蘇三慶，高志剛，王 威

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安710055；2. 西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安710054)

鋼絲繩作為一種撓性承載機構(gòu)，由多根鋼絲捻制而成，其承載的工作強度高，過載及變形能力強，自重輕，工作狀態(tài)下噪聲小，被廣泛應(yīng)用于煤礦，冶金，石油，建筑等領(lǐng)域[1]，同時，鋼絲繩在長期的工作情況下還面臨磨損、斷絲、銹蝕等損害情況，因此，鋼絲繩的檢測技術(shù)應(yīng)運而生，在這些檢測手段中又以電磁檢測技術(shù)應(yīng)用最為廣泛[1-2]，而傳統(tǒng)的電磁檢測技術(shù)以漏磁檢測技術(shù)最為普遍，但不管是電磁還是非電磁檢測技術(shù)，只能單純的判斷鋼絲繩的損傷情況，卻不能反映鋼絲繩的承載受力狀態(tài)，或者是應(yīng)力應(yīng)變狀況.

磁記憶檢測技術(shù)作為一種新興的無損檢測技術(shù)，在不破壞原有構(gòu)件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，以大地磁場作為勵磁源，以磁滯伸縮原理為基礎(chǔ)，不僅能夠反映構(gòu)件的損傷情況，而且也能反映構(gòu)件在受荷條件下的承載及應(yīng)力應(yīng)變情況，現(xiàn)已在石油管道，壓力容器等領(lǐng)域得到應(yīng)用[3-6].而鋼絲繩用材為低碳冷拔鋼絲，因此，有必要針對鋼絲繩的特殊材質(zhì)，探索磁記憶檢測技術(shù)在鋼絲繩領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展.

在外力作用下，鐵磁體產(chǎn)生磁致伸縮性質(zhì)的變形，從而引起磁疇壁的位移，這種位移必然引起磁疇的自發(fā)磁化方向以增加磁彈性能，來抵消應(yīng)力能的增加，這種磁狀態(tài)的不可逆變化在工作荷載消失后會得到保留，記憶著構(gòu)件應(yīng)力集中區(qū)位置，這就是金屬材料的磁記憶效應(yīng)[7-9].

鐵磁體內(nèi)部或多或少都會存在一些物理不連續(xù)現(xiàn)象，當(dāng)承受荷載時這些部位會產(chǎn)生應(yīng)力集中，在較大的應(yīng)力應(yīng)變條件下，應(yīng)力能增加，從能量最小的觀點出發(fā)，此時的磁彈性能增加，磁疇的方向發(fā)生改變，并趨于一致[10]，此時在鐵磁體表面的磁記憶信號便會出現(xiàn)一定的特征變化，典型的特征量為鐵磁體表面磁場的法向分量出現(xiàn)過零點現(xiàn)象，而切向分量出現(xiàn)極值.

但磁記憶檢測作為一種弱磁檢測其影響因素較多[11]，比如環(huán)境磁場的干擾，加載方向及檢測方向的影響，鐵磁體材質(zhì)及形狀的影響等等.這些影響因素往往使獲取的磁記憶信號并不具有典型的特征.因此有必要針磁記憶檢測技術(shù)在鋼絲繩上的應(yīng)用做進一步研究.本文以帶缺損的鋼絲繩單絲為研究對象，以期能找到一種適用于鋼絲拉伸破壞的磁記憶判別手段，為下一步整繩的研究做好基礎(chǔ).

2 試驗方案

試驗選用6×37異形三角股鋼絲繩為研究對象，選取其中一股的最外層鋼絲進行單軸拉伸試驗，鋼絲公稱直徑d=2.7 mm，公稱抗拉強度1 670 MPa，鋼絲總長400 mm，有效拉伸長度300 mm，檢測區(qū)域200 mm，在檢測區(qū)域內(nèi)設(shè)置兩處缺口，缺口深度h=0.2 d,寬度w=2 mm,兩缺口相聚80 mm,距檢測區(qū)兩端60mm，供選用3根鋼絲進行加載，分別編號為：1號試件、2號試件、3號試件，試驗在萬能拉伸試驗機上進行，采用分級加載的方式進行加載，荷載分級為0 kN、2 kN、4 kN、5 kN、6 kN、7 kN、8 kN、9 kN.同時采取保載測量的方式，在目標(biāo)荷載狀態(tài)下獲取試件表面的磁記憶信號.加載及測量如圖1所示.

