- 关于天然磁化和力学损伤之间的关系的实验研究
3.1 引言
最近据发现，在没有外加磁场（地球磁场除外）的环境中，在SUS304奥氏体钢和一些普通碳钢的疲劳裂纹附近有磁化现象发生[1],[2]。这种现象是由于磁性交替导致的。磁性交替可能源自于力学损伤，并且在没有外部激励场（后面我们称它为天然磁场）的情况下，磁性交替可能会导致磁通量的泄露。这种现象表明了可以检测天然磁通量的漏磁量来辨别力学损伤的可能性。这种方法的一个明显的优点就是周围结构部件产生的噪音不会出现，因为没有必要将材料磁化。如果磁化强度和局部损伤状态的相关性被证明，那么对损伤的定量评估将成为可能。
基于以上所诉的背景，在这项工作中通过检查带有力学损伤的试件表面的漏磁量研究了力学损伤和相应的天然磁化之间的相关性，其力学损伤是通过对试件进行拉伸试验或者疲劳试验实现的。为了测量与地磁场强度相同甚至低于地磁场强度的天然磁场，在试验系统中应用了一种对微弱静态场有效的先进薄膜磁通门（FG）传感器。在力学试验进行期间和卸载之后都要对天然磁场进行测量。在实际操作中，这个实验按以下步骤进行：首先，利用标准试件和拉伸试验验证SUS304奥氏体钢的天然磁化现象。然后，为了研究天然磁化和塑性变形损伤之间的相关性，测量循环拉伸荷载下同一类试件加荷过程中和卸载荷载后的漏磁量。为了评估在实际环境中检查重要结构组件损伤状态的可能性，在疲劳试验过程中测量了漏磁的信号。在这种情况下，为了研究不同疲劳阶段力学损伤的演化，卸荷状态下每一个荷载步下漏磁量的大小都要测量。
另一方面，尽管对铁磁性材料来说漏磁法被认为是可行的，但仍然没有报告说明它可以应用在非磁性或顺磁性材料上【3】。为了阐明这个问题，需要了解带损伤材料的磁特性，例如残余磁场。如果这个测量仅仅加上一个磁化步骤（例如使用一个永磁体）就可以用同样的实验装置实现，那么这也可以作为本试验的测量项目。
3.2 实验问题
3.2.1 测试材料和试件
针对新的漏磁法在新一代核电站设备结构部件的无损检测中的应用，例如快速中子增殖核反应堆设备（FBR）或则热核聚变反应堆（例如ITER），在这个研究中我们将选择SUS304型奥氏体钢作为检测的目标材料。为了实施拉力为零的疲劳试验，考虑到材料检测系统的状况，我们将采用标准纽扣式的试样【6】。我们用一个盘状的原材料制造了24个轴线与轧制方向平行的试样。为了利用该材料在高温环境下的良好性能，当前的材料将被用在快速中子核反应堆的相关实验中。该材料的化学成分和试样的外形分别如表3.1和图3.1所示。尺寸为40mm*20mm*5mm的板状标准区域在试样的中心部分。其中几个试样上通过中心的凹口（3mm*0.3mm的裂纹或则直径为0.3mm的洞）是用EDM技术加工的，EDM技术可以监视裂纹起始的位置。图3.1中的裂缝为试件中心人工裂纹的位置。考虑到在室温和650摄氏度下的疲劳试验的压力荷载，为了防止试件屈曲，试样的厚度取5mm，即选用相对较短且相对较厚的几何尺寸。
为了测量宏观应变的分布，必须调查损伤磁化关系。因此把两套间距为0.08mm的光栅线刻在了试样上面积为30mm*20mm的平面区域上，这是计算应变的云纹法中需要的条纹图案。为了在应变测量的过程中不影响应变和磁化强度的分布，光栅线深度只能刻3mu;m。另外还制造了一个和试样表面的光栅图案相同的玻璃光栅罩。当这个标准的光栅罩覆盖在变形的试样表面上时，条纹图案就会立即出现。
3.2.2 测量方法和实验步骤
- .磁场的测量
为了测量由于机械损伤引起的磁场的漏磁密度，有必要采用对小范围且稳定的磁场有效的传感器。这种情况下霍尔效应传感器将不再适用，因为它连地磁场都不能测量。超导量子干涉仪是一种对弱磁场十分敏感的设备。不幸的是这个设备必须进行电磁场的屏蔽，并且它的空间分辨率较低，所以它不能用在当前目标上。另一方面，一种常规的门市传感器的敏感度介于上诉两种传感器之间，但它也有低空间分辨率的缺点。
最近，Shimatsu公司基于光刻技术发明了一种新的FG传感器。这种片状传感器呈正方形，它的边长为1.0mm。这种传感器的敏感度为0.0001Gs，这可以满足当前应用的需要。FG传感器的原理简单的如下所述：
如图3.2所示，这种传感器包括一个内核，一个励磁线圈和两个拾取线圈。两个拾取线圈以不同的方式连接，当没有外部磁场时，这样可以使输出信号为零。一旦传感器被放入磁场中时，两个拾取线圈的的平衡将会被打破，即，其中一个的电压变为V △V，另外一个变为V-△V。其中△V为图3.2中所示的磁场部分的占有量。所以，一个强度为2△V的信号将会被显示出来，如果在频率不是很高的情况下，这个信号将线性地取决于外部磁场的强度。
