加载前要先测量钢丝零载条件下的磁记忆信号,以评估钢丝绳初始自带磁场的大小及规律.

图4 零载对应磁记忆信号曲线
Fig.4 The curve of magnetic memory signals at 0 kN

图4中纵轴表示磁记忆信号强度,横轴表示沿检测线由一端至另一端的各检测点编号.

从图中可以看出:磁记忆信号曲线呈现先上升后下降的走势,在6点处存在极大值,也就是说在初始阶段磁记忆信号曲线就存在波峰波谷现象,但波峰波谷数值与相邻点的数值相差不大,值得注意的是两处波谷正好位于9点及21点,也就是说在缺陷处磁记忆信号开始就存在极值,但由于缺陷处极值并不具备明显特征,不好与其他极值区分,因此初始阶段用波峰波谷来判断缺陷位置还不具说服力.同时零载阶段磁记忆信号并没有太大幅度的跳跃,这也说明初始阶段钢丝自带磁场稳定,有利于下一步的检测.

进入加载阶段后磁记忆信号曲线在缺陷两端逐渐形成波峰波谷,在缺陷处出现平滑的非线性平台.波峰波谷数差值逐渐增大,位置由最初的远离缺陷到逐渐靠近缺陷处发展.

图5 2 kN、4 kN对应磁记忆信号曲线
Fig.5 The curve of magnetic memory signal at 2 kN,4 kN

由5图可知:在承受荷载后,磁记忆信号曲线波峰波谷现象更加明显,波峰波谷差值进一步增加.在2 kN对应荷载下9点缺陷两端的波峰波谷出现在7和12点之间,21点缺陷两端的波峰波谷出现在18和24点之间; 在4 kN对应荷载下9点缺陷两端的波峰波谷出现在7和13点之间,21点缺陷两端的波峰波谷出现在18和23点之间.具体位置及数值如表1和表2所示.

表1 2 kN对应位置及数值
Tab.1 Corresponding position and value at 2 kN

表2 4 kN对应位置及数值
Tab.2 Corresponding position and value at 4 kN

同时在波峰波谷之间出现平缓的非线性平台,且非线性平台都出现在缺陷位置,如2 kN时对应的非线性平台为8～10点区段以及20～22点区段,4 kN时非线性平台出现在8～11点区段及20～22点区段.缺陷处的应力水平相对于其他部位要高得多,应力的增加会导致磁导率的变化,同时应力导致应变的增加,在局部应变较大的情况下,磁畴偏转会进一步加剧,这就相当于在原有磁场的基础上附加了一个磁场^[13],因此在这个部位磁记忆信号曲线会出现与相邻部位不一样的变化.

随着荷载的进一步增加,波峰波谷数值之差进一步加剧,在9点缺陷处仍然存在非线性段,而缺陷21点处已不是很明显,同时波峰波谷位置发生变化,但总体趋势相差不大(图6),其数值及位置如表3—表5所示.

图6 5 ～7kN对应磁记忆信号曲线
Fig.6 The curve of magnetic memory signal at 5～7 kN

表3 5kN对应位置及数值
Tab.3 Corresponding position and value at 5 kN

表4 6 kN对应位置及数值
Tab.4 Corresponding position and value at 6 kN

表5 7 kN对应位置及数值
Tab.5 Corresponding position and value at 7 kN

从表中可看到:不管是9点两端的波峰波谷之差值还是21点两端的波峰波谷之差值,都呈现单调递增的趋势,而波峰波谷位置距离则没有明显规律.荷载的进一步增加,磁记忆信号曲线规律性更加明显,应力应变的增加导致应力能的增加,进而引发磁弹性能的增加,磁畴的翻转及畴壁的位移加剧,磁化方向趋于稳定.因此3条磁记忆信号曲线走势相同,规律明显.

荷载加至8 kN和9 kN后,波峰波谷间的非线性段消失,缺陷处表现出了良好的线性关系,同时波峰波谷数值之差进一步增大,间距也开始减小,两条曲线走势基本相同尤其是在21点缺陷处,磁记忆信号曲线出现重叠,这说明随着应力的增加磁畴的翻转及磁畴壁的位移已达到饱和(图7).

值得注意的是当荷载达到9 kN后21点左右两点正好为波峰波谷位置,根据下式计算梯度发现20到22三点间的梯度数值最大.分别为61.667×10³ A/m²和44.66×10³ A/m².

K_(i,i-1)=(H_p(y)_i-H_p(y)_i-1)/(ΔL_(i,i-1))(1)

8kN和9kN时波峰波谷位置及数值如表6和表7.

表6 8kN对应位置及数值
Tab.6 Corresponding position and value at 8 kN

表7 9kN对应位置及数值
Tab.7 Corresponding position and value at 9 kN

图7 8kN,9kN对应磁记忆信号曲线
Fig.7 The curve of magnetic memory signal at 8 kN,9kN

试件最后在21点处破坏,表现为突然间的脆性破坏,最终破断拉力为9.18 kN,此时的磁记忆信号只存在一组波峰波谷,即20点和21点,同时在21点处出现过零点现象,峰值的绝对值出现较大幅度的增长,曲线在端口两端平滑(图8).

