磁致伸缩效应在疲劳寿命预测中的应用

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1990.03.016 第12卷第3期 北京科技大学学报 Vo1.12No.3 1990年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 1990 磁致伸缩效应在疲劳寿命预测中的应用 唐俊武*穆向荣·王建国·王红缨·张秀林 摘要：根据磁致伸缩效应和受力变形中磁的各向异性特征，利用特殊研制的磁探测器 和信号处理系统，研究材料疲劳过程中磁信号变化的特点，在一定程度时，观察的披劳磁信 号出现突变，该突变点与材料疲劳过程中一定的塑性变形量相对应。将此方法加以系统和标 准化后，可对工程应用中的材料和构件的疲芳寿命进行动态预测。 关键词：磁致伸缩效应，疲劳寿命，磁感应灵敏度，无损检测 On Research of Fatigue Life by Magnetostriction Methode Tang Junwu Mu Xiangrong Wang Jianguo Wang Hongying Zhang Xiulin ABSTRACT:The magnetostriction methode which is bases on the magnetostricti- on effect and anisotropic magnetical beviour of the ferromagnetic determination is presentted.The magnetic signal response during fatigue is examined by the special-made probe and the data process system.It has been found that a sudden signal change occurs at certain fatigue level which is correspoending to the certain level of plastic deformation.It is sure that after systematic standardization the magnetostriction method can be applied to the fatigue life estimate of the engi- neering materials and the structure members. KEY WORDS:magnetostriction,fatigue life,sensitivity of magnetic induction, nondestructive test 疲劳破坏和破坏过程可以由无损检测方法(NDT方法)来确定1)。在实用中，各种常用 的NDT方法是不能对疲劳破坏前的早期发展阶段进行估计。研究疲劳过程中磁性信号变化的 1989-08-21收稿 注：本文为冶金部教育司基金资助项目 ·数力系(Dcpt.of Math.and Mech.) ··物理系(DcPt,of Phys,) 295

、 、 第 卷第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 五 对 年 月 磁致伸缩效应在疲劳寿命预测 中的应用 唐俊武 ‘ 穆 向荣” 王 建 国 ’ 王 红 缨 ‘ 张秀林” 摘 要 根据磁致伸缩 效应和 受 力变 形 中磁 的 各向异 性 特征 ， 利用 特殊 研 制 的磁 探 测器 和 信号 处 理 系统 ， 研究材 料 疲劳 过 程 中磁 信号变 化 的 特点 ， 在 一定 程 度 时 ， 观 察的疲劳磁 信 号 出现 突 变 ， 该突变 点 与 材 料疲 劳过 程 中一定 的 塑性变 形 量 相 对 应 。 