基于金属磁记忆检测的废旧件疲劳损伤评价

陈善功,蹤雪梅,黄海鸿,王光存,何 冰

(1.江苏徐工工程机械研究院有限公司, 徐州 221004；2.高端工程机械智能制造国家重点实验室, 徐州 221004；3.合肥工业大学 绿色设计与制造研究所, 合肥 230009;4.燕山大学 信息科学与工程学院, 秦皇岛 066004)

铁磁性材料的缺陷是工业安全生产的严重隐患，必须进行严格检测[1]。液压缸作为液压传动系统中的执行元件，是工程机械中的主要部件，其可将液压能转换成机械能，与各种传动机构相配合，完成相应的机械运动。废旧液压缸具有很高的再制造价值，但是由于工程机械服役工况条件恶劣，液压缸在服役过程中会存在细微损伤，其外在表现形式为局部应力集中。存在损伤的再制造液压缸在交变工作油压的作用下，裂纹会经历萌生和扩展至瞬时断裂阶段，甚至造成爆缸等失效，从而引发安全事故[2]。因此，对废旧液压缸进行早期损伤的无损检测与分析是十分重要的，可为产品能否再制造提供科学依据[3]。

金属磁记忆检测作为一种新型的无损检测技术[4-6]，因具有早期诊断的潜力而引起了极大关注。铁磁性物质在地磁场与外应力的共同作用下，应力和变形集中区的磁畴状态发生不可逆的变化，在材料表面突变的漏磁信号以“磁记忆”形式记录下来[7-8]。在应力集中区域，表面自有漏磁场的法向分量Hp(y)过零点，水平分量Hp(x)具有最大值，在工作载荷消除后依然保留这种“记忆”，从而指示出应力集中位置。徐滨士[9-10]等研究了试样疲劳载荷下磁记忆信号的峰值变化及磁场梯度随疲劳循环累积的变化情况。YAN[11]等对湿蒸汽发生器炉管施加疲劳载荷，采用磁记忆信号梯度K值识别炉管疲劳损伤产生的应力集中区，实现潜在危险区域的早期诊断。但这些研究结果都未能与分析疲劳断裂问题建立起量化关系，也无法为零部件的再制造检测提供更加深入的理论判据。

文章以某转向液压缸缸筒为研究对象，研究其标准试样在疲劳裂纹扩展过程中磁记忆信号的变化规律，并基于统计学理论，建立零/部件评估阈值区间，引入缺陷定位指标法向分量梯度最大值Kmax与信号的均方根值RMS的差和2倍标准偏差σ之间的关系，依据3者之间的关系，定量分析了废旧液压缸的疲劳损伤临界断裂状态。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

从某转向液压缸缸筒取样，材料为45钢，取样位置为液压缸常见爆缸失效部位，即缸筒中心位置，试样规格依据GB/T 2975-2018和GB/T 3075-2008等国标要求。试样取样位置及其尺寸、检测路径如图1所示，图中1，2，3号虚线为磁记忆信号检测线。

图1 试样取样位置及其尺寸、检测路径示意

1.2 试验仪器

磁记忆信号检测仪器采用俄罗斯动力诊断公司生产的TSC-2M-8型磁记忆检测仪，量程为±2 000 A/m，灵敏度为1 A/m。残余应力检测采用加拿大Proto制造有限公司生产的iXRD残余应力检测仪，检测精度为 ±8 MPa，检测点尺寸为0.2 mm。在长春机械科学研究院有限公司生产的SDS-100电液伺服疲劳试验机上进行疲劳试验。

1.3 试验方法

取疲劳试样在疲劳试验机上进行拉-拉疲劳试验，在疲劳载荷的作用下(100 MPa；正弦波形；应力比为0.1；加载频率f=5 Hz)，循环次数依次加载到预定周次。加载到预定循环次数后将试样取下，水平放置于无电磁干扰的环境中，采用磁记忆检测仪对检测路径进行离线检测。残余应力检测沿检测线方向进行逐点检测，每条检测线上有7个点，检测点之间间距为10 mm。

