基于磁滞回线原理的铁磁性材料应力测试方法

(南京航空航天大学 高速载运设施的无损检测监控技术工信部重点实验室，南京 211100)

钢铁材料具有良好的机械性能，在交通运输、能源、化工以及大型机械等领域应用广泛[1]。钢材中的铁磁性材料是工程技术中最重要和最常用的材料，大规模的应用会使得材料不可避免地存在缺陷损伤，如加工误差导致的材料性能分布不均匀和长时间使用带来的疲劳伤损等，而这些安全隐患很可能会导致灾难性的后果。因此，对铁磁性材料的应力状态和疲劳损伤的检测是很有必要的。

目前，针对钢材应力检测，主要有磁测法、X射线检测法和盲孔法。其中，磁测法和X射线检测法属于无损检测法，盲孔法属于有损检测法。射线法理论完善，但因有射线伤害，使用受到很大的限制；磁测法是根据铁磁体磁饱和过程中应力与磁化曲线之间的变化关系进行应力测定的，在一定范围内适用；而盲孔法虽然技术成熟，但属于有损检测，另外，盲孔法测量的仅仅是表面残余应力，并不是材料内部的残余应力。

电磁无损检测是近年来兴起的一项应用前景广阔的无损检测技术，相较于传统检测方法，具有精度高,指向性好，非接触式，对试件表面要求不高，可测量任何金属材料[2]等优点；而且，该技术可通过改变探头线圈的结构和偏置磁场的方向，激发出不同模态的波。笔者提出的就是一种新型的电磁无损应力检测方法——基于磁滞回线的铁磁性材料应力测试方法。

图3 电磁超声应力检测系统结构示意

1 检测原理

1.1 磁致伸缩机理和磁滞回线

强磁性物质在磁场作用下，内部会产生畴壁位移与转动，宏观上表现为磁致伸缩应变[3]。其微观机理是：铁磁性材料内部相邻原子间的电子自旋产生元磁矩，元磁矩间的相互作用力使得相邻的元磁矩排列在同一方向，形成磁畴。在无外磁场作用下，各个磁畴相互均衡，材料的总磁化强度等于零。当有外磁场作用时，磁畴会发生转动，使得材料长度或体积随之发生微小变化[4]。

铁磁性材料的磁化具有不可逆部分。当外加磁场变化时，铁磁体磁化状态的变化总是落后于外加磁场的变化，在撤去外加磁场后，铁磁性材料仍能保持部分磁性。因此，当外加磁场产生周期性的变化时，就可获得铁磁性材料滞后的闭合磁化曲线，称之为磁滞回线,如图1所示(图中B为磁感应强度，H为磁场强度)。

图1 磁滞回线

1.2 应力检测原理

磁致伸缩效应会引起磁性材料的微观结构变化。同时，铁磁性材料的微观结构状态会随着工作应力变化而发生变化。在无应力状态下，铁磁性材料呈现各向同性，当受到应力作用时，材料产生各向异性。应力或应变状态的改变会引起铁磁性材料磁导率或磁阻的变化。在恒定磁动势状态下，磁路中磁阻的变化会引起磁通的变化，线圈的感应电动势也会产生相应的变化。根据逆磁致伸缩原理，当铁磁材料受力时，磁导率会产生相应的变化。铁磁性材料的相对磁导率与应力之间的磁力学模型为[5]:

(1)

式中：B为磁感应强度;k为磁致伸缩系数;μ为材料磁导率;σ为材料所受应力。

在这种情况下，磁致伸缩激发的超声信号幅值，作为滞后于外加磁场变化的函数，反映了动态磁致伸缩特性——一种对表征材料老化和残余应力十分敏感的微磁特性[6]。

1.3 基于磁致伸缩的电磁超声换能器

电磁超声技术是以电磁场、电磁场引起的力场和试件中的声场三者之间的相互转换为基础发展起来的新技术。其转换原理为：利用磁致伸缩效应产生超声波，再通过逆磁致伸缩效应接收超声信号。电磁超声换能器(EMAT)由磁铁、高频回折形线圈和铁磁性试件3部分组成。磁铁提供偏置磁场，高频线圈用来产生超声波，试件必须具有导电性或铁磁性，或者两者同时具备，这也是EMAT不需要声耦合的原因。同时,为了避免洛伦兹力的影响，线圈的电流方向需要和外加磁场的方向平行。图2为基于磁致伸缩效应的EMAT模型。