将 此 方法 加 以 系统 和 标 准化 后 ， 可 对 工 程应用 中的 材料和 构件 的疲 劳寿 命进行 动 态预 测 。 关 健词 磁 致 伸缩 效 应 ， 疲 劳 寿 命 ， 磁 感应 灵敏度 ， 无 摄 检 测 九 叮 功 九 班 云 “ 甲 夕 月 夕少 夕 人 夕 ‘ 、 立 · 一 · ， ， ， 疲 劳破坏和 破坏过 程 可 以 由无损检测 方 法 方 法 来确定 〔 ‘ 〕 。 在 实用 中 ， 各 种常 月 的 方 法 是不能对疲 劳破 坏 前的早期 发展 阶 段进行 估计 。 研究疲 劳过程 中磁性信 号变化的 一 一 收 稿 注 本文 为冶金 部教 育司基 金资助项 目 数 力系 。 。 物理 系 ， DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1990．03．016

特点，可能预测材料或构件组织的变化也就是顶测材料或构件的疲劳破坏。 利用电和磁的性能来研究疲劳破坏早在40年代就已有人进行研究(2’3)，70年代以来， 这个新的方法引起了更多学者的兴趣，Mughrahi【)等研究循环变形中控制在塑性变形幅值 内形成的位错排列，Minajigi和Bose用磁能损耗测量来预测碳钢的疲劳寿命，Abukuts)对 钢铁的单轴变形引起的我余变形进行磁性测量，古井德治和Bos【)分别应用磁性技术顸测 疲劳破坏。 本文在实验结果的基础上对磁性的NDT方法的研究作了新的发展。 1试验方法和原理 疲劳试样尺寸如图1，材料为低碳钢，化学成分为0.180C,0.06%Si,0.041%Mn, 0.039%P,0.022%S,机械力学性能为：屈服强度，上限为240.0MPa,下限为222.1MPa, 强度极限为411.4MP,延伸率为21.6%，截面收缩率为52.5%。试样在试验前经过870°C, 保温2后炉内缓冷的退火处理。 利用铁磁材料的磁致伸缩效应及其各向异性来进行疲劳试验的测量。所谓磁致伸缩效应 是指材料在磁场中被磁化后，它的外形尺寸、 体积会发生变化：若材料受载使其体积、尺寸 发生变化，它的磁性能也相应发生变化，从而 影响磁场强度发生变化。本文所用的单向拉压 应力施加到钢材试样上，由于钢具有正磁致伸 缩效应，当处于拉力时，沿拉力方向容易磁 30 15 -50 化，而在垂直拉力方向则不易磁化，反之，当 160 处于压力时，在垂直于压力方向容易磁化，在 图1试样形状及尺寸 沿压力方向不易磁化，从而引起导磁率的不 Fig.1 The shape and the size of the 同，这就是所谓的磁致伸缩的各向异性。导磁 spec:mcn 随磁场的大小、方向变化而变化，是反映材 料的导磁能力和对磁场的做越程度的址。本文就是利州试样在受菠劳变形时导磁率的变化来 研究有关的规律。 为了探测各向异性变化，设计了特殊探头和测量电路，分别如图2和图3所示。 Probe Signal m generator Output Probe direction Synchronized rectifier 图2限头 闲3测量装置方框出 Fig.2 The probe for the magnetic stress Fig.3 The block diagtam of the apparatus mcasurement for the magnetic stress measure ment 296

