·566. 工程科学学报，第40卷，第5期 究总结了确定设备和结构产生应力集中区的主要准 测点1测点2 则与方法[2)]，并提出了基于磁机械效应的自有漏磁 场理论：任吉林等根据能量最小原理提出了基于铁 80 180 磁学的能量平衡理论[3]：仲维畅则认为是磁化-退 图1拉伸试件示意图（单位：mm) 磁过程的非对称性产生了剩余磁感应强度[)，但到 Fig.1 Schematic diagram of tensile specimen (unit:mm) 目前各种学说并存而无统一定论.可以确定的是， 磁记忆效应的本质是力-磁耦合作用，其中研究较 为系统、并被广泛认可的则为J-A磁机械效应理论 模型，刘清友等对比分析了目前基于J-A理论采用 不同表达式所建立的塑性变形磁化模型的异同)， Shi和Zheng提出利用磁荷模型来描述应力集中产 生的磁记忆信号特征6].相对于机理探讨，试验是 科学研究的一种重要手段，Dog等通过拉伸试验发 现弹性范围内的磁记忆信号近似为一条斜直线分 图2压缩试件示意图（单位：mm) 布，斜率在屈服极限时达到最大)；Leng等研究了 Fig.2 Schematic diagram of compressive specimen (unit:mm) 弹塑性拉伸变形过程中磁记忆信号的变化规律，发 万能试验机上进行，将俄罗斯动力诊断公司开发的 现在线卸载时的磁记忆信号对塑性变形初始阶段非 TSC-2M-8型应力集中磁检测仪和2M型扫描探头 常敏感]：陈钘等完成了45钢试样的拉伸和压缩试 改进为在线监测系统，可同时测量监测点的磁信号 验，结果表明拉应力对材料磁化强度的影响远大于 法向分量和切向分量 压应力，但在压缩试验中却未消除压头对试样磁场 试验前，对Q235低碳钢试件进行拉伸和压缩 的影响[).另外，Bao等基于拉伸试验探讨了加载 试验，其载荷-变形曲线分别如图3和图4所示 速度对应力致磁场变化的影响，表明磁场幅值随着 加载速度的增加而逐渐减小o;Huang和Qian同时 30 考虑了温度和应力对磁信号的影响，试验发现法向 分量平均值随温度的增加而减小，但随应力的增加 25 而增大，并建立了修正的热-力-磁耦合J-A模型进 三20 行验证). 15 可见，上述成果主要针对的是拉伸试验及机理 10 研究，压缩试验相对较少，且集中于磁信号曲线分布 特征探讨.本文的目的是通过在线记录在不同拉压 应力作用下试件表面的磁信号变化，研究相应的磁 101520253035 位移/m 记忆效应机理，为早期损伤的定量检测与提前预测 图3拉伸载荷-变形曲线 提供理论基础. Fig.3 Tensile load ts.deformation curve 1试验设计 由图3可知，Q235钢在载荷约为21kN时产生 屈服，可知屈服强度约为20MPa.由于重点研究拉 1.1试件 压不同应力在弹性阶段的磁记忆效应，单向拉伸和 试件材料选用Q235低碳钢，其中拉伸试件按 压缩所施加的最大载荷均设为20kN.对于拉伸试 照GB/T228.1一2010《金属材料拉伸试验第1部 验，试验机加载速度设为100N·s1,将2个探头固 分：室温试验方法》加工成中心尺寸为中10mm×80 定在拉伸试件上测点1和测，点2的正前方2mm处 mm的圆棒试件，压缩试件按照GB/T7314-2005 (如图1所示)，保证探头与试件表面垂直：同时利 《金属材料室温压缩试验方法》加工成中10mm×15 用磁记忆在线监测系统实时跟踪记录拉伸过程中测 mm的圆柱体，分别如图1和图2所示. 点的磁信号法向分量H和切向分量H 1.2试验方法 对于压缩试验，由于试验压头由铁磁性材料制 拉伸和压缩试验均在CMT5105微机控制电子 成，而压缩试件较短，且压头直接作用于试件上会产工程科学学报,第 40 卷,第 5 期 究总结了确定设备和结构产生应力集中区的主要准 则与方法[2] ,并提出了基于磁机械效应的自有漏磁 场理论;任吉林等根据能量最小原理提出了基于铁 磁学的能量平衡理论[3] ;仲维畅则认为是磁化鄄鄄 退 磁过程的非对称性产生了剩余磁感应强度[4] ,但到 目前各种学说并存而无统一定论. 