图2 基于磁致伸缩效应的EMAT模型

2 电磁超声应力检测系统

电磁超声应力检测系统结构示意如图3所示。电磁超声应力检测系统主要由电磁超声发射电路、电磁超声接收电路、电磁超声换能器、试件和应力加载装置等5部分组成。

给脉冲发射电路供电后，发射电路发出周期性的高频脉冲串，高频脉冲串经过功率放大电路，接入发射线圈，再通过阻抗匹配电路使发射线圈上得到最大幅值信号，这种高频信号会在试件中产生同频振动，激发出超声波。在接收端，接收线圈基于逆磁致伸缩原理，将振动信号转化为电动势，经过信号处理电路后，由采集卡采集电动势，最后在上位机上进行数据处理和显示。采用时域分析方法来提取淹没在噪声中的时变信号，可以显著提高 EMAT 信号的质量[7]，得到的接收信号如图4所示。

图4 电磁超声的接收信号

3 试验过程和结果分析

3.1 试验过程

铁磁性材料的磁致伸缩特性受材料内部应力的影响，即随着应力变化，材料的磁致伸缩曲线也会发生相应的变化。利用悬臂梁加载装置，对尺寸(长×宽×厚)为300 mm×140 mm×1 mm的A3钢试件施加由下向上的力(上表面产生的是压应力)。然后通过贴应变片，连接DTCJ-1型应变仪进行应力检测。试件的受力方向和静态偏置磁场方向相互垂直。

分别对试件进行了0，20，50，80，110，140，170，190 MPa共8个应力状态下的试验，每个应力状态下做了4次重复性试验。通过改变发射端电磁铁电流的大小来改变静态偏执磁场的大小，使其走完一个磁滞回线过程，采集接收信号的峰峰值作为特征点，绘制出电磁铁电流值-接收信号峰峰值曲线图。由于接收端的永磁铁会影响发射端信号使得曲线图不对称，故为了消除接收端对发射端的影响，采用在测完正行程的磁滞回线对应的曲线后，再测量反行程的磁滞回线对应曲线，将两幅曲线图相加取平均后，得到如图5所示的曲线(图中①为信号曲线中的交点，②为信号谷值点，③为信号第一峰值点)。

图5 电流值-接收信号峰峰值曲线

为研究EMAT信号和铁磁性材料内部应力的关系，提取了信号曲线中的交点①，谷值点②和交点与第一峰值点③的斜率作为特征值点。

3.2 试验结果分析

8个应力状态下的电流值-接收信号峰峰值曲线,如图6所示。

图6 不同应力对应的电流值-接收信号峰峰值曲线

分别对这3个特征值点取4次试验的平均值和波动范围，材料内部应力和3个特征值的关系如图7所示。

从拟合得到的曲线可以看出，当给被测试件施加压应力时，静态偏置电流-接收信号峰峰值曲线会整体下移。与此同时，随着压应力的逐渐增加，交点逐渐下移，谷值点也向零点靠拢，同时，交点与第一峰值点的斜率在逐渐增加，特征值点均随着应力增加呈单调性变化。并且,文中试验系统的重复性误差也较小，可以定性分析材料内部的应力状态。

4 结语

基于磁致伸缩效应和磁滞现象，利用基于磁滞回线的电磁超声检测方法，对铁磁性材料的应力状态进行了检测和试验分析，观察材料的磁致伸缩特性和自身应力状态的关系，通过提取偏置电流-接收信号峰峰值曲线中的特征参数，找到了参数随应力增加呈单调性变化的规律，实现了对被测试件应力状态的定性分析。