金属磁记忆信号特征与应力集中区定量关系研究

一、引言

在现代工程领域，金属构件的安全服役至关重要。应力集中作为导致金属构件失效的关键因素，易引发疲劳裂纹与脆性断裂。金属磁记忆检测技术能有效识别应力集中区，其独特优势在于可检测早期损伤且无需磁化设备。然而，目前对该技术中磁信号特征与应力集中区定量关系的研究尚不完善。深入探究此关系，对提升金属构件安全评估精度意义重大。

二、金属磁记忆效应原理

2.1 磁畴理论基础

铁磁性金属内部存在大量磁畴，正常状态下磁畴随机取向，宏观磁性相互抵消。当金属受应力作用时，应力集中区的磁畴会发生定向或不可逆的重新取向。这是由于应力改变了磁畴间的能量平衡，促使磁畴朝着降低体系能量的方向调整。如在单向拉伸应力下，部分磁畴会逐渐沿应力方向排列，致使金属表面磁特性发生变化。

2.2 地磁场与应力的协同作用

处于地磁场环境中的铁磁性金属构件，在地磁场与外部应力的共同影响下，磁记忆效应更为显著。地磁场为磁畴的重新取向提供了初始磁场背景。当构件承受应力时，应力集中区域的磁畴在克服一定能垒后，会在地磁场作用下重新排列。这种排列方式与应力大小、方向密切相关，从而在金属表面形成特定的磁信号分布。例如，在构件的拐角、孔洞等应力集中部位，磁信号会出现明显异常。

2.3 磁记忆信号产生机制

应力集中引发磁畴重新排列，进而产生磁记忆信号。在应力集中区，磁畴的重新分布导致金属内部的磁导率发生变化。当磁导率不均匀时，会在金属表面产生漏磁场，形成磁记忆信号。漏磁场强度的切向分量 Hp(x)在应力集中区达到最大值，而法向分量Hp(y)会改变符号并出现零值。

三、实验设计与数据采集

3.1 试件制备

选用Q235 钢材制作试件，加工成带有不同程度应力集中特征的形状。包括在试件上设置不同尺寸的圆孔、矩形缺口等，以模拟实际工程中常见的应力集中情况。对试件进行严格的加工精度控制，确保各应力集中特征的尺寸一致性。加工完成后，对试件表面进行打磨处理，去除加工痕迹，保证表面光洁度，避免因表面粗糙度影响磁信号检测。

3.2 实验设备搭建

采用专业的金属磁记忆检测仪作为磁信号检测设备。该检测仪配备高精度磁敏传感器，可精确测量磁信号的法向分量 Hp(y) 和切向分量 Hp(x) 同时，利用电子万能试验机对试件施加不同等级的载荷，模拟实际工作中的受力状态。在加载过程中，通过位移控制方式保证加载速率的稳定性，确保实验数据的可靠性。将金属磁记忆检测仪与电子万能试验机进行同步数据采集，实现磁信号与应力加载的实时对应。

3.3 数据采集过程

在实验开始前，对金属磁记忆检测仪进行校准，确保测量数据的准确性。首先，对未加载的试件进行初始磁信号测量，记录背景磁信号数据。然后，在电子万能试验机上对试件逐步加载，从低载荷开始，以一定的载荷增量逐级增加。在每个载荷等级下，保持加载稳定一段时间，待磁信号稳定后，利用金属磁记忆检测仪采集试件表面不同位置的磁信号数据。重点采集应力集中区及其周边区域的磁信号，包括法向分量 Hp(y) 和切向分量Hp(x)