圖1 加載及測量Fig.1 Loading and measuring

在檢測區(qū)內(nèi)沿試件縱向設(shè)置一條檢測線，并且使這條檢測線通過兩處缺陷，在檢測線上設(shè)置29個檢測點，依次編號為1～29，兩處缺陷位置分別位于9點及21點，并在缺陷處設(shè)置檢測加密區(qū)，采用手動測量的方式獲取磁記憶信號.在非加密區(qū)測點的間距為10 mm，在加密區(qū)測點的布置為非等間距，具體布置如圖2所示.

圖2 (a)缺陷位置 (b)加密區(qū)測點布置Fig.2 (a) Defect position (b) Distribution of test points in dense area

檢測裝置選用EMS-2003磁記憶/渦流檢測儀，如圖3所示，探頭選用筆式探頭，分辨率1 A/m，量程±1 000 A/m，儀器顯示設(shè)為數(shù)顯、雙蹤內(nèi)時鐘，在檢測之前進行歸一化處理，目的是將連接的探頭與大地磁場做校準(zhǔn)操作，使儀器與探頭相互匹配，校準(zhǔn)完成后兩通道顯示數(shù)值為40左右.選用的筆式探頭具有屏蔽環(huán)境磁場的作用，因設(shè)置為雙蹤，此時CH1顯示環(huán)境磁場，CH2顯示綜合磁場，在參數(shù)調(diào)整選項內(nèi)選擇-CH1，此時的CH1顯示為0，CH2數(shù)值即為綜合磁場減去環(huán)境磁場后的磁記憶信號[12].另外檢測時保持筆式探頭與鋼絲垂直，探頭緊貼試件表面以減小提離高度的影響，每個測點讀取3次磁記憶信號.

圖3 檢測設(shè)備Fig.3 Testing equipment

3 試驗現(xiàn)象及結(jié)果

三根試驗鋼絲承載能力相似，都在9～10 kN內(nèi)拉斷，在受荷后的加載階段可以看出磁記憶信號曲線出現(xiàn)多處波峰波谷，尤其是在缺陷處的兩端，波峰波谷貫穿整個加載過程，從開始的波峰波谷不明顯階段，一直到最后鋼絲被拉斷，波峰波谷現(xiàn)象逐漸趨于明顯，其差值也逐漸變大.

在整個加載過程中磁記憶信號基本都為負值，這是由于檢測設(shè)備在開始檢測前進行了歸一化處理，這就默認了整個檢測過程都是以大地磁場作為基準(zhǔn)，而實際的環(huán)境磁場是地磁場與周圍帶磁物體，如機械設(shè)備，其他的一些鐵磁體等矢量疊加后的結(jié)果.同時，鋼絲為豎向加載，這與地磁或者說與環(huán)境磁場的磁化方向不一致，這就導(dǎo)致了初始條件的相對復(fù)雜性.然而實際工程中，檢測環(huán)境更為多變，待檢測構(gòu)件方向角度、形狀，受力情況、環(huán)境磁場更為復(fù)雜，因此本實驗有利于研究復(fù)雜條件下的磁記憶信號特征，同時也有必要找到一種適用于復(fù)雜條件下的磁記憶檢測的判別手段.

三根受測鋼絲在相同荷載下磁記憶信號曲線相似，以1號試件為例進行分析.因加密區(qū)測點間隔較小，圖中很容易出現(xiàn)重疊而不易區(qū)分，因此，采用各點等間距作圖.

3.1 初始階段

加載前要先測量鋼絲零載條件下的磁記憶信號，以評估鋼絲繩初始自帶磁場的大小及規(guī)律.

圖4 零載對應(yīng)磁記憶信號曲線Fig.4 The curve of magnetic memory signals at 0 kN

圖4中縱軸表示磁記憶信號強度，橫軸表示沿檢測線由一端至另一端的各檢測點編號.

從圖中可以看出：磁記憶信號曲線呈現(xiàn)先上升后下降的走勢，在6點處存在極大值，也就是說在初始階段磁記憶信號曲線就存在波峰波谷現(xiàn)象，但波峰波谷數(shù)值與相鄰點的數(shù)值相差不大，值得注意的是兩處波谷正好位于9點及21點，也就是說在缺陷處磁記憶信號開始就存在極值，但由于缺陷處極值并不具備明顯特征，不好與其他極值區(qū)分，因此初始階段用波峰波谷來判斷缺陷位置還不具說服力.同時零載階段磁記憶信號并沒有太大幅度的跳躍，這也說明初始階段鋼絲自帶磁場穩(wěn)定，有利于下一步的檢測.

