曾壽金,周金良,吳啟銳,葉建華

(福建工程學院機械與汽車工程學院,福建 福州 350118)

1 引 言

激光熔覆技術通過高能激光束加熱熔覆材料和基體表面,使兩者之間形成良好的冶金結合,從而達到修復金屬表面并顯著改善基體表面耐磨、耐蝕性能的目的,被廣泛應用在機械、汽車、航空等不同領域的零部件再制造工藝中[1-4]。但目前激光熔覆技術的研究主要集中在有關激光熔覆工藝參數(shù)影響[5-7]、熔覆層幾何形貌與性能控制[8-10]、缺陷表征與數(shù)值模擬[11-12]等方面,對于激光熔覆成型過程因快速熔化、快速冷卻而導致的殘余應力關注較少,更少研究熔覆后復合材料零件在后續(xù)疲勞服役過程因應力存在導致的安全服役問題。為確保激光熔覆再制造件的質量和性能滿足服役要求,需要對其進行應力檢測與質量評定以獲取足夠的預警信息,使危險構件在疲勞壽命前期即被修復或替換,既能確保構件的安全服役,同時避免資源的大量浪費。

金屬磁記憶檢測技術是一種新興的鐵磁性構件應力集中區(qū)快速無損檢測方法[13],能夠利用微觀缺陷或早期損傷位置呈現(xiàn)漏磁場法向分量Hp(y)過零、切向分量Hp(x)出現(xiàn)極值的信號特征[14],對金屬早期隱性損傷做出診斷與評價,因而受到工程界和學術界的極大關注[15-16]。在再制造實踐中,疲勞斷裂是承載構件最重要的失效形式之一,圍繞疲勞失效過程的構件磁記憶信號規(guī)律已經(jīng)成為磁記憶檢測的研究熱點之一[17-18]。盡管金屬磁記憶檢測技術在疲勞工況下的工程運用取得了顯著成果,但目前所做的研究主要面向單一材質的構件磁記憶信號規(guī)律與定量表征方法,對于激光熔覆后基體加熔覆層復合材料疲勞過程的磁記憶信號規(guī)律研究較少。由于熔覆工藝過程激光引起的不均勻溫度分布會引起不均勻相變,造成材料產(chǎn)生殘余應力,繼而影響熔覆構件的服役安全,因此可以嘗試利用金屬磁記憶檢測技術監(jiān)測熔覆構件疲勞過程的應力變化,從而建立磁記憶信號與疲勞損傷位置、疲勞周次之間的關系模型,實現(xiàn)用磁記憶信號定量表征激光熔覆構件的疲勞損傷程度。

本文檢測了40 Cr基體材料熔覆Ni基合金粉末的試件疲勞過程磁記憶信號,采用漏磁場法向分量Hp(y)、切向分量Hp(x)、法向分量梯度偏離程度R等參數(shù)作為磁記憶檢測的特征參量,研究熔覆試件不同疲勞階段磁記憶信號隨著疲勞周次N的變化規(guī)律,找出利用磁記憶信號特征參量表征疲勞損傷程度的評價判據(jù),確定試件臨界斷裂的安全閾值,并基于磁彈性效應分析了熔覆試件疲勞過程應力評價的磁記憶檢測機理。

2 試驗試件及方法

2.1 試驗試件

激光熔覆試件選用的基體材料為40 Cr,熔覆層材料為Ni基合金粉末。在熔覆之前,先在40 Cr板材中心加工一道寬2 mm、深1 mm 的V型槽,然后采用同軸送粉的方式在V型槽位置進行激光熔覆。40 Cr具有良好的綜合力學性能,良好的低溫沖擊韌性和較低的缺口敏感性,Ni 60具有良好的韌性、耐熱性、抗氧化性,可以提高熔覆層的抗裂性能。根據(jù)前期實驗結果,本次熔覆試驗選用的最佳工藝參數(shù)為:激光功率1 kW、掃描速度8 mm/s、保護氣流量900 L/h,選用氬氣作為保護氣體和送粉氣體。試件熔覆后在空氣中冷卻,將凸起的熔覆層磨削至標準尺寸和精度,再將板材線切割成試驗所需的標準樣件。試件尺寸及形狀如圖1所示,試件厚度4 mm,在試件中間區(qū)域沿試件長度方向標記1～5條長為44 mm的平行檢測線,檢測線間距為5 mm。拉伸試驗測得的熔覆前后試驗材料力學性能如表1所示。

