INFLUENCE OF LOADING RATE HISTORY ON THE EVOLUTION OF PIEZOMAGNETIC FIELD OF FERROMAGNETIC MATERIALS
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摘要: 以往的研究已经证明加载速率会对铁磁性材料的力学行为和周围压磁磁场产生影响，为了进一步研究历史加载速率对后续压磁磁场演变规律的作用，对Q345工程结构钢进行了一系列循环拉伸试验，采用磁通仪对试件压磁磁场进行在线监测，研究试件在经历不同的历史加载速率后，其压磁磁场的演变规律。结果表明：加载速率历史是影响压磁磁场演变的重要因素之一。Abstract: Previous studies of other pertinent literatures have proved that the loading rate will affect the mechanical behavior and the surrounding piezomagnetic field of ferromagnetic materials. In order to further study the effect of loading rate history on the evolution of the piezomagnetic field, this study have performed a series of cyclic loading tests on Q345 steel. During the test, a magnetic flux meter was used to monitor the surrounding magnetic field of the specimen, and the evolution of the piezomagnetic field of the specimen after different maximum loading rates was studied. The results show that the loading rate history is one of the important factors affecting the evolution of the piezomagnetic field.
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铁磁性材料由于在强度、韧性等方面性能优良，在建筑结构、海洋工程、机械工业等各个工程领域中都有广泛的应用。钢材在实际服役过程中会受到复杂的应力变化，以往的研究中，对于应力、应力历史、加载速率等因素对压磁磁场演变规律的影响都进行过分析，也有学者提出加载速率历史可能会作为一个影响因素改变材料的微观结构从而改变材料周围的压磁磁场。但是到目前为止，还没有相关研究对此问题进行分析。胡家杰等[1]对不同加载速率下的PD3钢轨进行了疲劳裂纹扩展性能实验研究，研究了弯矩作用下PD3钢轨发现在动态条件下材料的断裂韧性与加载速率有较强的相关性。林宏[2]研究了不同种类的高强度钻杆钢在不同加载速率下的拉伸性能和断裂韧性，结果表明：随着加载速率的升高，钢材的屈服强度逐渐增加，伸长率逐渐下降，同时断裂韧性都呈下降趋势。喻秋等[3]进行了3组拉扭加载速率的试验，研究发现随着加载速率的增加，低碳钢的延伸率增加，断面收缩率减小；抗拉强度、屈服极限和扭转强度提高。张达[4]研究了不同加载速率对钢材受拉时压磁磁场变化的影响，发现不同的加载速率对压磁效应中的磁信号有不同程度的影响，并且在材料弹性阶段和塑性阶段中有区别。
基于压磁效应的磁测量技术在近几年受到广泛关注，当铁磁性材料受到外部应力作用时，内部磁导率发生变化，从而引起材料自身的周围磁场发生改变。由于材料磁化强度的改变基于磁畴结构的运动，而典型的磁畴结构的尺度是 10 μm 级别的，与微小缺陷的尺寸相符合[5]，因此磁场可以用来应用于材料的损伤检测，反映材料早期的内部损伤。Guralnick等[6-7]对AISI 1018钢材试件进行疲劳加载并记录压磁磁场，发现磁场-应变曲线比应力-应变曲线对材料的疲劳损伤更为敏感，能够反映出更多的信息。Vandenbossche等[8]进行了一系列低周疲劳压磁试验，结果表明：压磁信号与传统力学参数的变化趋势一致，都符合疲劳损伤三阶段的规律，验证了压磁技术在疲劳损伤检测中的可行性。包胜等[9-11]在多年的研究中，采用压磁磁场作为特征参量，研究了在各种变量下压磁磁场的演变特征，反映了不同变量对材料疲劳性能的影响，从而对材料的疲劳寿命进行更准确的评估。靳静等[12]和胡克强等[13]研究了电磁效应下，应力、应变、电场与磁场之间的关系式。
相关的研究已针对加载速率、外加荷载大小、非对称加载等变量对压磁磁场演变过程的影响进行了分析，结果表明：以磁场作为特征参数，能够在材料出现早期疲劳损伤时表现出更为明显的变化，在不同的加载方案下，磁场的演变特征有所区别，说明各个变量因素能够对材料的疲劳损伤产生不同的影响。本文是对此系列疲劳试验的进一步研究，对Q345标准试件进行了加载速率逐级递增或递减的循环加载，研究了材料在不同的加载速率下疲劳损伤的累积过程，通过压磁磁场反映材料不同程度的疲劳损伤。
1 试验
试验材料采用Q345合金钢，这种钢材有良好的塑性和焊接性，广泛用于建筑、桥梁、车辆、船舶、压力容器等各个工程领域。加工成如图1所示的光滑标准试件，Q345的化学成分和性能信息如表1和表2所示。
