基于建筑钢结构拉伸试验磁记忆检测研究*
基于建筑钢结构拉伸试验磁记忆检测研究* 基于建筑钢结构拉伸试验磁记忆检测研究*
曾发荣 王 威 易术春 刘 静 樊 浩 杨为胜
(西安建筑科技大学土木工程学院， 西安 710055)
摘 要：金属磁记忆检测技术是无损检测领域的新技术。采用建筑钢结构用钢Q345制作拉伸试样进行在线检测和离线检测，分析构件在不同变形阶段、不同缺口时的漏磁场信号变化规律。研究表明：根据漏磁场信号在检测线上的曲线形状可判断试样弹塑性状态；沿检测线对称反向测量，可确定颈缩区范围及断裂位置；漏磁场信号在加载方向上存在磁化反转现象，并提出磁荷梯度的概念。
关键词：建筑钢结构； 磁记忆检测； 颈缩阶段； 弹塑性阶段
建筑钢结构构件中存在大量的切口、孔洞、凹槽等不完整截面使结构或构件处于应力集中状态。而应力集中区处于三向应力状态，使构件塑性变形的发展受到很大约束，易发生脆性破坏[1]。因此，梁柱等主要受力构件的截面变化处是结构发生脆性破坏的潜在部位，需监测其应力状态以保证结构的安全性和可靠性。
传统的无损检测方法只能检测已经发展成型的缺陷，而不能发现和预测将要发生的缺陷或在役金属设备及构件的早期损伤，特别是尚未成型的隐性不连续变化难以实施有效的评价[2]。金属磁记忆检测技术是20世纪90年代末发展起来的一种新型无损检测手段，该方法基于弱磁作用，可用于材料的早期诊断[3-4]。基本工作原理可定性地描述为[5]：铁磁材料在载荷和地磁场共同作用下，在应力集中处形成局部磁畴的不可逆变化进而导致材料在应力集中区形成表面漏磁场，可通过检测漏磁场信号确定构件的应力集中和损伤部位。
由于磁记忆检测设备简单轻便，可重复性好，能快速判断结构或设备的缺陷位置，因此有必要研究磁记忆检测技术在钢结构检测中的试验及理论依据，以期在工程中得到应用。本课题组已对其机理做了一些研究[6],因此本文对建筑钢结构构件Q345钢试件做拉伸试验，进行在线检测和离线检测，给出漏磁场信号在检测线上的HP-X曲线图、力 - 磁曲线图，分析构件在不同变形阶段及颈缩阶段不同缺口的漏磁场信号变化规律，提出磁荷梯度的概念。
1 试验材料及方法
试验材料选用Q345钢，其化学成分为：m(C)≤0.18%，m(Mn)=(1.00～1.60)%，m(Si)≤0.55%, m(P)≤0.030%，m(V)=(0.02～0.15)%, m(S)≤0.03%,m(Nb)=(0.015～0.060)%，m(Ti)=(0.02～0.20)%, m(Al)≥0.015%。
力学性能为：抗拉强度ft=470～630 MPa，屈服强度fy=345 MPa，伸长率为22%。试件取样按国家标准GB/T 2975-2008《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》,加工厚度为9 mm的平板试样，在试件表面加工一系列不同形状的人工预制切口，在垂直切口等间距布置检测线，扫描长度为100 mm，试件的形状尺寸如图1所示。
注：1,2为测点号。
图1 试件尺寸
试件选用2个相同尺寸的U形缺口和2个相同尺寸的V形缺口钢构件；U形缺口试件(A1,A2)在线测，V形缺口试件(B1,B2)离线检测。采用WE-30型万能材料拉伸机进行静载拉伸试验，JY-1建材试验机智能数据采集仪判断试件的变形阶段。采用WT10B高斯计测量试件表面的漏磁场信号，其测量精度为0.01 mT(mT为高斯计的单位)。建筑钢结构构件的缺口和孔洞等一般是对称分布的，因此采用对称反向路线检测更易符合工程要求。在线检测时，试件夹持在试验机的上下夹头之中，当施加的拉伸荷载达到40 kN时，保载30 s，然后卸载，保持试件不动；1号线从下往上测量，2号线从上往下测量；离线检测时，保载30 s，卸载取下试件，沿南北方向放置在非磁性的工作平台上，1号线从左往右测量，2号线从右往左测量。检测结束后，试件夹于试验机上重新加载至更高载荷(80,90,100,110 kN)，重复上述步骤直至试件断裂。
2 试验结果及分析
2.1 试件在检测线上的漏磁场信号分布
图2给出在单向拉伸加载状态下沿对称反向路线检测的试件A1在不同变形阶段漏磁场信号的检测结果。初始阶段，漏磁场信号不在零点处，整体曲线沿检测线上下波动； 弹性阶段， 拉伸荷载F= 40 kN时，漏磁场信号呈线性变化；F=80 kN时，在U形槽区域呈非线性变化；塑性阶段，漏磁场信号沿检测线上下波动并在U形槽区域出现小幅的峰 - 峰值变化；颈缩阶段，在断裂部位出现幅值激增的峰 - 峰值变化且出现正负反向变化现象。可看出，在变形的四个阶段，漏磁场信号在两条检测线上呈相反的变化趋势。
图2 试件在检测线上的漏磁场信号分布曲线