圖1 試件形狀及尺寸

表1 試驗材料力學性能

2.2 試驗方法

在SDS100型電液伺服疲勞試驗機上對熔覆試件進行疲勞試驗,采用正弦波負荷控制方式循環(huán)加載,最大應力設置為35.7 kN(約為0.75個應力水平)、應力比R=0.1、加載頻率f=10 Hz。加載至指定的循環(huán)周次后停止實驗取下試件,依照相同的檢測方向與位置放置試件,使用俄羅斯動力診斷公司開發(fā)的TSC-2M-8應力集中磁檢測儀離線采集5條檢測線上的表面磁記憶信號,檢測步距2 mm,提離高2 mm。為減少其他不確定因素對磁記憶信號的干擾,在磁記憶檢測前采用PTC4540退磁機對試件進行交流感應消磁處理,以凈化初始磁記憶信號。

3 試驗結果及分析

3.1 不同疲勞周次磁記憶信號特征

通過試驗,可以觀察到試件外觀發(fā)生的變化。試驗結果顯示,試件在拉-拉疲勞過程中,由于熔覆基體材料40Cr為脆性材料,延展性差,隨著疲勞周次的增加,平板試件宏觀上不發(fā)生明顯的塑形變形,直至接近斷裂時出現(xiàn)裂紋和縮頸現(xiàn)象。隨著疲勞周次的增加,熔覆試件在循環(huán)到2.45萬周次時熔覆層處出現(xiàn)肉眼可見裂紋,試件背面出現(xiàn)縮頸紋,當循環(huán)到25822周次時,熔覆試件斷裂。疲勞試驗過程試件出現(xiàn)可見裂紋和斷裂兩個典型階段的尺寸變化數(shù)據(jù)記錄如表2所示。

表2 熔覆試件疲勞試驗數(shù)據(jù)記錄表

利用應力集中磁檢測儀監(jiān)測疲勞過程信號的變化,疲勞加載前試件5條檢測線漏磁信號曲線如圖2所示。在試件中間熔覆位置附近漏磁信號出現(xiàn)波動,其水平分量Hp(x)出現(xiàn)極值,法向分量Hp(y)出現(xiàn)唯一過零點且具有較大的梯度值。依據(jù)磁記憶檢測原理可知,該區(qū)域對應出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。

圖2 熔覆試件疲勞加載前磁記憶信號分布

疲勞過程中,由于5條檢測線的磁記憶信號大小及變化規(guī)律基本保持一致,現(xiàn)取中間位置3#檢測線不同階段的磁記憶信號進行分析。疲勞循環(huán)過程中3#檢測線的磁記憶信號變化曲線如圖3所示,隨著循環(huán)周次的增加磁記憶信號變化呈現(xiàn)不同的規(guī)律,依據(jù)不同規(guī)律特征將疲勞過程分為初期發(fā)展、中期平穩(wěn)、后期突變、瞬斷劇變等四個階段。

初期發(fā)展階段(1～6.5 k周次):磁漏信號切向分量Hp(x)具有極值,信號曲線呈現(xiàn)淺“V”分布,幅值較小；隨著疲勞周次的增加,切向磁漏信號Hp(x)數(shù)值變化較大且呈現(xiàn)顯著的整體下降趨勢,下降速度較快；磁漏信號法向分量Hp(y)在試件中間應力集中部位存在過零點,且隨著疲勞周次增加,Hp(y)曲線圍繞中心部位發(fā)生順時針旋轉變化,且曲線的斜率逐漸的降低,法向分量與疲勞周次呈現(xiàn)出較為顯著的線性相關。

