件的检测及结果分析

采用激光对钢板正反两面加载三种不同能量的应力，残余应力也不相同。图7为反复测量后得到的工件最佳信号。可以看出，加载残余应力后，304不锈钢试件正面的磁检测信号在70～90 cm、120～140 cm两处出现明显突变，反面的磁检测信号在140～160 cm处出现明显突变。由此可得，在试件的这三处存在明显的残余应力。

图5 退后前、后磁场强度的变化

图6 退火前、后残余应力的大小

2.5 信号的差分处理

采用磁性法对去应力退火后的304不锈钢进行检测，原始图如图3所示，信号差分处理如图8所示。由图3得出的磁场强度信号波形比较平滑。传感器在304不锈钢上扫查时，由于存在外在干扰和材料组织本身不均匀性，所以检测出的信号波形产生了微小的磁异常。

图7 钢板加载应力后的信号图

图8 不含残余应力的304不锈钢差分信号图

采集到的磁感应信号属于随机变量，其分布形式服从正态分布，故数据预处理的主观评测法的理论依据就是随机信号的正态分布。在检测残余应力时，超过阈值线范围的波形并且原信号峰值变化超过200 nT的磁异常则可以认为是有残余应力存在的，反之亦然。图8中有两处位置的波形超过了红色阈值线，这两处位于304不锈钢两端边界。根据条形磁铁的磁特性可知，边界两端的磁力线较杂，波动较大，曲线较杂，也会产生异常，但这些异常都不是由残余应力导致的，因此这两处磁异常属于正常，并不存在残余应力。

3 总结

通过去应力退火消除残余应力与加载残余应力的检测确定了磁法检测304不锈钢残余应力的可行性，并对304不锈钢的残余应力进行定性检测，初步对残余应力进行定量分析。304不锈钢残余应力不能用常规漏磁法进行检测，因为地磁场的磁场信号比较微弱，通常在数百nT水平。因此磁法检测仪的分辨率必须在nT级才能有效地对304不锈钢进行检测；对304不锈钢进行去应力退火，退火前后检测到的磁场强度的差值为3000 nT左右，退火后残余应力减少了50%左右；对304不锈钢加载了不同应力后对其磁场强度进行检测。结果表明，加载不同残余应力的304不锈钢其磁信号显示的结果也不同；目前通过数据还无法直接得出磁场强度与残余应力的相关联系或规律，但还会对实验进行改进，以获得更加准确的检测数据。

[1]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.

[2]黄松岭，李路明，施克仁，等. 地磁场激励下残余应力分布的磁检测方法[J]. 清华大学学报（自然科学版），2002，42（11）：1426-1428.

[3]陆世英. 不锈钢[M]. 北京：原子能出版社，1995：189-193.

[4]吴正毅. 测试技术与测试信号处理[M]. 北京：清华大学出版社，1991.

[5]冯升波. 磁测残余应力法德基本理论和实验研究[D]. 北京：清华大学，1997.

Study on Measuring Residual Stress of Stainless Steel by Magnetic Method

WANG Jianbo

(Sichuan Provincial Physicochemical Measurement Nondestructive Testing Co., Ltd., Chengdu 610010, China )

The existence of residual stress will affect the static load strength, fatigue strength, stress corrosion resistance and dimensional stability of the components. Worse still, it may directly lead to crack defects. The magnetic field intensity of 304 stainless steel was measured by micro-magnetic testing technology, and the residual stress was localized and quantified, taking the geomagnetic field as the magnetic source, based on the features that residual stress changes the permeability of materials. The residual stress was determined by measuring the magnetic field intensity of 304 stainless steel before and after annealing. The results show that there is a close relationship between the value of residual stress and the intensity of the magnetic field. The amplitude of the residual stress changes is constant before and after annealing, and the amplitude of the change of the magnetic field intensity is relatively stable. It is feasible to detect the residual stress of 304 stainless steel by magnetic method.

304 stainless steel；built-in stress；magnetic field intensity；magnetic detection

TJ765.4+1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.10.015

1006－0316 (2018) 10－0068－05

2018－07－03

王建波（1986－），四川彭山人，工程师，主要从事机械产品质量的无损检测工作。