从上诉原理中可知，可能担心的位于试样产生的磁场中的传感器的激励磁场的效应可被认为是一个残余场，这个残余场可能是激励电流经过磁性体时产生的。幸运的是，考虑到实际上的激励场很小并且它主要集中在传感器的铁氧体磁芯上，对于我们正在处理的问题，由于试样的漏磁引起的效应就可以被忽略。当我们对存在裂纹的消磁试样表面进行扫描时，这个事实就会被论证。实际上，在裂纹的附近没有检测到显著的扰动信号。因此，忽略激励磁场的效应是合理的。
b）、测量宏观应变的分布
正如我们所知，光测法对测量应变分布是有效的，尽管它可能比使用应变片的方法精度低一些。考虑到这个实验的目的，为了调查在对上诉试样进行拉升试验时试样的平均应变分布，我们选择了使用莫尔条纹的方法。
莫尔方法的原理很简单。首先，在变形前的试样上刻上两组细条状的光栅线，同样在标准玻璃罩上也刻上相同的光栅线。当标准的光栅罩罩在变形的试样上时将会出现条纹图案，这样可以使用下列公式计算出应变：
式中fx=Mx/Lx（每米上的线条数），其中Mx为x方向的光栅线条总数，Lx为x方向光栅区域的长度，y下表的情况同理。这个方法的敏感度取决于刻下的光栅线的间距△，检测到的最小应变为/M。尽管条纹线的数目Nx、Ny是整数，如果我们可以使用合适的插值方法，那么它就可被看做是真实的变量。
对于实际测试来说，考虑到现场测量的困难性，与原理图3.3不同的情况是，条纹图案可以在试样卸载后再获取。条纹图案的图片可通过一个500000像素的CCD相机和一个高速图像采集卡转换成数字数据，应变则可通过电脑上基于上诉公式编制的程序计算出来。云纹法系统的安装如图3.4所示，其中试样和玻璃罩是通过专门设计的仪器安放的，这个仪器可以确保试样和玻璃罩的相对位置和方向是正确的，这对提高测量精度是十分重要的。
c)、磁场的现场测量系统
图3.3是现场测量系统的流程图。6个薄膜状的磁通门传感器通过专门的仪器安放在测量点上，它们被固定在图3.5所示的试样顶部，这是为了在拉伸试验和疲劳试验（现场）检测磁场的变化。机械加载系统使用的是Shimatsu材料检测机（AF-40型）。试验机的最大荷载为5t，最大行程为50mm。传感器被固定在了试样的顶部，并且在进行拉伸试验和疲劳试验时传感器不会移动。传感器的位置与图3.6所示的试片有关，传感器抬高距离大约为0.5mm，它可以通过安装仪器的千分尺来调节。传感器的位置也可以通过另外两个千分尺控制，换言之，固定仪器可以把传感器放到任何空间点上（当然传感器的移动区域受千分尺的量程的限制）。尽管安装仪器可以安装传感器测量面内和垂直于表面的部分，但我们选择测量面内的部分，因为它需要的抬高距离更小。传感器的输出数据通过Thermo-Wave数据采集系统和特殊的放大器传输到计算机上。测量数据的后处理使用商业代码在计算机上进行的，这种商业代码是在本研究中专门研发的。
d）、场外2D扫描系统
我们通过在X-Y模拟调试器上扫描卸载后的试样测量漏磁场的分布。图3.7显示了试验步骤。进行过磁场测量后，塑性变形是通过云纹条纹图案获取的。
扫面区域是一个边长为30mm矩形区域。与当场测量的情况相同，水平部分扫描的抬高距离取0.5mm。在垂直部分的测量中，考虑到传感器本身的尺寸，实际的抬高距离比传感器与试片表面的距离大一些。扫描路径与图3.6类似，但是x方向的间距取1mm。因为模拟调制器不是自动的，所以需要通过一个螺钉系统手动移动模拟调制器。传感器轴向的间距不是一定的，它是由采样系统和扫描速度所决定的。在
X和Y方向间距为1mm的数据点上的磁通密度是通过对测得的数据进行数值插值得到的。
e）、利用永磁体磁化试样的系统
为了调查循环拉伸测试中试样的残余磁场的性质，在每个加载循环中试样需要被磁化。为达到实验目的，在同一条件下对试样进行磁化是很必要的。考虑到这项要求，我们选择下面的磁化步骤，这样的步骤可以使由于磁化系统造成的残余磁场的差异性最小。首先把试样安装在为了在应变测量（云纹法）中控制位置的仪器上。仪器被安放在了X-Y模拟调制器的桌面上，并且试样的中心与永磁体的中心一致，但是它们用不同的Z坐标来表示。这样操作是为了确保在每一个磁化步骤中安装仪器可以被放在同一个位置，这可以通过先调整永磁体到试样中心上，然后垂直地移动到较远的位置来实现。在每一个荷载步之前，试样需要被消磁并且放置到仪器的相同位置，这个位置可以参考已装备的千分尺的计数器。将仪器安放在x-y台上由第一步所决定的位置上（根据在x-y模拟调制器台上的记号），磁体与试样的相对位置可以高精度的确定出来。为了将试样磁化，先把永磁体向下移动到与试样的表面相接触的位置，然后抬高50mu;m的间距。永磁体以（x,y)=