2 试验结果与分析

2.1 磁记忆信号与疲劳次数之间的关系

在试样的3条检测线上测量表面磁记忆信号，发现相对应的线1和线3上的磁记忆信号虽然在幅值上略有差别，但却有着相同的变化规律。为了方便描述，对检测线1，2上的磁记忆信号随拉伸疲劳次数的变化规律进行研究。

图2和图3分别为检测线1，2上磁记忆信号随疲劳次数的变化规律，从图中可以看出，初始情况下，试样表面经交流退磁器退磁后趋于平稳。在检测线1上，由于预设缺陷的存在，在疲劳拉伸初期就有磁记忆信号的畸变，其表现为切向分量Hp(x)出现最大值，法向分量Hp(y)过零点；随着疲劳次数的增加，这种畸变幅值越来越大。在检测线2上，由于远离预设缺陷，在疲劳拉伸的初期，磁记忆信号并没有明显的变化；当疲劳次数超过25 000次后，磁记忆信号出现明显的“切向分量Hp(x)出现最大值，法向分量Hp(y)过零点”特征，且随疲劳次数的增加，这种特征越来越明显；在疲劳循环次数达到32 377次时，试样发生断裂，在临界断裂前检测线1，2均出现“磁化反转”的现象。

图2 检测线1上磁记忆信号随疲劳次数的变化情况

图3 检测线2上磁记忆信号随疲劳次数的变化情况

2.2 残余应力随裂纹扩展的变化关系

当试样处在弹性变形阶段时，对试样卸载后其内部的残余应力变化较小，故只研究塑性变形阶段其残余应力与疲劳循环次数的变化关系。由于试样左右缺口均为对称缺口，因此只对检测线1和检测线2进行试样表面残余应力变化规律的研究。

图4为初始阶段试样表面各检测线上的残余应力分布情况。图中各点残余应力为-125 MPa～7 MPa，除检测线1的中点位置外所有残余应力均为负值，即初始状态试样表面均受压应力。线1中间点为预制缺口位置，此处残余应力为7 MPa，性质为拉应力。由于试样缺口经切割预制，该加工过程破坏了材料内部原有的应力平衡状态，即其应力状态重新分配而导致了拉应力的出现。

图4 初始阶段试样表面各检测线上的残余应力分布

图5为试样在不同疲劳次数时表面的残余应力分布。由图5(a)可知，随着循环周次增加到25 000次，各条检测线上的残余应力均有变化，这表明检测线1预设缺陷尖端处开始出现滑移裂纹，此时各条检测线上的残余应力均有变化。试样两端各点由于受到夹头夹紧的作用，其残余压应力有所增大。残余应力在检测线1和线2中间点处发生了较大的变化，均由负值变为了正值，由压应力状态转变成了拉应力状态；随着循环周次增加到30 000，裂纹已扩展至试样中间部位，如图5(b)所示，各条检测线上中间点的残余应力增大，检测线上其余各点残余应力变化不大，与25 000周次时基本处于同一水平，说明随疲劳周次的增加，试样缺陷处的残余压应力下降，残余拉应力上升，而远离疲劳裂纹的各点受到疲劳拉伸作用的影响并不大。随着循环周次的进一步增加，当达到32 377次时试样断裂。图5(c)为试样断裂后表面残余应力的分布情况。随着试样的断裂，之前积聚在检测线1与线2中间点处的残余拉应力大幅减小，残余压应力增大。结合试样断口形貌分析，试样的检测线1和线2处在断裂之前已存在宏观裂纹，试样疲劳断裂后其内部的局部应力集中得到释放，使得残余应力大幅减小到初始应力状态。远离裂纹的各点随疲劳周次的增加，受压状态没有发生改变且幅值保持稳定。

图5 不同疲劳次数时，试样表面残余应力分布

3 评估模型的建立

3.1 确定评估阈值

根据一般统计规律，以正态分布2σ水平，即95%的置信水平，对阈值进行区间估计。区间估计是从点估计值和抽样标准出发的，按给定的概率值建立包含待估计参数的区间，即称为置信区间。