中期平穩(wěn)階段(6.5 k～20 k周次):磁漏信號切向分量Hp(x)仍然呈現(xiàn)淺“V”分布,隨著疲勞周次的增加,Hp(x)淺“V”曲線的幅值略有增加,曲線整體變化不大；磁漏信號法向分量Hp(y)繞中心旋轉角度變化量也非常微小。此時磁曲線的切向、法向信號變化都變得更加的微弱,疲勞周次累積對信號曲線分布特征影響減弱；這個階段僅從曲線分布特征上已經(jīng)很難分析出疲勞周次對磁信號的影響規(guī)律。

后期突變階段(20 k～24.5 k周次):熔覆部位切向和法向磁記憶信號變化幅度增大,出現(xiàn)突變現(xiàn)象。隨著疲勞周次的增加,磁漏信號出現(xiàn)突變跳躍。切向分量Hp(x)呈現(xiàn)顯著的整體下降趨勢,淺“V”曲線特征轉變成深“V”特征,且“V”形深度加深越來越顯著；法向分量Hp(y)曲線圍繞中心部位發(fā)生順時針旋轉變化規(guī)律也變得顯著。此階段裂紋開始萌生并逐漸擴展直至試件斷裂。

圖3 熔覆試件疲勞過程3#檢測線磁記憶信號分布

瞬斷劇變階段:熔覆試件在疲勞加載至25822周次時發(fā)生斷裂,斷裂后斷口部位磁漏信號發(fā)生突變,斷口的兩側磁極出現(xiàn)發(fā)轉。斷口切向磁漏信號Hp(x)數(shù)值由正轉負,出現(xiàn)負向極大值,法向分量Hp(y)斷口位置過零呈現(xiàn)清晰異變峰信號。為了更清晰的看出瞬斷時試件熔覆區(qū)域附近信號的變化規(guī)律,在3#檢測線二維信號曲線的基礎上增加檢測線偏離距離維度Z,做出瞬斷時5條檢測線的三維信號曲線如圖4所示。

圖4 熔覆試件斷裂后磁記憶信號三維分布

通過三維圖可以更清晰地看出,5條檢測線出現(xiàn)了同樣的規(guī)律,試件中間瞬斷部位磁記憶異變峰非常明顯,切向信號出現(xiàn)極值和法向過零現(xiàn)象,距離熔覆區(qū)位置越遠,信號特征越不明顯。

3.2 疲勞損傷定量評估

進一步研究熔覆試件的表面磁漏信號Hp(y)隨疲勞循環(huán)周次N的變化規(guī)律,在初期發(fā)展階段(1～6.5 k疲勞周次),法向漏磁信號的變化與循環(huán)加載周次之間存在明顯的線性關系,并且這種線性的斜率k與疲勞周次密切相關?，F(xiàn)取中間位置的3# 檢測線,選取離熔覆位置較近區(qū)域的位移(12～32 mm,該處為應力集中區(qū)域)各循環(huán)周次的法向漏磁信號強度曲線進行線性擬合,如圖5所示。

在相同疲勞載荷作用下,激光熔覆試件的磁記憶法向信號與加載循環(huán)周次之間的數(shù)學關系式為:

HP(y)=kx+A

(1)

式中,Hp(y)為法向磁漏信號的磁場強度；x為測量位移；k為擬合直線的斜率；A為常數(shù)。

可以得到不同疲勞周次法向漏磁信號擬合直線斜率k值,如表3所示；擬合直線斜率k與疲勞周次關系曲線如圖6所示。

圖5 熔覆試件法向信號線性擬合曲線

圖6 參數(shù)k與疲勞周次N關系曲線圖

從表3和圖6可以發(fā)現(xiàn),平板試件疲勞過程的法向漏磁信號Hp(y)曲線經(jīng)擬合得到的斜率k值,在初期發(fā)展階段,k值隨循環(huán)次數(shù)增加顯著下降,且直線的擬合優(yōu)度R2數(shù)值大小接近1,擬合程度較佳；在中期平穩(wěn)階段,k值趨于穩(wěn)定且隨循環(huán)次數(shù)增加緩慢降低,擬合優(yōu)度隨循環(huán)次數(shù)增加越來越偏離1,回歸直線的擬合程度越差,因此中期平穩(wěn)階段之后,不再適合將k值作為試件損傷情況的判定依據(jù)。