特点 ， 可能预测 材料或 构付 · 组 织的 变化 也就是 顶测材料或 构件的疲劳破 坏 。 利 用电和 磁的 性能 来 研 究疲 劳破坏早 在 年代 就 已 有人进 行研 究 ‘ “ ” ’ ， 年代 以 来 ， 这 个新的方 法引起 了更 多学者 的兴 趣 ， 〔 ‘ ’ 等研究 循环 变形 中控 制在塑性 变形幅 值 内形成的位错排 列 ， “ 和 用磁能 损耗测 量 来 预测 碳 钢的疲 劳寿命 ， 〔 ” ’ 对 钢铁 的单 轴 变形 弓起 的残 余 变形进行 磁性测 量 ， 古井 德治 和 〔 。 〕分别 应 用磁性 技术 预测 疲 劳破 坏 。 本文在 实验结 果的 基础上 对磁 性的 方 法的研究作 了新的 发展 。 试验方法和 原理 疲 劳试样尺 寸如图 ， 材料 为低 碳 钢 ， 化 学成分 为 。 肠 ， ， 。 肠 。 ， 。 ， 。 纬 ， 机械 力学 性能为 屈服强 度 ， 上限 为 ， 下 限 为 一 ， 强 度极限 为 ， 延 伸率 为 线 ， 截面收 缩率 为 。 吓 。 试样 在 试 验 前经过 ， 保温 后炉 内缓 冷 的退火处 理 。 利 用铁磁 材料 的磁致伸缩效 应及 其各 向异性 来进行疲 劳试验 的测 量 。 所谓磁致伸缩 效 应 会 习 、 ‘、 图 试样 形状 及 丈 、全 料 的导 磁能 力和 对磁场 的 敏 感程 度的 童 。 研究 有关的 规律 。 是指材料在磁场 中被磁化后 ， 它 的 外形尺 寸 、 体积会 发生变化 若材料 受载使其体积 、 尺寸 发生 变化 ， ‘仑的 磁性能也 相 应 发生 变化 ， 从而 影响 磁场强度发 生 变化 。 本 文 所 用 的单 向拉压 应 力施 加到 钢材 试 样上 ， 由于 钢具 有正 磁致伸 缩效 应 ， 当 处 于 拉 力 时 ， 沿 拉 力方向容 易磁 化 ， 而 在垂 直拉 力方 向 则不 易磁化 ， 反之 ， 当 处于压 力时 ， 在 垂 直于 压 力方 向容 易磁化 ， 在 沿 压 力 方向 不 易磁化 ， 从而 引起导 磁 率 的 不 同 ， 这 就是所谓的 磁致伸缩 的各 向 异性 。 导 做 率随磁场 的 大 小 、 方向 变化而 变化 ， 是反映材 本文就是利 试样在 受疲 劳变形时导 磁 率的 变化 来 为 了探测各 向异性变化 ， 设 计 了特 殊探头 和测 量电路 ， 分别 如图 和图 所示 。 了 必 图 探 丁 头 ， ， 乙 ’ 元 图 测 最装 置 方框 图 ‘ ， 亡 口

纯铁制造的探头，直径为10mm,探头有4支脚，以1、2、3、4标记，4支脚的截面积 相同，互相平行且都垂直于底座，对角位置的两对脚1、3和2、4分别绕上疏密程度相同的线 圈，每支脚上的线圈匝数相同，均为300匝。 图3为磁感应信号的检测系统。从信号发生器供应1kHz的交流电流到1、3磁化线圈，在 小范围内产生一个强烈的磁场，而与之垂直相交的2、4为检测线圈，检测线圈感应产生的输 出电压和磁化线圈的输人电压是同步整流的。 在实际测量中，探头对着试件的中心部分，两者的间隙保持在0.2mm左右，探头的方向 (如图2中箭头所示)平行于试样的轴向，也就是平行于应力的方向，所以探头的磁化方向 和试样的轴向成45°角，这样得到的磁化信号较强。 疲劳试验在MTS809电液伺服自动控制材料试验机上进行，采用载荷控制，载荷形式为 对称循环（应力比R=,一1），加载被形为正弦波。具体试验步骤是某一试样从开始加载到断 裂的过程中，经过若干循环次数时停止加载，令试样分别处于不同静应力下，读出此应力值 时对应的磁感应信号值，将磁感应信号值与此静应力值的比值，即为该循环次数所对应的磁 感应灵敏度。同时用应变引伸仪记录该循环次数的循环应变幅值。 2试验结果与讨论 疲劳试验参数及结果如表1所示。 