以液压缸缸筒为例，根据现有试验数据，在不考虑工艺影响的情况下，选择10组液压缸缸筒检测样本数据进行计算分析(见表1)。

表1 液压缸缸筒检测样本数据 A·m-2

Kmax为磁记忆信号梯度的最大值，其定义如式(1)所示。

(1)

式中：ΔHp为两检测点之间的磁记忆信号法向分量差值；ΔL为两检测点之间的距离。

假设磁记忆指标体系在检测过程中服从正态分布N(μ,σ2)，可以分别求出置信水平为95%的分布区间。

(2)

即，置信区间为(42.35-5.4, 42.35+5.4) = (36.95, 47.75)，基于以上分析计算，可以得到缸筒材料的法向分量梯度最大值的期望置信区间为36.95～47.75，其标准差均值为8.67。根据所需要的精度，就可以确定检测阈值的大小。值得注意的是，该阈值需要在工程中进行数据积累并对其进行修正，随着样本容量的增大，阈值的可靠性将逐渐增大。

3.2 建立评估规范

在该评估模型的具体应用中，首先，根据零件的材料、工艺、部位确定阈值修正方法；其次，对实际零件进行检测，得到其表面磁记忆信号分布；最后，分析磁记忆信号，确定废旧件损伤程度，进行疲劳损伤再制造性评价。磁记忆信号评估指示与零件寿命的关系曲线如图6所示。

图6 磁记忆信号评估指标与零件寿命的关系曲线

根据液压缸的载荷过程与磁信号分析，处于正常工作应力下，不会出现明显磁记忆信号，此时缺陷定位指标法向分量梯度最大值Kmax与信号的均方根值区别不明显，判断依据为

Kmax-RMS<2σ

(3)

该阶段处于图7中的初始阶段，可以认为液压缸还具有90%以上的剩余寿命。

当液压缸在使用过程中，由于某种原因(偏载、撞击等)出现明显磁记忆信号时，可以依据法向分量梯度最大值Kmax对缺陷位置进行定位，判断依据为

2σ≤Kmax-RMS<3σ

(4)

该阶段处于图中的平稳波动阶段，其磁记忆信号反映了应力集中处漏磁场的大小，一方面，说明在该阶段应力集中处的漏磁场处于稳定状态，材料内部的位错密度在一个稳定状态附近波动，位错的数量保持在动态平衡状态。同时，在塑性区域形成位错偶极子和位错单元结构，且位错的钉扎作用引起位错群的形成，从而造成位错塞积、空位聚合，形成空洞、萌生微裂纹。另一方面，磁记忆信号特征值的波动同时也和加载、卸载过程中的偶然随机因素有关。

根据定位指标确定位置之后，再依据评估指标，对损伤程度进行判断。从图6可以看出，磁记忆评估指标随循环周次的增加具有递增的趋势，同时在上下阈值范围内波动。针对不同的材料，可以对阈值范围进行一定的修正，进而评定废旧液压缸的剩余寿命。

第三阶段为失效阶段，此时磁记忆信号的法向分量梯度最大值Kmax快速增大(见图6失效阶段)，判断依据为

Kmax-RMS≥ 3σ

(5)

在该阶段，试样表面开始出现可见裂纹，在裂纹处出现法向梯度最大值，此时液压缸进入疲劳寿命末期。

4 结语

(1) 切口试样在疲劳裂纹扩展过程中，随裂纹扩展程度及检测位置的不同，磁记忆信号呈现不同规律，Hp(y)随疲劳裂纹扩展周次的增加呈现出增大的趋势，可以通过其表征疲劳裂纹累积损伤程度。

(2) 通过统计学理论方法与试验研究，归纳出了疲劳损伤定量评价模型，并且提出定量化评估的阈值，阐述了法向分量梯度最大值Kmax与法向信号均方根值RMS的差和信号的2倍标准偏差σ之间的关系。

(3) 液压缸作为存有量大、易失效的废旧零件，具有较高的回收再制造价值，提出的评估模型为废旧件损伤的再制造性定量评价提供了思路。