表3 法向漏磁信號擬合曲線斜率k值

為進一步研究試件表面磁信號法向分量隨外加載荷的變化規(guī)律,對各循環(huán)周次的磁場強度曲線進行一階求導,圖7為熔覆試件的3#檢測線的漏磁信號梯度曲線。

圖7 熔覆試件磁漏信號梯度曲線

記磁記憶切向、法向分量梯度值分別kx、ky如下:

kx=|d[Hp(x)]/dx|

(2)

ky=|d[Hp(y)]/dx|

(3)

由圖7可以看出,不同疲勞周次磁信號切向分量梯度kx曲線為類似正弦函數(shù)曲線,法向分量梯度ky曲線為類似余弦函數(shù)曲線,且余弦函數(shù)曲線的頻率為正弦函數(shù)曲線的頻率的2倍。隨著疲勞周次的繼續(xù)增加,切向與法向的漏磁信號梯度曲線的幅值越來越大,且均在斷裂時出現(xiàn)突增。為定量評估平板試件在各疲勞周次作用下的疲勞損傷程度,需對磁記憶信號的法向漏磁信號梯度作進一步處理。可以用kave表示所有位置法向漏磁信號梯度的平均值:

(4)

式中，X0和Xn分別對應檢測線上的起始點和終點;Hp(y)i是檢測線上第i點Xi所對應的磁記憶信號法向分量值。

用Km表示熔覆區(qū)域法向漏磁信號梯度突變峰值,將Kj作為法向漏磁信號梯度的平均值Kave和法向漏磁信號梯度突變峰值Km的差值:

Kj=Kave-Km

(5)

為表征法向漏磁信號梯度偏離程度,可以將R作為差值Kj和法向漏磁信號梯度的平均值Kave的比值的絕對值:

R=|Kj/Kave|

(6)

根據(jù)式(4)、(5)和(6)對3#檢測線上的法向漏磁信號梯度數(shù)據(jù)進行處理,得到表4。

表4 各疲勞周次法向漏磁信號梯度偏離程度R

圖8 疲勞耦合損傷R-疲勞周次N變化規(guī)律

由圖8疲勞耦合損傷R隨疲勞次數(shù)的變化規(guī)律可得,試件在初期發(fā)展階段(1～6.5 k),隨著疲勞周次的增加,熔覆試件的法向漏磁信號梯度偏離程度R值緩慢平穩(wěn)增加,R值在0.56～0.83之間變化,數(shù)值非常接近且均小余1,該階段壽命占全生命周期的比例接近25.17 %,此時熔覆試件輕度損傷,可以繼續(xù)安全使用。

試件在中期平穩(wěn)階段(6.5 k～20 k次),隨著疲勞周次的增加,熔覆試件的法向漏磁信號梯度偏離程度R值保持平穩(wěn)增加,R值最高達到2.82,該階段壽命占比約為77.45 %,此時熔覆試件中度損傷,可以繼續(xù)使用,需要定期安全檢測。

在后期磁記憶信號突變階段(20 k～24.5 k次),隨著疲勞周次的增加,向漏磁信號梯度偏離程度R值迅速陡增,R值高達到9.40,此階段的壽命占比約為5.11 %,處于臨界斷裂狀態(tài),此時熔覆試件損傷嚴重,繼續(xù)使用可能造成安全事故,應及時干預,確保其安全服役。

在斷裂時磁信號急劇異變階段,磁信號梯度偏離程度R值急劇突增到最大值,試件發(fā)生斷裂失效。

由此可見,法向漏磁信號梯度偏離程度R值,可以很好地表征熔覆試件疲勞損傷變化狀況。根據(jù)實際檢測結果,擬將熔覆試件的損傷程度劃分為3個等級,分別為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級,其閾值分別為0.83、2.82和9.40,如表5所示。

