不同应力状态下Q235钢板件磁信号变化的试验及金相图谱研究

苏三庆，胡敬余，王 威，郭 欢，马小平

(西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055)

钢材作为一种重要的建构筑物材料，因其质量轻、强度高、延性好等特点，被广泛应用于高层及大跨结构中.但在实际工程中，由于受动、静荷载作用以及环境因素影响，导致钢结构的突发性破坏事件屡屡发生.因此，对钢结构在服役期间的健康检测及寿命评估就显得尤为重要.

目前，应用于建筑钢结构的无损检测技术主要有超声检测[1]、磁粉检测[2]、射线检测[3]、涡流检测[4]等.这些虽然比较成熟，但仅能够识别较为明显的宏观缺陷，对未形成明显物理不连续状态的裂纹源以及微小裂纹还无法检测.

20世纪90年代末，金属磁记忆检测技术被俄罗斯学者Doubov[5]提出.该技术具有如下优点：(1)该技术能够对材料内部损伤以及微观缺陷进行识别；(2)检测前不需要清理被检测构件表面铁锈油污，较为方便；(3)检测时仅利用地球磁场作为激励磁化场，不需要专门的磁化设备；(4)检测传感器与被检构件可直接接触，也可具有一定提离值；(5)仪器设备体积小，操作简便灵活[6].目前，大量国内外学者对力-磁关系进行了试验研究.董丽虹等[7]通过光滑板件的静载拉伸试验以及疲劳加载试验对磁记忆检测参量及影响因素进行了研究；邢海燕等[8]对焊缝与磁信号之间的关系进行了研究.梁志芳等[9]针对时间空间上焊接裂纹磁记忆信号的有效性进行了研究.以上学者虽然对弹-塑性状态的磁记忆信号进行了分析研究，但对其加载过程中，不同应力状态下磁记忆信号的变化规律并没有明确的定论，而钢结构内部损伤主要产生于屈服之后，并且在变形较小的情况下难以确定结构应力状态.本文主要研究Q235钢在不同应力状态下磁信号的关系规律，并对加载至不同状态的试件进行金相分析，从微观角度分析二者之间关系.

1 金属磁记忆检测的基本理论

磁记忆检测技术的物理基础源自磁弹性效应和磁机械效应、应力集中区中位错壁上磁畴边界的固锁效应以及金属天然磁化强度条件下组织和机械强度不均匀性造成的漏磁场效应[10].铁磁性材料在弹性应力作用下的弹性效应理论目前比较成熟.在无外应力和外磁场作用下铁磁晶体内关于磁化状态的自由能为

E=Ek+Ems+Eel

(1)

其中:Ek为磁晶体各项异性能；Ems为磁弹性能；Eel为弹性能.

当有外应力或其内部存在内应力时，总自由能应加上由应力引起的形变.

E=Ek+Ems+Eel+Eδ

(2)

其中，Eδ为材料受到外界应力时产生的应力能.

真实系统实际存在状态总是使总能量达到最低，改变磁化矢量方向可以减小应力能，从而使总自由能最小[11].应力的存在会导致弹性能和磁弹性能的增加，而且为抵消应力能，该区域由磁机械效应作用引发的磁畴组织取向会发生不可逆改变，形成磁极，构件表面产生漏磁场.应力集中部位的漏磁场具有过零点性质[12].金属磁记忆检测原理如图1所示.

图1 金属磁记忆检测技术检测原理示意图Fig.1 Schematic diagram of detection principle of metal magnetic memory detection technology

2 试验方案

2.1 试验设计

本试验采用广泛应用于建筑结构的Q235钢.加工制作6个试件，分别编号为S-1、S-2、S-3、S-4、S-5、S-6.试件尺寸如图2所示.检测区域长60 mm，检测点间距为15 mm，每个试件有一条检测线，检测线有5个检测点，检测点以中间检测点为0 mm，向左依次为-15 mm，-30 mm；向右依次为15 mm,30 mm.其试件基本属性见表1.

图2 Q235试件及检测点(单位:mm)Fig.2 Q235 specimen and detection point (Unit: mm)

2.2 试验仪器及方法

利用DNS300电子万能试验机对板件进行静载拉伸试验，其主要技术参数为：最大试验力300 kN，试验空间宽度0～600 mm，试验横梁行程1 200 mm，力测量精度±0.5%，变形测量精度±0.5%.

磁记忆信号测量设备采用爱德森EMS-2003智能磁记忆/涡流检测仪，探头使用磁记忆双通道笔式探头(EPEMS/B2)，设置为内时钟模式，显示模式为数字显示.CH1显示数据为大地磁场，CH2数据为试件表面磁信号值，选择背景磁场为减CH1，如图3所示即为实际磁信号值.

