本试验采用广泛应用于建筑结构的Q235钢.加工制作6个试件,分别编号为S-1、S-2、S-3、S-4、S-5、S-6.试件尺寸如图2所示.检测区域长60 mm,检测点间距为15 mm,每个试件有一条检测线,检测线有5个检测点,检测点以中间检测点为0 mm,向左依次为-15 mm,-30 mm; 向右依次为15 mm,30 mm.其试件基本属性见表1.

图2 Q235试件及检测点(单位:mm)
Fig.2 Q235 specimen and detection point(Unit: mm)

表1 试件基本参数
Tab.1 Basic parameters of the specimen

利用DNS300电子万能试验机对板件进行静载拉伸试验,其主要技术参数为:最大试验力300 kN,试验空间宽度0～600 mm,试验横梁行程1 200 mm,力测量精度±0.5%,变形测量精度±0.5%.

磁记忆信号测量设备采用爱德森EMS-2003智能磁记忆/涡流检测仪,探头使用磁记忆双通道笔式探头(EPEMS/B2),设置为内时钟模式,显示模式为数字显示.CH1显示数据为大地磁场,CH2数据为试件表面磁信号值,选择背景磁场为减CH1,如图3所示即为实际磁信号值.

图3 加载设备及测量设备
Fig.3 Loading equipment and detection system

表2 法向磁信号检测方式
Tab.2 Detection method of normal magnetic signal

试验过程中对试件进行离位检测,试件南北放置,从南到北逐点检测.笔式探头垂直于试件表面,探头端部接触试件,保证其提离值不变.

最后,将加载至不同状态的试件切割打磨进行金相分析,从微观角度分析磁信号变化与微观结构变化之间的联系.

如图4所示,为试件在零载状态下法向磁信号变化曲线.可以看出,各板件磁信号法向分量H_p(y)波动范围较小,数值范围为-28～22 A·m^-1,与

参考文献[13]所示零载状态下磁信号法向分量H_p(y)相比,离散性较小,但无明显规律出现.其原因可能是试件在零载状态时,试件表面法向磁信号受其加工制造过程中试件内部所产生的剩磁场影响.

图4 零载状态试件法向磁信号变化曲线
Fig.4 Normal magnetic signal curve at initial stage

如图5所示,为S-2～S-6在弹性状态法向磁信号的变化曲线.可以看出,各板件H_p(y)信号值均过零点,H_p(y)值以各自零值点为界,左正右负,从左向右递减,两端H_p(y)数值绝对值较大,试件中间部位H_p(y)数值较小.铁磁性材料本身作为一个弱磁体,可以将其简单看作为一个具有南极和北极的磁铁,磁铁磁感应强度的强弱主要决定于磁感线的密集程度,在磁铁外部磁感应强度是两端强中间弱,与试验结果有相似之处.图5中S-3～S-6法向磁信号沿长度方向呈线性递减.S-2的H_p(y)值较S-3～S-6波动较大,但总体趋势仍然为左正右负,从左向右逐渐减小.试件受到荷载作用后,内部的磁畴结构发生定向的不可逆变化,随着磁畴结构定向移动的完成,磁信号由之前的无规律性变得统一,并有“捏拢”现象出现.

图5 弹性状态试件法向磁信号变化曲线
Fig.5 Normal magnetic signal curve at elastic stage

如图6所示,为S-3～S-6在塑性状态时法向磁信号变化曲线.可以看出,法向磁信号值的波动有所增加,不同板件之间离散性也相对于弹性状态有所增大.各板件H_p(y)零值点分布不集中,S-3和S-6零值点在0 mm附近,S-4和S-5的 H_p(y)零值点距离0 mm较远.但是由图7可以看出,进入强化状态后S-4和S-5 的H_p(y)零值点回归到0 mm附近,S-4～S-6号板件表现出较好的线性.