表1疲劳试验参数及结果 Table 1 The parameters and results 300 of the fatigue test 试样号 应力幅值 载苟频率 疲劳寿命 MPa Hz 次 250 001 560 0.1 2035 002 560 0,1 2190 C03 520 0.3 4935 200 004 520 0.3 5444 005 480 0.5 7966 150 006 440 0.7 23529 1×103 1×104 1x105 1灼05 007 400 2.0 42910 Fatigue life (cyeles) 008 400 2.0 52704 图4疲劳寿命曲线 009 360 3.0 74591 Fig.4 Fatigue life S-N curve 010 340 5.0 132784 011 340 5.0 209216 由表1得出S一N疲劳寿命曲线如图4，从图4可看出试样的疲劳寿命是很有规律的。 图5、6、7、8分别为试样处于不同应力幅值下的磁感应灵敏度B、应变幅值和疲劳寿命 的关系。 2.1磁感应灵敏度和疲劳寿命的关系 从图5、6、7中可看到，磁感应灵敏度在疲劳初期急剧下降，大约在疲劳寿命的1.5~ 297

纯铁制造的探头 ， 直径为 ， 探头 有 支脚 ， 以 、 、 、 标记 ， 支 脚 的截面积 相 同 ， 互 相 平行且 都垂直于 底座 ， 对角位置 的两 对脚 、 和 、 分别 绕上疏密程 度相 同的线 圈 ， 每支脚上 的线 圈匝数相 同 ， 均 为 。 匝 。 图 为 磁感应信号的检测系 统 。 从 信号发生器供 应 的交流电流 到 、 磁化线 圈 ， 在 小 范 围 内产生 一个强 烈的磁 场 ， 而 与之 垂直 相 交 的 、 为检测线 圈 ， 检测 线 圈感 应产生 的输 出电压和磁化线 圈的输人 电压是 同步整流 的 。 在 实际测 量 中 ， 探头对着试 件的 中心部分 ， 两 者的 间隙保持在 左 右 ， 探头 的方 向 如图 中箭头所示 平行于 试 样的轴向 ， 也就是平行于 应力的 方 向 ， 所以探头 的 磁化 方 向 和试样的轴 向成 “ 角 ， 这 样得到 的磁化信 号较强 。 疲 劳试验在 电液 伺服 自动控制材料试验 机上进行 ， 采 用 载 荷控 制 ， 载 荷形式 为 对称 循环 应 力 比 气 一 ， 加 载波形为 正 弦波 。 具体试验 步骤 是某 一试 样从开 始加 载到 断 裂 的过程 中 ， 经过若 干循环次数时停止加 载 ， 令试样分别处于 不同静 应 力 下 ， 读 出此应力值 时对应 的磁感 应信 号值 ， 将 磁感 应信 号值与 此静 应 力值 的比值 ， 即为该 循环次数 所对 应 的磁 感应灵 敏 度 。 同 时 用应变 引伸仪记录该 循环 次数 的 循环应 变幅 值 。 试验结果与讨论 疲 劳试验参数及结果如表 所示 。 表 疲 劳试验参数及结 果 爪 食县‘勺衬。‘ 应 力幅 值 载 荷频率 疲 防艺︸价日。﹄的 尸 次 一 一 一 一 一 一 一 一 一 劳寿 次 ， 。 ， 了 一 一 一一 ‘ 、 ‘ 、 之 一 派 。 》 图 疲 劳寿命 曲线 或 一 由表 得 出 一万疲 劳寿命 曲线 如 图 图 、 的关 系 。 ， 从 图 可看 出试 样的疲 劳寿 命是很 有规律 的 。 、 了 、 分别为试样处于 不同 应力幅值 下的磁感应灵 敏 度 、 应 变幅值和 疲 劳寿命 。 磁感应 灵 敏度和疲劳寿 命 的关 系 从图 、 、 中可看到 ， 磁感应灵 敏度在疲 劳初期 急剧 下降 ， 大 约 在 疲 劳寿命的 一

10 1.n 0,6 0.6 0.4 %apny!due ueais 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 N/Nt 困5△a为340MPa的试验曲线 Fig.5 Testing curve (Ao=340 MPa) 10 1.0 ● 8 0.8 iww1:-013:2 0.6 0.4 0.2 10 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 N/N 图6△U为360MPa的试验曲线 Fig.6 Testing curve (Ag=360MPa) 1.0 0.8 /AW:-OIx' 0.6 4 0.4 "apnindwe 2 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 N/N 图7△g为400MPa的试验曲线 Fig.7 Testing curve (Ag=400 MPa) 5.0%处出现明显的拐点，以后开始逐渐上升，上升的倾向在疲劳后期趋于平缓。 