图3 加载设备及测量设备Fig.3 Loading equipment and detection system

为了探究试件在不同应力状态法向磁信号的变化，S-1只检测初始状态下的磁信号法向分量Hp(y)值，S-2检测弹性及之前状态下Hp(y)值，S-3检测塑性及之前状态下Hp(y)值，S-4检测强化及之前状态Hp(y)值，S-5用于检测颈缩后及之前状态Hp(y)值.具体检测方式如表2所示.

表2 法向磁信号检测方式

注：“√”表示对应板件在该状态时采集法向磁信号

试验过程中对试件进行离位检测，试件南北放置，从南到北逐点检测.笔式探头垂直于试件表面，探头端部接触试件，保证其提离值不变.

最后，将加载至不同状态的试件切割打磨进行金相分析，从微观角度分析磁信号变化与微观结构变化之间的联系.

3 试验结果分析

3.1 零载

如图4所示，为试件在零载状态下法向磁信号变化曲线.可以看出，各板件磁信号法向分量Hp(y)波动范围较小，数值范围为-28～22 A·m-1，与参考文献[13]所示零载状态下磁信号法向分量Hp(y)相比，离散性较小，但无明显规律出现.其原因可能是试件在零载状态时，试件表面法向磁信号受其加工制造过程中试件内部所产生的剩磁场影响.

图4 零载状态试件法向磁信号变化曲线Fig.4 Normal magnetic signal curve at initial stage

3.2 弹性状态

如图5所示，为S-2～S-6在弹性状态法向磁信号的变化曲线.可以看出，各板件Hp(y)信号值均过零点，Hp(y)值以各自零值点为界，左正右负，从左向右递减，两端Hp(y)数值绝对值较大，试件中间部位Hp(y)数值较小.铁磁性材料本身作为一个弱磁体，可以将其简单看作为一个具有南极和北极的磁铁，磁铁磁感应强度的强弱主要决定于磁感线的密集程度，在磁铁外部磁感应强度是两端强中间弱，与试验结果有相似之处.图5中S-3～S-6法向磁信号沿长度方向呈线性递减.S-2的Hp(y)值较S-3～S-6波动较大，但总体趋势仍然为左正右负，从左向右逐渐减小.试件受到荷载作用后，内部的磁畴结构发生定向的不可逆变化，随着磁畴结构定向移动的完成，磁信号由之前的无规律性变得统一，并有“捏拢”现象出现.

图5 弹性状态试件法向磁信号变化曲线Fig.5 Normal magnetic signal curve at elastic stage

3.3 塑性状态和强化状态

如图6所示，为S-3～S-6在塑性状态时法向磁信号变化曲线.可以看出，法向磁信号值的波动有所增加，不同板件之间离散性也相对于弹性状态有所增大.各板件Hp(y)零值点分布不集中，S-3和S-6零值点在0 mm附近，S-4和S-5的Hp(y)零值点距离0 mm较远.但是由图7可以看出，进入强化状态后S-4和S-5 的Hp(y)零值点回归到0 mm附近，S-4～S-6号板件表现出较好的线性.

图6 塑性状态试件法向磁信号变化曲线Fig.6 The normal magnetic signal curve at plastic stage

图7 强化状态试件法向磁信号变化曲线Fig.7 Normal magnetic signal curve at hardening stage

3.4 颈缩状态和破坏状态

如图8所示，S-5、S-6颈缩状态法向磁信号变化曲线，可以看出，S-5和 S-6在颈缩状态依然呈现出较好的线性，Hp(y)零值点在试件中心附近.图9为S-6在断裂状态下的法向磁信号变化曲线，可以看出，断裂破坏状态Hp(y)波动性增大，零值点由试件中心附近移至A位置，与断裂位置基本吻合.S-6具体断裂位置如图10所示.

图8 颈缩状态试件法向磁信号变化曲线Fig.8 Normal magnetic signal curve at necking stage

图9 破坏状态试件法向磁信号变化曲线Fig.9 Normal magnetic signal curve at fracture stage

图10 S-6件断裂位置Fig.10 Fracture position of Specimen 6

3.5 磁信号全过程分析

试验中，S-5、S-6经历了从零载到颈缩全过程，其不同状态下的法向磁信号如图11和图12所示.可以看出，自零载开始，一直到颈缩状态，法向磁信号曲线基本成线性变化，Hp(y)零值点在0 mm附近.且在颈缩状态之前，随着荷载的增加，Hp(y)值曲线以零值点为中心呈现顺时针旋转现象.6号试件断裂后，Hp(y)零值点由试件中心附近移至A位置，与断裂位置基本吻合.对于早期损伤部位的判断，基于法向磁信号过零点的损伤辨别方法效果不佳.但是该判别方法对宏观破坏表征效果较好.

