磁测技术应用：残余应力基础理论及应用

构件中较大的应力将会影响力学性能、耐腐蚀性能、疲劳性能和尺寸精度。关于残余应力在构件中的分布、应力的大小以及消除由应力引起的损伤，都已成为近年来研究的重点［23］。

用于测量残余应力的磁测法，是一种基于应力作用下铁磁材料磁性变化的非破坏性方法。首先，强磁场激励铁磁材料，然后根据磁致伸缩效应或磁弹性效应测量残余应力［24-30］。这种方法已被认为是一种简单且非接触式的测量方法。但它也有几个缺点，比如设备笨重、磁化不均匀以及剩磁。最关键的是，它在测试中需要一个非常强大的磁场。

通过对传统方法的改进，研究人员发现可以通过测试铁磁材料上方的漏磁通，来给出残余应力的分布，这就避免了传统磁测法中未采用人造磁场的不足。下面介绍使用改进方法测试具有Y型倾斜焊缝试样的应力分布。

所测试的试样是20号钢板，其上有一个Y型倾斜焊接电弧焊缝。为了消除接缝形状对磁场的影响，接缝的较高部分已经刨平，以满足接缝与母板的高度相同。试样的厚度为10 mm。接缝的平均宽度约为8 mm，其深度约为7 mm。

将试件水平放置在地磁场中，然后在距离试样表面10 mm高度处检测漏磁通（MFL）的法向分量。将MFL信号放大并过滤，然后进行A/D转换和采样。最后，与这些采样点相对应的MFL数字信号会被传送到计算机以供RS232进一步处理。由于检测区域内的地磁场可以视为均匀场，MFL信号将显示试样中的残余应力。图4-7显示了测试方法，测试平面中的交叉点即为MFL采样位置。

图4-7　MFL应力测试方法的示意图

图4-8显示了一个通过MFL方法测试残余应力的系统。系统中的磁性探头是磁阻装置（MRD），磁性测试系统模块执行探头驱动、MFL信号的放大和滤波、A/D转换以及RS232通信功能。那些高于试样10 mm的MFL信号是通过扫描三维平台获得的。扫描台采用铝合金制作，避免了对空间地磁场分布的影响，试样的焊缝沿台架南北方向水平放置。

图4-8　磁测法的应力测试系统

使用上述方法检查磁场的法向分量。图4-9显示了MFL幅值的分布。X坐标表示远离焊缝的位置，Y坐标表示沿焊缝方向的位置，垂直坐标Z表示不同位置处MFL幅值的法向分量。(www.xing528.com)

图4-9　试样上方10 mm处MFL法向分量的空间分布

从图4-9可以看出，MFL的幅值并不受Y坐标的影响，只是根据X坐标而变化。为了更清楚地看到MFL的法向分量和X方向位置之间的关系，从图4-9中截取曲线如图4-10所示，它的水平坐标是远离焊缝一侧的位置。

图4-10　试样上方10 mm处MFL法向分量的一维分布

图4-11给出的是采用小孔法获取的焊缝附近的应力分布结果。L是从应力测试位置到焊缝的距离，Ry表示平行于焊缝的主应力。比较图4-10和图4-11，可以看到MFL的法向分量与试样中的应力存在着一致的变化趋势。沿焊缝的拉应力增大了MFL的法向分量，压应力则反之。

图4-11　小孔法测得的应力分布

图4-12给出了磁场信号和应力的正则化曲线，其中N-MFL表示MFL法向分量的正则化值，RyR表示沿焊缝方向的主应力正则化值，以及L显示远离焊缝的距离。图4-12中的两条曲线显示了非常相似的变化趋势，这对通过MFL的分布来确定应力的分布而言，是很重要的。

图4-12　MFL和应力的法向分量关于远离焊缝距离的正则化曲线

在多晶铁磁材料中，如果没有磁场和内部应力的存在，那么磁畴沿着各个方向的概率将是相同的，所以材料上方没有漏磁通。铁磁材料中的应力会改变磁畴的方向，并表现为局部磁特性异常，这将在铁磁材料之上形成漏磁通。拉应力导致磁畴的易轴趋于平行于应力方向，而压应力易导致磁畴的易轴垂直于应力方向。在上述实验中，沿Y轴方向的拉应力导致磁畴的易轴平行于它。沿Y轴方向的压应力使磁畴的易轴向垂直于它的方向转动。应力的大小和方向根据应力集中而变化，并导致铁磁材料上方产生的不同漏磁通。因此，这成功解释了试样中MFL的法向分量与Y轴方向上应力的一致变化趋势，所以，使用磁测法可以有效地进行铁磁材料的残余应力测量。