初始阶段,由于宏观的几何形状引起磁场畸变，未进行消磁处理及试验机对试件的影响，表现为漏磁场强度不在零点处。弹性阶段，由有效场理论可知[7]：应力使畸变信号减弱，最终向非磁滞状态逼近，所以随着载荷的增加畸变幅度逐渐减小，直到接近于斜直线分布。F=80 kN时，虽然试件处于弹性阶段，但是U形区域已经进入局部塑性阶段，故呈局部非线性变化；塑性阶段，塑性变形材料的磁导率改变且在局部塑性区会形成退磁场[8],导致漏磁场信号在U形槽区域内呈非线性变化;颈缩阶段，U形槽位置形成了空气层，构件的磁导率发生极大的变化并在凹槽部位形成局部退磁场，使试件在断裂位置两侧发生堆积，导致大量漏磁场溢于试件表面，表现为漏磁场信号幅值急剧增加且出现峰 - 峰值急剧增大。
2.2 颈缩阶段试件在检测线上的漏磁场分布
图3给出了在线检测时U形缺口试件和离线检测时V形缺口试件在颈缩阶段的漏磁场强度分布。
图3 颈缩阶段试件在检测线上的漏磁场分布
从图3可以看出：不管是在线检测还是离线检测，漏磁场信号都过零点且有峰 - 峰值。同时也可发现：试件的断裂属于层状撕裂，同一试件在同一条件下断裂，也会有不同形状的断面，但漏磁场信号过零点位置只能指出一条平断面，因而无法精确确定断裂范围。对称等同缺口的试件采用对称反向路线测量，可有效检测出试件的颈缩区范围及断裂位置。例如试件A1，检测线1过零点的位置为X=42 mm，检测线2过零点的位置为X=59 mm，而在X=40～60 mm的区域是颈缩区；两条检测线在颈缩区的交点为X=50 mm，正是试件断裂位置。离线检测时也都有相同的效果。因此，针对建筑钢结构构件缺口等易发生应力集中的部位一般是对称布置的特点，故可采用对称路径，沿相反方向测量，通过过零点判断构件的颈缩区域大小，由两测量线在颈缩区交点判断颈缩区断裂位置，为后期钢板补强等加固措施提供一定的依据。
2.3 载荷与漏磁信号的力 - 磁曲线图及分析
图4给出了试件A1在两条检测线断口两侧1号点和2号点的漏磁场信号随载荷变化的关系。载荷从初始状态加载到80 kN时，两条检测线上的1号点基本呈线性增大，2号点基本呈线性减小；载荷从80 kN加载到90 kN时，1号点呈增大趋势，2号点呈减小趋势；载荷从90 kN加载至110 kN时，检测点呈逐渐增大趋势且基本在F=100 kN处过零点；载荷大于110 kN时，漏磁场信号急剧增大，远离零点，呈分叉式分布。
图4 磁 - 力曲线
在U形槽部位的局部应力已经达到屈服强度，试样发生塑性变形，卸载后，材料不能完全恢复到初始状态，产生了不可恢复的塑性变形。再次加载，由于塑性变形会继续累加，导致材料的应变减小，屈服强度增大，宏观上表现为材料硬化。材料硬化是金属晶体中位错交互作用的结果，这种交互作用降低了位错的可移动性，阻碍了位错的运动，塑性变形状态和硬化前的状态在磁效应方面的性质大为不同。晶粒内原子的位错滑移塑性变形和材料硬化将产生应力磁化中的反转效应[9]。载荷从90 kN加载到110 kN时，材料中的位错密度不断增大，位错对磁畴的扎钉作用阻碍磁畴的有序化运动[10]，应力诱导产生的磁场强度在屈服应力下达到饱和状态；随着应力的继续增大，塑性变形更加明显，大的塑性变形可能会分割和破坏原有的磁畴组织，使试件磁化强度降低，表面磁场强度降低。另外，拉伸变形后的残余压力对试件表面的漏磁场信号有影响。塑性变形后，试件产生了不可恢复的残余变形，随应力的增加而不断伸长，卸载后，试件内多数晶粒承受残余压应力。在轴向压应力作用下，磁矩取向为与压力垂直的方向，降低了磁性能，最终导致在塑性区漏磁场信号随载荷的增加逐渐较小。载荷大于110 kN时，随着载荷的增加，在U形槽缺口处塑性变形越来越强烈，从微观角度来说[11]：增值的位错通过滑移在晶界集中堆积，形成位错胞甚至亚晶，产生应力集中场，这样滑移-应力集中-多滑移-晶体转动的过程，使每个晶粒几乎发生相同的变形，通过转动后形成纤维组织。随着缺口体积的增加，应力集中程度急剧增大，漏磁场信号急剧增大，呈分叉式分布。
2.4 磁荷梯度GF
从材料力学的角度出发：F=80 kN时，局部塑性变形；F=90 kN，时，试样全部进入塑性变形状态；F=110 kN时，局部进入颈缩阶段。因此笔者提出磁荷梯度的概念，通过磁记忆信号的变化来判断试件硬化后的屈服点。
图5为试件A1在断裂区域内提取随载荷变化的磁荷梯度曲线。定义磁荷梯度的计算公式为：
GF=(Hpi-Hpi-1)/(Fi-Fi-1)
(1)
式中：GF为磁荷梯度，mT/kN，表示漏磁场信号随载荷变化的快慢程度;；Hpi，Hpi-1分别为同一检测点不同加载阶段的漏磁场信号，mT; Fi、Fi-1为加载载荷,kN。