四、实验结果与分析

4.1 磁信号法向分量与应力集中关系

随着应力增加，磁信号法向分量Hp(y)呈现出先增大后减小的趋势，这一现象在Q235 钢材试件的拉伸实验中表现得尤为显著。在应力集中初期，当施加的载荷从 0 逐渐增加至屈服强度的 30% 时，Hp(y)值以平均每 MPa载荷增长 0.8μT 的速率稳步上升，这一变化清晰地表明磁畴在应力作用下开始摆脱随机取向状态，沿着应力方向发生定向排列，使得金属内部的磁场分布逐渐趋于有序，漏磁场强度随之增强。当应力接近材料的屈服强度（约 235MPa ）时， Hp(y) 达到峰值，不同试件的峰值范围集中在 12-15μT 之间，此时磁畴的定向排列程度达到了一个临界点。随后，当应力进一步增加至屈服强度的 110% 时，磁畴排列逐渐趋于饱和，部分磁畴在持续应力作用下出现不可逆的畸变，原本有序的排列结构被破坏，导致 Hp(y) 值以每MPa 载荷下降 0.5μT 的速率逐渐回落。

4.2 磁信号梯度值与应力集中关系

磁信号梯度值 K 作为描述磁信号空间变化率的关键参数，与应力集中程度呈现出紧密的关联性，在实验中表现出独特的变化规律。在应力集中区附近，如试件缺口尖端 5mm 范围内，磁信号梯度值 K 的数值较非应力集中区高出 3-5 倍，例如在相同载荷条件下，缺口处的 K 值可达 15μT/m m，而远离缺口的平整区域 K 值仅为 3-5μT/mm ，这种显著差异直接反映了应力集中对磁信号分布的剧烈影响。随着应力从 0 逐渐增加至屈服强度的 100% ，K 值呈现出持续增长的态势，且增长速率逐渐加快，当应力为屈服强度的 50% 时，K 值平均为 8μT/mm ，当应力达到屈服强度的 90% 时，K值已增至 22μT/mm ，其变化趋势与应力加载曲线的斜率变化高度吻合，表明二者具有良好的一致性。通过对实验数据的量化分析发现，K 值与应力集中区的应力大小之间存在明确的指数函数关系，拟合得到的函数表达式为 K=2.1e^∧(0.012σ) )（其中 σ 为应力值），相关系数达到 0.94，这是因为应力集中程度越高。

4.3 建立定量关系模型

基于上述实验获得的磁信号法向分量 Hp(y) 极值和梯度值 K 与应力集中系数的相关性数据，采用多元线性回归分析方法，构建了金属磁记忆信号特征与应力集中区的定量关系模型。模型以应力集中系数SCF 为因变量，以 Hp(y)极值（μ T）和 K 值 ⟨μΔT/mm ）为自变量，通过对20 组有效实验数据的拟合计算，得到的回归方程为 SCF=0.52+0.08×Hp (y)极值 +0.03×K ，该方程的复相关系数达到 0.95，表明模型具有较高的拟合精度。为验证模型的可靠性，选取 5 组未参与建模的实验数据进行验证，计算得到的应力集中系数预测值与实际值之间的相对误差均小于 5% ，充分说明该模型能够较好地反映磁信号特征与应力集中区之间的定量关系。

五、结论

本研究通过对金属磁记忆信号特征与应力集中区的深入探究，明确了二者之间的内在联系。在应力集中区，磁畴组织的重新取向导致磁信号法向分量 Hp(y)和磁信号梯度值 K 发生显著变化。建立的定量关系模型揭示了磁信号特征参数与应力集中系数之间的定量对应关系。这一研究成果为金属磁记忆检测技术在工程实际中的应用提供了有力支撑，可有效提高金属构件应力集中检测的准确性和可靠性，为金属构件的安全服役提供重要保障。

参考文献

[1]司海飞,史震,胡兴柳.基于金属磁记忆检测的正交异性钢桥面板疲劳应力检测[J].南京工业大学学报(自然科学版),2024,46(04):472-478.

[2]孙晨灿.基于金属磁记忆检测的缺陷分类识别与方法研究[D].燕山大学,2024.

[3]吴凡,赵明辉,路坤桥,等.金属磁记忆检测技术在双金属复合管道上的探索应用[J].油气田地面工程,2024,43(04):48-52+62.