加载系统的主要组成如图2所示，主要包括电子万能试验机、MTS型引伸计、磁通门磁通仪和数据采集系统。试验机最大测量精度为±0.5%，最大载荷为200 kN，测量应变的MTS引伸计最大量程10 mm，磁通仪的测量范围为±10 000 nT。试验在室温下进行，在整个加载过程中对试件周围压磁磁场的变化进行实时监测，磁力计尖端与试件表面的距离约为10 mm，磁场探头与水平呈45°角。为了减少外部环境对磁场的干扰，试验采用橡皮筋代替钢弹簧用来安装引伸计，并使用Mu管包裹磁力计以减少外部环境磁场的影响，以往的试验已经证明，通过这种方法可以有效的减少环境磁场的干扰[3]。
表 1 Q345钢的化学成分Table 1. Chemical compositions of Q345 alloy steel/(wt%) 材料 C S Mn P Si Q345 0.16 0.01 0.71 0.018 0.19 表 2 Q345钢的力学性能Table 2. Mechanical properties of Q345 alloy steel材料 弹性模量
E/GPa屈服强度
σy/MPa极限强度
σu/MPaQ345 219 380 570 试件的加载步骤如表3所示。采用的循环应力为频率1 Hz的三角波，数据采样频率为1000 Hz。由于Q345的屈服强度为345 MPa，为了避免塑性应变对试验结果产生影响，试验的加载应力选取300 MPa。试件由20 MPa加载到300 MPa然后卸载到20 MPa为完成一个循环，以加载速率作为变量共设计了四组试验，分别为加载速率逐级等差递增和递减、等比递增和递减，每组试件取一个具有代表性的试件进行深入分析。对试件进行分级加载，每一级加载10个循环，10次循环结束后进行一次速率为5 mm/min的加载作为标准对照速率循环。在整个加载过程中，试件的应力、应变和压磁磁场都做了完整记录，取每一级的标准对照速率循环进行分析。
表 3 试验步骤Table 3. Loading steps of each specimen试件 加载最大应力/MPa 加载、卸载速率/(mm/min) 循环次数/次 Q345-1 300 3, 6, 9,…27, 30 10 Q345-2 300 30, 27, 24,…6, 3 10 Q345-3 300 0.5, 1, 2,…16, 32 10 Q345-4 300 32, 16, 8,…1, 0.5 10 2 试验结果与分析
2.1 加载速率等差逐级加载
图3给出了Q345-1试件在加载速率等差逐级加载下标准对照速率的力磁关系演变规律。从图3中可以看出，历史加载速率对后续磁场信号产生了较大影响，历史加载速率不会引起力磁关系曲线形态上的改变，但是当历史加载速率逐渐从3 mm/min增加到30 mm/min时，标准对照速率的力磁关系曲线不断向上移动。
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图 3 Q345-1试件标准对照速率的力磁关系曲线Figure 3. The force-magnetic relationship curve of the standard rate of Q345-1 specimen图4表现了随着历史加载速率变大，Q345-1试件标准对照速率的力磁关系曲线中曲线交点的应力Stress、磁场值B Field和曲线初始点及最大应力点的磁场值B0和BM的演变趋势。从图4中可以看出，交点的磁场值B Field、B0、BM呈现出一致的变化趋势。 当加载速率为6 mm/min时，磁场变化较大，相比于加载速率为 3 mm/min 时，对应的B Field、B0、BM分别增大了约57 nT、25 nT和33 nT；当加载速率为 9 mm/min 时，磁场变化相对减缓，B Field、B0、BM比加载速率为6 mm/min时增大约22 nT、18 nT和24 nT；当历史加载速率为12 mm/min时，磁场变化程度大幅减缓，B Field、B0、BM比加载速率为9 mm/min时仅增大了15 nT、7 nT和12 nT；当加载速率大于12 mm/min时，磁场变化率趋于饱和，B Field、B0、BM近似于线性变化，每级历史加载速率比上一级增加约4 nT~6 nT。曲线交点对应的应力值则随着加载速率历史的增加基本保持不变，维持在225 MPa左右。
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图 4 试件标准对照速率力磁关系曲线中曲线交点及曲线起始点、终止点的演变趋势Figure 4. The evolution trend of B0, BM, Stress and B Field in the force-magnetic relationship curve of Q345-1 specimen图5表示了在反向加载过程中Q345-2试件的力磁关系曲线，由于反向加载下曲线变化不明显，因此，取加载速率为3 mm/min、15 mm/min和 30 mm/min下的三条力磁关系曲线进行分析。当历史加载速率逐级下降时，标准力磁曲线缓慢上移，变化幅值很小。当加载速率为30 mm/min时，标准力磁曲线最大应力对应磁场为304 nT；加载速率为3 mm/min 时，标准力磁曲线最大应力对应磁场为313 nT，两者相差仅7 nT，远远小于正向加载时的差值200 nT。同样的，图6也表现了相同的结果，随着历史加载速率逐级下降，在初始30 mm/min、27 mm/min等几级历史加载速率下，磁场参数略有下降，幅值约10 nT，随后磁场呈现波动变化，但是变化幅值极小。也就是说，当加载顺序为反向加载时，随着历史加载速率减小，标准对照速率的力磁关系变化很小。当历史加载速率比较大的时候，力磁关系曲线略有下降，随着历史加载速率减小，力磁关系曲线呈小幅度波动。