图8 破坏后磁记忆信号曲线
Fig.8 The curve of magnetic memory signal after failure

磁记忆检测的一般判别理论及标准认为:磁化强度与应力应变存在一定的关系^[15],在应力集中位置,较高的应力水平,会导致内部磁畴的排列以及磁化方向发生变化,这些重新取向的磁畴会使得外部漏磁出现规律性的特征,即法向分量H_p(y)过零点,而切向分量H_p(x)出现极值^[14],从各级荷载的磁记忆信号曲线来看,磁记忆信号基本为负值,只有在最后拉断的磁记忆信号曲线中出现过零点,而由经典的磁偶极子模型也认为在应力集中处法向分量出现过零点.但这也仅是一种理想的判别技术,本次试验采用竖向拉伸即试件方向为竖向放置,与地磁方向垂直,同时试件周围的环境磁场是地磁与其他干扰磁场矢量合成的结果,因此其大小方向很难判断,为减小误差,测量前对仪器进行了归一化处理,这本身就是一种简化处理,而在实际应用中,磁场更为复杂,因此有必要找到一种适用于实际现场的判别手段(图9).

图9 应力分区
Fig.9 Different stress distribution

磁记忆检测技术可看成是一种漏磁检测,但这种检测技术又与被测构件的应力应变有关,应力应变小的部位其磁畴偏转畴壁移动幅度轻微,而在应力应变较大的位置磁畴偏转剧烈,分析钢丝缺陷位置可将缺陷位置处划分为三种应力状态.

Ⅰ区为应力集中区,为应力最大部位,Ⅱ区为偏心受拉部位,Ⅲ区为无应力或应力微小部位,黑点为测量点,因磁记忆信号与应力存在对应关系,而Ⅲ区和Ⅱ区应力存在较大偏差,因此,其磁记忆信号也应存在差距,而从各级荷载的磁记忆信号曲线来看:在荷载很小的时候缺陷处的应力相差不大,但当荷载发展至一定阶段各区应力出现偏差,此时磁记忆信号曲线缺陷处的波峰波谷现象明显,同时缺陷处的磁记忆信号也恰好位于波峰波谷之间,即缺陷处的磁记忆信号与两端波峰波谷的数值之差开始加剧,由于试验钢丝相较于探头较细,因此测量存在一定偏差,但磁记忆信号曲线已经足以反应应力与磁记忆信号存在对应关系,同时根据法向分量过零点的判别依据可知,在应力集中部位磁记忆信号曲线存在单调递减或递增段,这也与试验得到的磁记忆信号曲线相符.

由上述分析可知:可通过不同部位磁记忆信号的差值对应这些部位的应力进行判断,即梯度曲线可反映应力应变的对应关系,但由于磁记忆信号曲线在缺陷处存在非线性平台,在此区段内的梯度数值较小,容易与其他处的梯度值产生混淆.仅仅是在最后8 kN,和9 kN时缺陷处的磁记忆信号的梯度值在21点最大,因此梯度曲线适合对最后频临破坏阶段进行判别.考虑到应力与磁信号的对应关系,与其用缺陷处磁记忆信号与两端波峰波谷分别做差,不如用波峰波谷数值之差来反映波峰波谷区段内的应力变化程度.

不考虑初始状态即零载以及拉断后的磁记忆信号,将2 ～ 9 kN对应缺陷处两端的波峰波谷数值之差绘制成曲线如图 10.其中:

ΔH_p(y)=H_p(y)_c-H_p(y)_t(2)

H_p(y)_c为波峰处磁记忆信号数值; H_p(y)_t为波谷处磁记忆信号数值.

不管是9点处波峰波谷差值曲线还是21点处波峰波谷差值曲线,都呈现很好的增长趋势,只有21点处的波峰波谷差值曲线在9 kN时出现下降,但下降量很小,两条曲线均可分为三段,9点处的峰值差值曲线表现出很好的线性,可看成是三段折线组成,分界点为3点和6点,对应荷载为5 kN和8 kN,21点处的峰值差值曲线虽没有很好的线性规律,但各段分界明显,也可近似看做三段折线组成,分界点为4点和8点,对应荷载为6 kN和8 kN.观察发现拉断后21点处出现径缩现象,应变突然增大,而9点处变化不大,应变的急剧增加,会进一步加剧构件内部缺陷的发展,晶格排列进一步错乱,位错加剧,这也会导致磁场的不规律变化,因此9点处的峰值差值曲线与21点处的峰值差值曲线会出现一定差异.

图 10 9点两端对应波峰波谷差值曲线
Fig.10 Difference curve of peaks and valleyscorresponding the both ends at 9 point

图 11 21点两端对应波峰波谷差值曲线
Fig.11 Difference curve of peaks and valleys corresponding the both ends at 21 point

波峰波谷的差值曲线的三个阶段可作为反应磁记忆信号发展的三个阶段,根据实际需要可将三个阶段的分界点作为控制点,若对试件的强度储备要求高,可以将第一段和第二段的分界点作为一个预警值,若对试件的强度储备要求不高者可将第二段和第三段的分界点作为预警点,这样不仅可以对应某一荷载的应力应变状况,还可以作为从零载到破坏整个加载阶段的过程控制曲线.

因此磁记忆信号波峰波谷差值曲线可作为一种全过程的判别手段.