2.2磁感应灵敏度和疲劳应变幅值的关系 从图5、6、7中可看到，在疲劳初期磁感应灵敏度由下降经过拐点以后逐渐上升，而应 变幅值的变化则与之相反，由上升经过拐点后逐渐下降，两者变化的拐点位置恰好比较相 近，说明前面所述的磁惑应灵敏度是由于试样的变形引起的原理。 2.3应力幅值和磁感应灵敏度的关系 图8为应力幅值△0=440MPa及△g=480MPa的试验曲线。从图上可见上述图5、6、7中 298

纯铁制造的探头 ， 直径为 ， 探头 有 支脚 ， 以 、 、 、 标记 ， 支 脚 的截面积 相 同 ， 互 相 平行且 都垂直于 底座 ， 对角位置 的两 对脚 、 和 、 分别 绕上疏密程 度相 同的线 圈 ， 每支脚上 的线 圈匝数相 同 ， 均 为 。 匝 。 图 为 磁感应信号的检测系 统 。 从 信号发生器供 应 的交流电流 到 、 磁化线 圈 ， 在 小 范 围 内产生 一个强 烈的磁 场 ， 而 与之 垂直 相 交 的 、 为检测线 圈 ， 检测 线 圈感 应产生 的输 出电压和磁化线 圈的输人 电压是 同步整流 的 。 在 实际测 量 中 ， 探头对着试 件的 中心部分 ， 两 者的 间隙保持在 左 右 ， 探头 的方 向 如图 中箭头所示 平行于 试 样的轴向 ， 也就是平行于 应力的 方 向 ， 所以探头 的 磁化 方 向 和试样的轴 向成 “ 角 ， 这 样得到 的磁化信 号较强 。 疲 劳试验在 电液 伺服 自动控制材料试验 机上进行 ， 采 用 载 荷控 制 ， 载 荷形式 为 对称 循环 应 力 比 气 一 ， 加 载波形为 正 弦波 。 具体试验 步骤 是某 一试 样从开 始加 载到 断 裂 的过程 中 ， 经过若 干循环次数时停止加 载 ， 令试样分别处于 不同静 应 力 下 ， 读 出此应力值 时对应 的磁感 应信 号值 ， 将 磁感 应信 号值与 此静 应 力值 的比值 ， 即为该 循环次数 所对 应 的磁 感应灵 敏 度 。 同 时 用应变 引伸仪记录该 循环 次数 的 循环应 变幅 值 。 试验结果与讨论 疲 劳试验参数及结果如表 所示 。 表 疲 劳试验参数及结 果 爪 食县‘勺衬。‘ 应 力幅 值 载 荷频率 疲 防艺︸价日。﹄的 尸 次 一 一 一 一 一 一 一 一 一 劳寿 次 ， 。 ， 了 一 一 一一 ‘ 、 ‘ 、 之 一 派 。 》 图 疲 劳寿命 曲线 或 一 由表 得 出 一万疲 劳寿命 曲线 如 图 图 、 的关 系 。 ， 从 图 可看 出试 样的疲 劳寿 命是很 有规律 的 。 、 了 、 分别为试样处于 不同 应力幅值 下的磁感应灵 敏 度 、 应 变幅值和 疲 劳寿命 。 磁感应 灵 敏度和疲劳寿 命 的关 系 从图 、 、 中可看到 ， 磁感应灵 敏度在疲 劳初期 急剧 下降 ， 大 约 在 疲 劳寿命的 一

8 00 △0=440MPa A0=480 MPa 1.0 0,8 0.6 %apnindwe tens 0.4 0.2 0,4 0.6 0.8 1.0 N 图8△c为440MPa及△g为480MPa的试验曲线 Fig.8 Testing curve (Ag=440 MPa and Ao=480 MPa) 曲线所表现的明显的拐点已没有了，这是由于试样一开始的应力就接近或超过材料的屈服极 限，应变一开始就急剧增加，从而使曲线的拐点大大提前了，但整个曲线亦是在前期变化较 快，而到后期则比较平缓，这个变化的拐点位置不太明显，大约在疲劳寿命的(15~25)% 期间。 