3.2 缺陷處非線性段形成階段

進入加載階段后磁記憶信號曲線在缺陷兩端逐漸形成波峰波谷，在缺陷處出現(xiàn)平滑的非線性平臺.波峰波谷數(shù)差值逐漸增大，位置由最初的遠離缺陷到逐漸靠近缺陷處發(fā)展.

圖5 2 kN、4 kN對應(yīng)磁記憶信號曲線Fig.5 The curve of magnetic memory signal at 2 kN，4 kN

由5圖可知：在承受荷載后，磁記憶信號曲線波峰波谷現(xiàn)象更加明顯，波峰波谷差值進一步增加.在2 kN對應(yīng)荷載下9點缺陷兩端的波峰波谷出現(xiàn)在7和12點之間，21點缺陷兩端的波峰波谷出現(xiàn)在18和24點之間；在4 kN對應(yīng)荷載下9點缺陷兩端的波峰波谷出現(xiàn)在7和13點之間，21點缺陷兩端的波峰波谷出現(xiàn)在18和23點之間.具體位置及數(shù)值如表1和表2所示.

表1 2 kN對應(yīng)位置及數(shù)值

注：上表位置欄括號內(nèi)數(shù)字表示測點編號

表2 4 kN對應(yīng)位置及數(shù)值

注：上表位置欄括號內(nèi)數(shù)字表示測點編號

同時在波峰波谷之間出現(xiàn)平緩的非線性平臺，且非線性平臺都出現(xiàn)在缺陷位置，如2 kN時對應(yīng)的非線性平臺為8～10點區(qū)段以及20～22點區(qū)段，4 kN時非線性平臺出現(xiàn)在8～11點區(qū)段及20～22點區(qū)段.缺陷處的應(yīng)力水平相對于其他部位要高得多，應(yīng)力的增加會導(dǎo)致磁導(dǎo)率的變化，同時應(yīng)力導(dǎo)致應(yīng)變的增加，在局部應(yīng)變較大的情況下，磁疇偏轉(zhuǎn)會進一步加劇，這就相當(dāng)于在原有磁場的基礎(chǔ)上附加了一個磁場[13]，因此在這個部位磁記憶信號曲線會出現(xiàn)與相鄰部位不一樣的變化.

3.3 波峰波谷進一步加劇階段

隨著荷載的進一步增加，波峰波谷數(shù)值之差進一步加劇，在9點缺陷處仍然存在非線性段，而缺陷21點處已不是很明顯，同時波峰波谷位置發(fā)生變化，但總體趨勢相差不大(圖6)，其數(shù)值及位置如表3—表5所示.

圖6 5 ～7 kN對應(yīng)磁記憶信號曲線Fig.6 The curve of magnetic memory signal at 5～7 kN

位置/mm數(shù)值/(A·m-1)位置/mm數(shù)值/(A·m-1)波峰80(n=12)-12.33155(n=23)-57.67波谷69.5(n=8)-79.33145(n=19)-114.67差值11671057

注：上表位置欄括號內(nèi)數(shù)字表示測點編號

表4 6 kN對應(yīng)位置及數(shù)值

注：上表位置欄括號內(nèi)數(shù)字表示測點編號

表5 7 kN對應(yīng)位置及數(shù)值

注：上表位置欄括號內(nèi)數(shù)字表示測點編號

從表中可看到：不管是9點兩端的波峰波谷之差值還是21點兩端的波峰波谷之差值，都呈現(xiàn)單調(diào)遞增的趨勢，而波峰波谷位置距離則沒有明顯規(guī)律.荷載的進一步增加，磁記憶信號曲線規(guī)律性更加明顯，應(yīng)力應(yīng)變的增加導(dǎo)致應(yīng)力能的增加，進而引發(fā)磁彈性能的增加，磁疇的翻轉(zhuǎn)及疇壁的位移加劇，磁化方向趨于穩(wěn)定.因此3條磁記憶信號曲線走勢相同，規(guī)律明顯.

3.4 非線性段消失階段

荷載加至8 kN和9 kN后，波峰波谷間的非線性段消失，缺陷處表現(xiàn)出了良好的線性關(guān)系，同時波峰波谷數(shù)值之差進一步增大，間距也開始減小，兩條曲線走勢基本相同尤其是在21點缺陷處，磁記憶信號曲線出現(xiàn)重疊，這說明隨著應(yīng)力的增加磁疇的翻轉(zhuǎn)及磁疇壁的位移已達到飽和(圖7).

值得注意的是當(dāng)荷載達到9 kN后21點左右兩點正好為波峰波谷位置，根據(jù)下式計算梯度發(fā)現(xiàn)20到22三點間的梯度數(shù)值最大.分別為61.667×103A/m2和44.66×103A/m2.