可以确定的是, 磁记忆效应的本质是力鄄鄄 磁耦合作用,其中研究较 为系统、并被广泛认可的则为 J鄄鄄A 磁机械效应理论 模型,刘清友等对比分析了目前基于 J鄄鄄A 理论采用 不同表达式所建立的塑性变形磁化模型的异同[5] , Shi 和 Zheng 提出利用磁荷模型来描述应力集中产 生的磁记忆信号特征[6] . 相对于机理探讨,试验是 科学研究的一种重要手段,Dong 等通过拉伸试验发 现弹性范围内的磁记忆信号近似为一条斜直线分 布,斜率在屈服极限时达到最大[7] ;Leng 等研究了 弹塑性拉伸变形过程中磁记忆信号的变化规律,发 现在线卸载时的磁记忆信号对塑性变形初始阶段非 常敏感[8] ;陈钘等完成了 45 钢试样的拉伸和压缩试 验,结果表明拉应力对材料磁化强度的影响远大于 压应力,但在压缩试验中却未消除压头对试样磁场 的影响[9] . 另外,Bao 等基于拉伸试验探讨了加载 速度对应力致磁场变化的影响,表明磁场幅值随着 加载速度的增加而逐渐减小[10] ;Huang 和 Qian 同时 考虑了温度和应力对磁信号的影响,试验发现法向 分量平均值随温度的增加而减小,但随应力的增加 而增大,并建立了修正的热鄄鄄力鄄鄄磁耦合 J鄄鄄A 模型进 行验证[11] . 可见,上述成果主要针对的是拉伸试验及机理 研究,压缩试验相对较少,且集中于磁信号曲线分布 特征探讨. 本文的目的是通过在线记录在不同拉压 应力作用下试件表面的磁信号变化,研究相应的磁 记忆效应机理,为早期损伤的定量检测与提前预测 提供理论基础. 1 试验设计 1郾 1 试件 试件材料选用 Q235 低碳钢,其中拉伸试件按 照 GB / T 228郾 1—2010 《金属材料拉伸试验第 1 部 分:室温试验方法》加工成中心尺寸为 准10 mm 伊 80 mm 的圆棒试件,压缩试件按照 GB / T 7314—2005 《金属材料室温压缩试验方法》加工成 准10 mm 伊 15 mm 的圆柱体,分别如图 1 和图 2 所示. 1郾 2 试验方法 拉伸和压缩试验均在 CMT 5105 微机控制电子 图 1 拉伸试件示意图(单位:mm) Fig. 1 Schematic diagram of tensile specimen (unit: mm) 图 2 压缩试件示意图(单位:mm) Fig. 2 Schematic diagram of compressive specimen (unit: mm) 万能试验机上进行,将俄罗斯动力诊断公司开发的 TSC鄄鄄2M鄄鄄8 型应力集中磁检测仪和 2M 型扫描探头 改进为在线监测系统,可同时测量监测点的磁信号 法向分量和切向分量. 试验前,对 Q235 低碳钢试件进行拉伸和压缩 试验,其载荷鄄鄄变形曲线分别如图 3 和图 4 所示. 图 3 拉伸载荷鄄鄄变形曲线 Fig. 3 Tensile load vs. deformation curve 由图 3 可知,Q235 钢在载荷约为 21 kN 时产生 屈服,可知屈服强度约为 270 MPa. 由于重点研究拉 压不同应力在弹性阶段的磁记忆效应,单向拉伸和 压缩所施加的最大载荷均设为 20 kN. 对于拉伸试 验,试验机加载速度设为 100 N·s - 1 ,将 2 个探头固 定在拉伸试件上测点 1 和测点 2 的正前方 2 mm 处 (如图 1 所示),保证探头与试件表面垂直;同时利 用磁记忆在线监测系统实时跟踪记录拉伸过程中测 点的磁信号法向分量 Hy和切向分量 Hx . 对于压缩试验,由于试验压头由铁磁性材料制 成,而压缩试件较短,且压头直接作用于试件上会产 ·566·