图6 塑性状态试件法向磁信号变化曲线
Fig.6 The normal magnetic signal curve at plastic stage

图7 强化状态试件法向磁信号变化曲线
Fig.7 Normal magnetic signal curve at hardening stage

如图8所示,S-5、S-6颈缩状态法向磁信号变化曲线,可以看出,S-5和 S-6在颈缩状态依然呈现出较好的线性,H_p(y)零值点在试件中心附近.图9为S-6在断裂状态下的法向磁信号变化曲线,可以看出,断裂破坏状态H_p(y)波动性增大,零值点由试件中心附近移至A位置,与断裂位置基本吻合.S-6具体断裂位置如图 10所示.

图8 颈缩状态试件法向磁信号变化曲线
Fig.8 Normal magnetic signal curve at necking stage

图9 破坏状态试件法向磁信号变化曲线
Fig.9 Normal magnetic signal curve at fracture stage

图 10 S-6件断裂位置
Fig.10 Fracture position of Specimen 6

试验中,S-5、S-6经历了从零载到颈缩全过程,其不同状态下的法向磁信号如图 11和图 12所示.可以看出,自零载开始,一直到颈缩状态,法向磁信号曲线基本成线性变化,H_p(y)零值点在0 mm附近.且在颈缩状态之前,随着荷载的增加,H_p(y)值曲线以零值点为中心呈现顺时针旋转现象.6号试件断裂后,H_p(y)零值点由试件中心附近移至A位置,与断裂位置基本吻合.对于早期损伤部位的判断,基于法向磁信号过零点的损伤辨别方法效果不佳.但是该判别方法对宏观破坏表征效果较好.

图 11 5号板件不同状态法向磁信号变化曲线
Fig.11 Normal magnetic signal curve at different stages of Specimen 5

图 12 6号板件不同应力状态法向磁信号变化曲线
Fig.12 Normal magnetic signal curve at different stages of Specimen 6

图 13 不同应力状态磁场梯度K的绝对值
Fig.13 Gradient curve of normal magnetic signal at different stages

对零载状态、弹性状态、塑性状态、强化状态、颈缩状态的试件金相组织进行分析.如图 14所示,为板件在各个状态下的金相组织,Q235钢材主要由铁素体和珠光体组成,图中白色部分为铁素体,黑色部分为珠光体^[14].由图 14(a)和图 14(e)比较可以看出,随着荷载的增加,试件中的铁素体由不规则形状逐渐变为纺锤形,且沿着受力方向逐渐被拉长.在此过程中,磁场梯度K的绝对值一直在增大.

图 14 不同应力状态下的金相组织
Fig.14 Metallographic structures in different stress states

在外部磁场和外应力共同作用下,磁畴组织沿外应力方向发生不可逆的定向移动,随着磁畴定向移动的完成,导致材料宏观磁特性的不连续分布,即磁导率、矫顽力等磁特性参数发生改变,从而使构件在应力应变集中及缺陷位置处的自发漏磁场信号产生变化.可见,外部磁场和荷载是产生磁记忆效应必不可少的条件^[15].在零载状态,磁畴结构取向杂乱无规则,因此磁信号在初始阶段呈无规律的浮动,这与金相试验得到的试件中的铁素体在零载状态下形状不规则现象相似(如图 14(a)所示).实际上,零载状态下所检测到的磁信号主要为试件加工制造过程中内部所产生的剩磁场.但随着荷载的增加,试件所受外应力增大,应力所产生的有效场逐渐增大,以克服剩磁场使磁畴发生定向移动,因而磁信号曲线浮动较小,规律性增强.这与金相试验得出的试件中的铁素体随着荷载的增加由不规则形状逐渐沿受力方向变为纺锤形的规律相似(如图 14(e)所示).由以上分析可见,铁素体变化与磁畴变化之间可能存在一定的相关性.

图 15 磁场和应力影响磁畴运动的示意图
Fig.15 Schematic representation of field and stress affecting the movement of magnetic domains