(1)

8 kN和9 kN 時波峰波谷位置及數(shù)值如表6和表7.

表6 8 kN 對應(yīng)位置及數(shù)值

注：上表位置欄括號內(nèi)數(shù)字表示測點編號

表7 9 kN對應(yīng)位置及數(shù)值

注：上表位置欄括號內(nèi)數(shù)字表示測點編號

圖7 8 kN，9 kN對應(yīng)磁記憶信號曲線Fig.7 The curve of magnetic memory signal at 8 kN，9kN

3.5 破壞后

試件最后在21點處破壞，表現(xiàn)為突然間的脆性破壞，最終破斷拉力為9.18 kN，此時的磁記憶信號只存在一組波峰波谷，即20點和21點，同時在21點處出現(xiàn)過零點現(xiàn)象，峰值的絕對值出現(xiàn)較大幅度的增長，曲線在端口兩端平滑(圖8).

圖8 破壞后磁記憶信號曲線Fig.8 The curve of magnetic memory signal after failure

4 分析與討論

4.1 試驗現(xiàn)象分析

磁記憶檢測的一般判別理論及標(biāo)準(zhǔn)認為：磁化強度與應(yīng)力應(yīng)變存在一定的關(guān)系[15]，在應(yīng)力集中位置，較高的應(yīng)力水平，會導(dǎo)致內(nèi)部磁疇的排列以及磁化方向發(fā)生變化，這些重新取向的磁疇會使得外部漏磁出現(xiàn)規(guī)律性的特征，即法向分量Hp(y)過零點，而切向分量Hp(x)出現(xiàn)極值[14]，從各級荷載的磁記憶信號曲線來看，磁記憶信號基本為負值，只有在最后拉斷的磁記憶信號曲線中出現(xiàn)過零點，而由經(jīng)典的磁偶極子模型也認為在應(yīng)力集中處法向分量出現(xiàn)過零點.但這也僅是一種理想的判別技術(shù)，本次試驗采用豎向拉伸即試件方向為豎向放置，與地磁方向垂直，同時試件周圍的環(huán)境磁場是地磁與其他干擾磁場矢量合成的結(jié)果，因此其大小方向很難判斷，為減小誤差，測量前對儀器進行了歸一化處理，這本身就是一種簡化處理，而在實際應(yīng)用中，磁場更為復(fù)雜，因此有必要找到一種適用于實際現(xiàn)場的判別手段(圖9).

圖9 應(yīng)力分區(qū)Fig.9 Different stress distribution

磁記憶檢測技術(shù)可看成是一種漏磁檢測，但這種檢測技術(shù)又與被測構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變有關(guān)，應(yīng)力應(yīng)變小的部位其磁疇偏轉(zhuǎn)疇壁移動幅度輕微，而在應(yīng)力應(yīng)變較大的位置磁疇偏轉(zhuǎn)劇烈，分析鋼絲缺陷位置可將缺陷位置處劃分為三種應(yīng)力狀態(tài).

Ⅰ區(qū)為應(yīng)力集中區(qū)，為應(yīng)力最大部位，Ⅱ區(qū)為偏心受拉部位，Ⅲ區(qū)為無應(yīng)力或應(yīng)力微小部位，黑點為測量點，因磁記憶信號與應(yīng)力存在對應(yīng)關(guān)系，而Ⅲ區(qū)和Ⅱ區(qū)應(yīng)力存在較大偏差，因此，其磁記憶信號也應(yīng)存在差距，而從各級荷載的磁記憶信號曲線來看：在荷載很小的時候缺陷處的應(yīng)力相差不大，但當(dāng)荷載發(fā)展至一定階段各區(qū)應(yīng)力出現(xiàn)偏差，此時磁記憶信號曲線缺陷處的波峰波谷現(xiàn)象明顯，同時缺陷處的磁記憶信號也恰好位于波峰波谷之間，即缺陷處的磁記憶信號與兩端波峰波谷的數(shù)值之差開始加劇，由于試驗鋼絲相較于探頭較細，因此測量存在一定偏差，但磁記憶信號曲線已經(jīng)足以反應(yīng)應(yīng)力與磁記憶信號存在對應(yīng)關(guān)系，同時根據(jù)法向分量過零點的判別依據(jù)可知，在應(yīng)力集中部位磁記憶信號曲線存在單調(diào)遞減或遞增段，這也與試驗得到的磁記憶信號曲線相符.