从图5可以看出：弹性阶段及部分塑性阶段，GF为0；全部塑性阶段，GF绝对值呈线性增大；颈缩阶段，GF呈水平线性关系。因此，由于钢结构大部分构件允许一定程度塑性变形，磁荷梯度可以有效判断钢结构构件的塑性变形程度，判断试样硬化后的屈服强度，为检测钢构件允许塑性变形而又不超过承载能力极限状态的特点提供了一种新途径。但是，磁荷梯度是与漏磁场信号和载荷双向相关的参量，需要大量的试验确定不同材性试件的力 - 磁关系。
图5 磁荷梯度 - 力曲线
3 结 论
1)针对建筑钢结构构件缺口应力集中区对称
布置的特点，采用磁记忆检测技术，对构件进行检测线对称反向测量，可有效得出颈缩区范围及断裂位置。
2)漏磁场信号在检测线上的曲线形状可判断构件弹塑性状态。力 - 磁曲线存在磁化反转现象，可有效判断试样的弹塑性。
3)磁荷梯度可以有效判断钢结构构件硬化后的屈服强度，为检测钢构件允许出现塑性变形而又不能超过承载能力极限状态的特点提供了一种新途径。
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·会 讯·
“第十五届全国现代结构工程学术研讨会”将于2015年7月24-27日在河南省开封市召开。本次会议以现代场馆多样性结构形式、公共与民用房屋建设为重点，继续深入研讨开创性、前瞻性、高科技的建筑钢结构技术，并进行中青年论文评奖活动。
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会议论文截稿日期为2015年5月10日，但请拟参加《天津大学学报》增刊论文发表评选的作者于2015年3月10日前提交论文，并特别注明。投稿邮箱(E-mail)：[email protected]。
联系人电话：刘锡良(022-27810911)
STUDY OF MAGNETIC MEMORY TESTING BASED ON TENSILE TEST OF BUILDING STEEL STRUCTURE
Zeng Farong Wang Wei Yi Shuchun Liu Jing Fan Hao Yang Weisheng
ABSTRACT：Metal Magnetic Memory Technology is a new technology in the field of nondestructive testing technology. The tensile specimens were made of Q345 steel which was used commonly for steel structure building. According to on detections line, the change rules of signals from leakage magnetic field of components with different deformation phase and different gaps in necking stage. Research showed that the curve shape of self-magnetization leakage field at the surface can determine the elastic-plastic state of the specimens. and reverse symmetry measurement alongs the detection line can determine the scope of the necking zone and fracture position. The obvious phenomenon of magnetization switch was presented, and the concept of the gradient of magnetic charge was proposed.
KEY WORDS：steel structure building; magnetic memory testing; necking stage; elastic-plastic phase
*国家自然科学基金(51478383);陕西省教育厅自然科学研究项目(12JK0913)。
第一作者：曾发荣，男，1989年出生，硕士研究生。
Email：[email protected]
收稿日期：2014 - 01 - 07
DOI：10.13206/j.gjg201501006
(School of Civil Engineering ,Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)