图11 5号板件不同状态法向磁信号变化曲线Fig.11 Normal magnetic signal curve at different stages of Specimen 5

图12 6号板件不同应力状态法向磁信号变化曲线Fig.12 Normal magnetic signal curve at different stages of Specimen 6

图13 不同应力状态磁场梯度K的绝对值Fig.13 Gradient curve of normal magnetic signal at different stages

图13所示为S-5、S-6在不同状态磁信号法向分量的梯度值，不考虑S-6的断裂破坏状态.可以明显的看出，随着试件由零载状态加载至颈缩状态，梯度值的绝对值逐渐增大；从弹性状态到塑性状态梯度值变化幅度较小，只增大了约47%；从塑性状态到强化状态梯度值变化幅度迅速增大，增大了约128%；又在强化状态到颈缩状态迅速变缓，几乎呈水平状态，仅增大了4%左右.如果将Hp(y)曲线近似看作一条直线，则K值表示其斜率.虽然有些测点的Hp(y)值会有一些波动，但是直线的斜率的性质比较稳定，随着荷载的增加，斜率的绝对值一直在增大.

3.6 金相分析

对零载状态、弹性状态、塑性状态、强化状态、颈缩状态的试件金相组织进行分析.如图14所示，为板件在各个状态下的金相组织，Q235钢材主要由铁素体和珠光体组成，图中白色部分为铁素体，黑色部分为珠光体[14].由图14(a)和图14(e)比较可以看出，随着荷载的增加，试件中的铁素体由不规则形状逐渐变为纺锤形，且沿着受力方向逐渐被拉长.在此过程中，磁场梯度K的绝对值一直在增大.

图14 不同应力状态下的金相组织Fig.14 Metallographic structures in different stress states

磁场和应力对磁畴运动的影响如图15所示，图15(a)为无外部磁场时，应力对磁畴运动的影响；图15(b)为外部磁场激励下，应力对磁畴运动的影响.其中，H为外部磁场，σ为外应力.

在外部磁场和外应力共同作用下，磁畴组织沿外应力方向发生不可逆的定向移动，随着磁畴定向移动的完成，导致材料宏观磁特性的不连续分布，即磁导率、矫顽力等磁特性参数发生改变，从而使构件在应力应变集中及缺陷位置处的自发漏磁场信号产生变化.可见，外部磁场和荷载是产生磁记忆效应必不可少的条件[15].在零载状态，磁畴结构取向杂乱无规则，因此磁信号在初始阶段呈无规律的浮动，这与金相试验得到的试件中的铁素体在零载状态下形状不规则现象相似(如图14(a)所示).实际上，零载状态下所检测到的磁信号主要为试件加工制造过程中内部所产生的剩磁场.但随着荷载的增加，试件所受外应力增大，应力所产生的有效场逐渐增大，以克服剩磁场使磁畴发生定向移动，因而磁信号曲线浮动较小，规律性增强.这与金相试验得出的试件中的铁素体随着荷载的增加由不规则形状逐渐沿受力方向变为纺锤形的规律相似(如图14(e)所示).由以上分析可见，铁素体变化与磁畴变化之间可能存在一定的相关性.

图15 磁场和应力影响磁畴运动的示意图Fig.15 Schematic representation of field and stress affecting the movement of magnetic domains

4 结论

(1)随着荷载的增加，磁信号法向分量Hp(y)曲线基本按顺时针旋转，Hp(y)零值点位置在0 mm(中心位置)附近.

(2)Hp(y)零值点在颈缩状态基本位于试件中心，未能准确的指示最终断裂破坏位置.基于法向磁信号过零点的应力集中区域判别依据并不能适用所有状况.

(3)在试件由零载状态加载至破坏过程中，磁场梯度值的绝对值逐渐增加.从弹性状态到塑性状态梯度值变化幅度较小，只增大了约47%；从塑性状态到强化状态，增加幅度明显变大，增大了约128%；而强化状态到颈缩状态，增加幅度迅速变缓，仅增大了4%.

(4)随着轴向拉伸荷载的增加，试件内部微观组织，如铁素体由零载状态下的不规则形状沿受力方向变成纺锤形，在此过程中磁畴也会发生变化.因此，铁素体变化和磁畴变化之间存在一定的相关性.