4.2 基于磁記憶的鋼絲應(yīng)力狀態(tài)判別技術(shù)

由上述分析可知：可通過不同部位磁記憶信號的差值對應(yīng)這些部位的應(yīng)力進行判斷，即梯度曲線可反映應(yīng)力應(yīng)變的對應(yīng)關(guān)系，但由于磁記憶信號曲線在缺陷處存在非線性平臺，在此區(qū)段內(nèi)的梯度數(shù)值較小，容易與其他處的梯度值產(chǎn)生混淆.僅僅是在最后8 kN，和9 kN時缺陷處的磁記憶信號的梯度值在21點最大，因此梯度曲線適合對最后頻臨破壞階段進行判別.考慮到應(yīng)力與磁信號的對應(yīng)關(guān)系，與其用缺陷處磁記憶信號與兩端波峰波谷分別做差，不如用波峰波谷數(shù)值之差來反映波峰波谷區(qū)段內(nèi)的應(yīng)力變化程度.

不考慮初始狀態(tài)即零載以及拉斷后的磁記憶信號，將2 ～ 9 kN對應(yīng)缺陷處兩端的波峰波谷數(shù)值之差繪制成曲線如圖10.其中：

ΔHp(y)=Hp(y)c-Hp(y)t

(2)

Hp(y)c為波峰處磁記憶信號數(shù)值；Hp(y)t為波谷處磁記憶信號數(shù)值.

不管是9點處波峰波谷差值曲線還是21點處波峰波谷差值曲線，都呈現(xiàn)很好的增長趨勢，只有21點處的波峰波谷差值曲線在9 kN時出現(xiàn)下降，但下降量很小，兩條曲線均可分為三段，9點處的峰值差值曲線表現(xiàn)出很好的線性，可看成是三段折線組成，分界點為3點和6點，對應(yīng)荷載為5 kN和8 kN，21點處的峰值差值曲線雖沒有很好的線性規(guī)律，但各段分界明顯，也可近似看做三段折線組成，分界點為4點和8點，對應(yīng)荷載為6 kN和8 kN.觀察發(fā)現(xiàn)拉斷后21點處出現(xiàn)徑縮現(xiàn)象，應(yīng)變突然增大，而9點處變化不大，應(yīng)變的急劇增加，會進一步加劇構(gòu)件內(nèi)部缺陷的發(fā)展，晶格排列進一步錯亂，位錯加劇，這也會導(dǎo)致磁場的不規(guī)律變化，因此9點處的峰值差值曲線與21點處的峰值差值曲線會出現(xiàn)一定差異.

圖10 9點兩端對應(yīng)波峰波谷差值曲線Fig.10 Difference curve of peaks and valleys corresponding the both ends at 9 point

圖11 21點兩端對應(yīng)波峰波谷差值曲線Fig.11 Difference curve of peaks and valleys corresponding the both ends at 21 point

波峰波谷的差值曲線的三個階段可作為反應(yīng)磁記憶信號發(fā)展的三個階段，根據(jù)實際需要可將三個階段的分界點作為控制點，若對試件的強度儲備要求高，可以將第一段和第二段的分界點作為一個預(yù)警值，若對試件的強度儲備要求不高者可將第二段和第三段的分界點作為預(yù)警點，這樣不僅可以對應(yīng)某一荷載的應(yīng)力應(yīng)變狀況，還可以作為從零載到破壞整個加載階段的過程控制曲線.

因此磁記憶信號波峰波谷差值曲線可作為一種全過程的判別手段.

5 結(jié)論

(1)磁記憶信號曲線隨著荷載的增加，在缺陷處兩端出現(xiàn)波峰波谷現(xiàn)象，拉斷后在斷點處出現(xiàn)波峰波谷，同時磁記憶信號曲線在缺陷處出現(xiàn)非線性平臺，當(dāng)荷載增加至8 kN時，非線性平臺消失.

(2)隨著荷載的增加波峰波谷的數(shù)值之差為遞增狀態(tài)，但在缺陷處沒有出現(xiàn)過零點現(xiàn)象，只有拉斷后才在斷點處出現(xiàn)過零點，因此過零點現(xiàn)象僅僅適用于破壞后的試件判別，很難作為整個受力過程的判別技術(shù).

(3)可將波峰波谷差值曲線作為磁記憶檢測技術(shù)應(yīng)用于鋼絲的判別手段，波峰波谷差值曲線可作為反應(yīng)試件受力全過程的判別曲線.

(4)缺陷處不同部位的應(yīng)力差距可通過磁記憶信號曲線的峰峰值做出反映.應(yīng)力與磁記憶信號存在對應(yīng)關(guān)系.

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