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图 5 Q345-2试件在30 mm/min、15 mm/min、3 mm/min历史加载速率下标准对照速率的力磁关系曲线Figure 5. The force-magnetic relationship curve of the standard rate of the Q345-2 specimen at the historical loading rate of 30 mm/min, 15 mm/min, and 3 mm/min![]()
图 6 Q345-2试件标准对照速率力磁关系曲线中Stress、B Field、B0、BM的演变趋势Figure 6. The evolution trend of Stress、B Field, B0, BM in the force-magnetic relationship curve of Q345-2 specimen2.2 加载速率等比逐级加载
随着历史加载速率从0.5 mm/min增大到32 mm/min，标准力磁曲线不断向上移，如图7所示。在历史加载速率逐渐增大的过程中，当加载速率比较小(低于4 mm/min)的时候，压磁磁场曲线快速上移，呈现出较大的敏感性，以维拉里倒逆点为例，如图8所示。在历史加载速率为0.5 mm/min时维拉里倒逆点的对应磁场为591 nT；当加载速率增长到1 mm/min后维拉里倒逆点对应的磁场增长到601 nT，增长率为10 nT/(mm/min)；当历史加载速率逐渐增大，磁场曲线上移的速率逐渐下降，并趋于饱和。在加载速率为8 mm/min时维拉里倒逆点对应磁场为618 nT；加载速率增长到32 mm/min后，维拉里倒逆点对应的磁场增长到627 nT，增长率为0.375 nT/(mm/min)。可以看到曲线在卸载过程的最后阶段保持线性趋势，因此，将曲线在卸载的最后阶段进行拟合并汇总其斜率如图9所示。从图9可以看出，在Q345-3的卸载阶段末，不论速率加载历史如何变化，其曲线的斜率处于6.15左右，维持一个稳定的状态。
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图 7 Q345-3试件标准对照速率的力磁关系曲线Figure 7. The force-magnetic relationship curve of the standard rate of Q345-3 specimen![]()
图 8 Q345-3试件标准对照速率力磁关系曲线中BV的演变趋势Figure 8. The evolution trend of BV in the force-magnetic relationship curve of Q345-3 specimen从图10可以看出，随着历史加载速率从32 mm/min减少到0.5 mm/min，标准力磁曲线在小范围内波动。磁场曲线的维拉里倒逆点、尾部倒逆点和应力极值点对应的磁场值如图11所示，从图11中可知，在历史加载速率逐渐增大的过程中，维拉里倒逆点、尾部倒逆点、应力极值点对应的磁场值基本保持稳定，其中应力极值点对应的磁场值变化幅度最大，在整个加载过程中，磁场最大值和最小值相差仅有5 nT。
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图 9 Q345-3试件标准对照速率力磁关系曲线中卸载过程末曲线斜率的演变趋势Figure 9. The evolution trend of the slope at the end of unloading process in the force-magnetic relationship curve of Q345-3 specimen![]()
图 10 Q345-4试件标准对照速率的力磁关系曲线Figure 10. The force-magnetic relationship curve of the standard rate of Q345-4 specimen![]()
图 11 Q345-4试件标准对照速率力磁关系曲线中BV、BT、B的演变趋势Figure 11. The evolution trend of BV, BT, B in the force-magnetic relationship curve of Q345-4 specimen在应力加载过程中，钢材的内部微损伤(微裂纹、位错等)主要沿枝晶间产生和发展，其演化形态明显地随加载速率不同而不同。在低历史加载速率向高历史加载速率转变的过程中，钢材的微损伤逐渐饱和，使得磁畴的运动随之饱和，压磁磁场表现为变化逐渐平缓，而反复的高加载速率使微损伤直接达到饱和状态，后续的低加载速率对微损伤影响有限，因此，在加载过程中压磁磁场相对稳定。
以上试验说明：材料所经历的高加载速率历史对后续的疲劳作用下的应力-应变关系有明显的影响。由于材料都有一定的粘滞性，所以应力-应变曲线上某一点的应变和压磁磁场的大小不仅与该点此时的应力和加载速率有关，而且与达到该应变以前的整个变形过程的历史加载有关。因此，若想完整地描述材料的力学性能，就必须考虑历史加载速率的影响。
3 结论
本文通过对Q345材料施加变速应力循环荷载，研究了应力加载速率历史对材料疲劳性能的影响。通过试验可以得出以下结论：
(1)应变率历史对后续加载的压磁磁场演变规律有较大的影响。
(2)当历史应变率是从小到大增加时，压磁磁场对小应变率的加载历史更加敏感，当历史应变率不断增加，对压磁磁场的影响也会趋向于饱和，磁场的特征参数诸如曲线交点以及最大最小应力点的磁场值也有相似的变化趋势。
(3)在经历了较大的应变率历史之后小的历史应变率对后续压磁磁场演变不产生影响，相应的曲线斜率、曲线交点磁场值、最大最小应力点以及倒逆点对应的磁场值都基本保持一个稳定的状态。