(0mm,0mm)-(0mm,-20mm)-(0mm,20mm)-(0mm,0mm)
的路径移动，最后垂直的移动到一个较远的位置。尽管这个磁化方法进行的磁化不均匀，但是如果使用原始试样，对于不同的磁化步骤，残余磁场的改变不是很大。
在这个工作中采用的是由三个圆筒状的磁体（长：3mm，直径：5mm，Brasymp;0.1T）组成的永磁体。磁体的轴线与试样的轴线平行。磁化系统的布置如图3.8所示。
3.2.3 实验步骤
表3.2汇总了统一试样的个数和它们的试验条件。在把试样安装在材料试验机之前，要把试样利用电磁消磁器（Hozan HC-21）进行消磁。所有拉伸试验和疲劳试验都采用应变控制。在进行拉伸试验时，要当场测量标准区域中心部分的漏磁率，同时在试样卸载后，要用X-Y模拟调试器测量漏磁场的分布。对编号为NDT1和NDT12的试样来说，当通过2D扫描仪测量的磁场分布显式他们的应变达到最大值（见表3.2）时，试样才能卸载。在疲劳试验情况下，所有的荷载循环都要利用安装在拉伸试验中同样位置的传感器当场测量磁场。然而只有带有循环编号的卸载后的试样进行了磁场分布的2D扫描。一旦有裂纹出现，疲劳试验就会由于荷载达到提前设定好的最小荷载的临界值而自动停止试验。
标号为NDT14和NDT13的试样只进行了2D应变分布的测量。卸载后的试样被安装到了专门的仪器上，并且盖上了玻璃罩。莫尔条纹已经被输入到计算机中，并且条纹线的信息已经通过程序从得到的图像中提取出来，即计算出了Nx（x，y），Ny（x，y）的离散值。应变通过基于式3.1和3.2的内核程序计算出来。NDT14的在表3.2中列出的每个荷载步都进行了这个步骤。结果显示推进式应变传感器测得的应变与莫尔法的到的数据一致，反过来显示出局部的集中变形对这两个试样和荷载模式来说无意义。
3.3 实验结果
3.3.1 拉伸试验的结果
- 、磁通密度的测量结果
图3.9显示了试样NDT2在拉伸试验中，应变从0%到最大值3%过程中的现场测量结果。表3.2列出的试验条件中，3%、6%和9%表示试样的总应变分别达到3%、6%、9%后，试样进行了卸载。图中显示的是拉伸应变达到3%的情况。从这个结果可看出，在标准区域很明显发生了磁化现象。在进行拉伸试验前试样进行了消磁，并且在试验过程中没有改变激励磁场，这样的磁化显然是由于变形和荷载造成的。另一方面，虽然小磁场在弹性周期内被探测到，但是当塑性应变发生时磁化效应也增加的较快，当塑性变形太大时磁化效应最终也达到饱和。另外，当荷载卸载后，磁化现象并没有出现。这些结果告诉我们磁化现象源于塑性破坏但是不是逆磁致伸缩的效应。图3.10显示了NDT2试样在拉伸试验中应变从2.8%（第一次拉伸试验的残余应变）到5.8%过程中的现场测量结果。很显然，检测到的磁通密度的变化比发生在原材料试样上的更小，或则换言之，这种情况下磁化现象已经饱和。
为了调查磁化分布的特性，在试样卸载后测量了漏磁密度的2D分布。图3.11给出了试样表面（抬高距离0.5mm）上0.5mm处平面上By部分的漏磁量的分布。在试样的底部发现了大量的磁泄露，这表明谷型图案倾向于试样的轴向。这个现象使我们联想到整体塑性滑移的可能性，即Ludas带。换句话说，当我们认为塑性变形损伤引起磁化的同时，试样底部存在更多的塑性损伤。为了调查试样的损伤状态，当第三次拉伸循环（从5.55%的应变到8.55%的应变）完成后将试样卸载，并且从卸载后的试样上切下小块的样品。结果发现试样底部滑移纹理的数目大约是试样顶部的两倍。试样微观结构的相关细节的观测结果会在下面的小节中给出。
图3.12描绘了NDT2号试样在达到5.8%应变并且卸载后的By的分布。可以发现这和图3.11显示的结果没有什么不同。
这个结果与现场测量得到的结论相一致，即由于磁化达到饱和，高数量级的塑性变形引起磁化量的改变并不是很多。
如果在试样底部检测到的磁通密度的峰值是由滑移线引起的，那么在拉伸试验后在裂纹尖端的磁化分布正好验证了这个猜想。出于这个目的，我们对NDT21号试样进行了3%最大应变的拉伸试验。图3.13显示了By的现场测量结果。与图3.9比较，这个试样上检测到磁通密度明显要比ND
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