3.3 應力磁記憶評價機理

鐵磁學研究表明,當彈性應力作用于鐵磁性材料時,鐵磁體不當會產(chǎn)生彈性應變,還會產(chǎn)生磁致伸縮性質的應變,從而引起磁疇壁位移,改變其自發(fā)的磁化方向,我們稱之為磁彈性效應。處于地磁場環(huán)境下的鐵磁材料在受到外力作用時,磁晶體的內(nèi)部總能量Et可以表達為[19]:

表5 熔覆試件磁記憶綜合質量評級

Et=Eel+Eme+Ek+Eb+Eσ

(7)

其中,Eel為彈性能;Eme為磁彈性能;Ek為磁晶各向異性能;Eb為退磁能;Eσ為外力引起的應力能。

在裂紋萌生過程中,熔覆試件疲勞載荷作用過程中,彈性能Eel,磁彈性能Eme,以及磁晶各向異性能Ek都會有所增加,所以為使系統(tǒng)總能量趨于平衡,應力能Eσ要減小,應力能Eσ表達式為:

(8)

式中,λs為飽和磁致伸縮系數(shù);θ為應力與磁化方向之間的夾角,當θ=0或θ=π時Eσ最小。應力集中處原本雜亂無序的磁矩會向磁化方向偏轉,如式(8)所示,使得此處發(fā)生有序磁化,導致此處的磁信號增強。同時,退磁能Eb也會增大,這表明材料內(nèi)部磁矩產(chǎn)生的附加磁場會增強。因此磁荷密度會提高,微觀上就會表現(xiàn)為應力集中處的磁荷會產(chǎn)生堆積,散射磁信號增強。在裂紋萌生的整個階段,隨著損傷不斷累積,磁信號不斷增強。

損傷不斷累積過程中,磁信號并非以均勻的速度增強,這與塑性變形區(qū)應力應變的發(fā)展速度不同有關。應力應變直接影響磁導率,從而使得應力集中處磁荷累積的速度產(chǎn)生變化。根據(jù)能量守恒定律可得相對磁導率μ的表達式為[20]:

(9)

式中,λs為飽和磁致伸縮系數(shù);Bm為飽和磁感應強度;μ0為真空磁導率;μ1為初始磁導率。對于同一鐵磁試件,可以把它們看作是定值。可以從表達式看出,相對磁導率隨著應力的增加減小。

為明確磁記憶信號Hp(y)與機械應力的變化量Δσ之間的對應關系,戴光等人根據(jù)居里定律和狀態(tài)方程推導出下列方程式[21]:

(10)

式中,λH為磁彈性效應不可逆分量;μ0為真空磁導率,μ0=4π×10-7H/m。λH它是一個取決于機械應力、外加磁場強度和溫度的函數(shù)。

初始疲勞階段,由于熔覆區(qū)域存在熱不均勻和缺陷等因素,導致位錯密度快速增加,局部塑性應變和應力集中累積很快,此時磁導率會迅速減小,因此磁荷累積速率比較高。在Hp(y)曲線上可以看出最初階段的曲線較陡峭,說明磁信號隨循環(huán)次數(shù)的增加也發(fā)生顯著的變化。

中期階段,隨著疲勞加載的次數(shù)增加,試件內(nèi)部應力集中重新分布并趨于穩(wěn)定,磁信號的變化幅度減弱或者基本保持不變。由式(9)可以看此時磁導率μ的變化就會趨于平緩。從位錯積累的角度看,疲勞中期熔覆區(qū)域的位錯結構趨于穩(wěn)定,且接近飽和狀態(tài),所以位錯發(fā)展速率就會比損傷初期降低很多。因此在這一階段,可從Hp(y)曲線上看出磁信號隨疲勞循環(huán)次數(shù)的增加,相應的磁信號變化不會很明顯。