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图 3 Q345-1试件标准对照速率的力磁关系曲线
Figure 3. The force-magnetic relationship curve of the standard rate of Q345-1 specimen
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图 4 试件标准对照速率力磁关系曲线中曲线交点及曲线起始点、终止点的演变趋势
Figure 4. The evolution trend of B0, BM, Stress and B Field in the force-magnetic relationship curve of Q345-1 specimen
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图 5 Q345-2试件在30 mm/min、15 mm/min、3 mm/min历史加载速率下标准对照速率的力磁关系曲线
Figure 5. The force-magnetic relationship curve of the standard rate of the Q345-2 specimen at the historical loading rate of 30 mm/min, 15 mm/min, and 3 mm/min
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图 6 Q345-2试件标准对照速率力磁关系曲线中Stress、B Field、B0、BM的演变趋势
Figure 6. The evolution trend of Stress、B Field, B0, BM in the force-magnetic relationship curve of Q345-2 specimen
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图 7 Q345-3试件标准对照速率的力磁关系曲线
Figure 7. The force-magnetic relationship curve of the standard rate of Q345-3 specimen
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图 8 Q345-3试件标准对照速率力磁关系曲线中BV的演变趋势
Figure 8. The evolution trend of BV in the force-magnetic relationship curve of Q345-3 specimen
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图 9 Q345-3试件标准对照速率力磁关系曲线中卸载过程末曲线斜率的演变趋势
Figure 9. The evolution trend of the slope at the end of unloading process in the force-magnetic relationship curve of Q345-3 specimen
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图 10 Q345-4试件标准对照速率的力磁关系曲线
Figure 10. The force-magnetic relationship curve of the standard rate of Q345-4 specimen
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图 11 Q345-4试件标准对照速率力磁关系曲线中BV、BT、B的演变趋势
Figure 11. The evolution trend of BV, BT, B in the force-magnetic relationship curve of Q345-4 specimen
表 1 Q345钢的化学成分
Table 1 Chemical compositions of Q345 alloy steel
/(wt%) 材料 C S Mn P Si Q345 0.16 0.01 0.71 0.018 0.19 
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表 2 Q345钢的力学性能
Table 2 Mechanical properties of Q345 alloy steel
材料 弹性模量
E/GPa屈服强度
σy/MPa极限强度
σu/MPaQ345 219 380 570
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表 3 试验步骤
Table 3 Loading steps of each specimen
试件 加载最大应力/MPa 加载、卸载速率/(mm/min) 循环次数/次 Q345-1 300 3, 6, 9,…27, 30 10 Q345-2 300 30, 27, 24,…6, 3 10 Q345-3 300 0.5, 1, 2,…16, 32 10 Q345-4 300 32, 16, 8,…1, 0.5 10
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