3结 论 根据铁磁材料的磁致伸缩效应和受力变形中磁的各向异性，利用特殊研制的磁探测器和 信号处理系统，研究了材料在疲劳过程中磁信号变化的特点，观察疲劳到一定程度时磁信号 出现突变，该突变点与材料疲劳过程中的一定的塑性变形量相对应。在应力水平低于材料的 屈服极限时，突变点大约在疲劳寿命的(1.5~5.0)%期间，如果应力水平接近或超过材料的屈 服极限，突变点则大大提前。对于疲劳寿命的无损检测来说，只有在应力水平低于材料的屈 服极限时才有意义，因此根据本文所得结论可以预测最后的疲劳破坏。对这种磁致技术的进 一步研究可能发展成为对疲劳研究方面的一种较好的无损检测方法。 参考文献 1 Barton J R and Kusenberger F N.Fatigue Damage Detection.Metal Fatigue Damage Meechanism Detection Avoidance and Repair,ASTM STP, 1971;495:123 2 Wlodek T W.The Possibility of Exploiting Magnetic Phenomena in the Testing of Steel,Canadian Inst.Mining and Metallurgy,1944;47:5~15 3 Cavanagh P E.The Propress of Failure in Metals as Traced by Changes in Magnetic and Electrical Properties,Proc,ASTM STP 47,1947:638~650 4 Mughrabi H,Kutterer R,Lubitz K and Kronmuller H.Magnetic Studies on Cyclically Deformated Iron Single Crystals,Phys Status Solidi a38,1976: 261~270 299

孚目尸月匀的‘口‘ ，占八︸ 八一 少卜 一日卜一卜一洲 目口 · 一曰 一 一尹 口 厂 一 月 」 肠 目 一门陀二 了厂 ‘ 一 一一 气一 叱 红 ‘尸 尔了 护 △《了二 ‘ 才 ‘ 、 、 日 一 叫 琴略 ， 二 二 川曰 目 蚝 ， 叫头，侧 一尸 州尹 ‘ 一 ， 州 ‘ 你 一 ‘ 夕昙侧日 八勺目 ，安。勺们 。 。 对加 图 △叮 为 及八口 为 的试验 曲线 匀 △少 二 △口 曲线 所表现的 明显的拐点已没 有了 ， 这是 由于试样一开始的应力就接近或超过材料 的屈服极 限 ， 应变一开 始就 急剧增加 ， 从而 使 曲线 的拐 点大大提 前了 ， 但整个曲线 亦是在 前期变化较 快 ， 而 到后期则比较平缓 ， 这个变化的拐点位置不太明显 ， 大约在疲劳寿 命 的 一 期间 结 论 根据铁磁材料的磁致伸缩效 应和 受力变形 中磁的各向异性 ， 利用特殊研翻尚磁探测器和 信 号处理 系统 ， 研究了材料在疲劳过程 中磁信号变化的特点 ， 观察疲劳到 一定程度时磁信 号 出现突 变 ， 该 突变点与材料疲 劳过程 中的 一定 的塑性变形 量相对应 。 在 应力水平低于材料的 屈 服极 限时 ， 突变点大 约在疲 劳寿命 的 期间 如果应力水 平 接近 或超过材料 的屈 服极限 ， 突 变点 则大大提 前 。 对于 疲 劳寿命的无 损检测 来说 ， 只有在应 力水平低于材料的屈 服极限 时才有意 义 ， 因此 根据本文 所得结论可 以预测最后 的疲劳破坏 。 对这种磁致 技术的进 一步研究可能 发 展成为对疲 劳研究方面的 一种较好的无损检测方法 。 参 考 文 献 · · ， ， 一 ， · ， ， · 五 ， ， ， 一 ， ， 一 万 ， 手 了 ， 名