疲勞后期階段,由于疲勞損傷的不斷累積,高密度的滑移帶和位錯會不斷進行聚合,這時熔覆部位局部塑性區(qū)在進入裂紋萌生后期時不斷擴大的表現(xiàn)。此時疲勞損傷區(qū)的磁導率又進入一個快速下降的階段,磁荷累積速率再一次上升,Hp(y)曲線的變化速率又會逐漸變大,磁記憶信號出現(xiàn)突變。隨著循環(huán)次數(shù)的進一步增加,已經(jīng)擴展的高密度位錯區(qū)會進一步積累能量,直至達到損傷區(qū)能量的極限狀態(tài)而發(fā)展為宏觀裂紋,此時占疲勞壽命絕大部分的裂紋萌生階段結束。

在瞬斷前期,熔覆部位裂紋不斷擴展,裂紋間距變得越寬,磁導率越低,堆積的磁荷就越多,瞬斷之后磁荷分布會發(fā)生變化,最新斷裂處的磁荷堆積最多。這是因為裂紋構件即將斷裂時,其內(nèi)部應力能遠大于退磁能、磁彈性能、彈性能和各向異性能。瞬斷后,應力能Eσ會立即釋放,同時彈性能Eel和磁彈性能Eme都有一定程度的降低,如式(7)所示。根據(jù)熱力學平衡原理,此時退磁能Eb要迅速增大,以使系統(tǒng)能量趨于穩(wěn)定,此時退磁能會立即占到主導地位,也即總能量由斷口兩側磁荷產(chǎn)生的能量為主。所以瞬斷區(qū)會很快積累大量磁荷,試件一旦開裂,瞬斷區(qū)域的晶格被撕裂,軸向應力釋放的瞬間,兩個裂紋面將發(fā)射強烈的磁記憶信號,最終形成疲勞斷口的急劇異變的磁記憶信號分布特征。磁荷隨著疲勞裂紋萌生、擴展和失穩(wěn)斷裂的堆積過程如圖9所示[22]。

圖9 疲勞裂紋擴展及斷裂發(fā)射異變磁記憶信號物理模型

4 結 論

(1)激光熔覆試件磁漏信號法向分量Hp(y)在中間應力集中部位存在過零點,且隨著疲勞周次的增加,曲線以過零點為中心發(fā)生順時針旋轉變化；水平分量Hp(x)具有極值,呈現(xiàn)“V”分布,隨著疲勞周次的增加,切向磁漏信號呈現(xiàn)顯著的整體下降趨勢。

(2)疲勞損傷逐漸累積的過程中,磁記憶信號變化存在初期顯著、中期平穩(wěn)、后期突變、斷裂劇變的階段特征,通過引入損傷參量R建立損傷參量模型,可以對隱形損傷臨界狀態(tài)進行定量評估。

(3)疲勞過程中R值越大,說明該試件的法向漏磁信號梯度突變峰值偏離其法向漏磁信號梯度的平均值的程度越大,則疲勞損傷程度越嚴重；且將R=2.82、R=9.4作為熔覆試件的安全閾值,當R值介于2.82與9.4之間,需定期進行安全檢測；R值達到9.4的閾值時,試件即將出現(xiàn)裂紋和縮頸現(xiàn)象,應在熔覆試件失效前及時進行替換,確保其安全服役。

(4)從磁彈性效應的角度闡述了熔覆試件裂紋萌生過程磁信號的變化機理,退磁能增加、應力能減小,應力集中處的磁荷會產(chǎn)生堆積,散射磁信號會不斷增強。且損傷不斷累積過程中,磁信號并非以均勻的速度增強；

(5)磁荷的堆積與磁導率的變化密切相關,應力越大磁導率越低,磁導率越低越容易堆積磁荷,磁漏信號也就越強；根據(jù)能量守恒定律推導可得疲勞壽命初期磁導率會迅速減小,中期變化就會趨于平緩,后期疲勞損傷區(qū)的磁導率又進入一個快速下降的階段；所以磁記憶信號曲線宏觀表現(xiàn)出最初階段的曲線變化較陡峭、中期變化較平緩、后期磁曲線的變化速率又會逐漸變大,瞬斷時磁記憶信號出現(xiàn)劇變。