钢铁材料结构构件工作应力的检测方法及特点

钢铁材料结构构件工作应力的检测方法及特点

郑福胜

常熟市龙腾特种钢有限公司  江苏省常熟市  215511

摘要：应力是钢结构构件中的一个重要参数。为了判断在役钢结构构件的实际应力，验证设计计算结果的正确性和可靠性，对结构构件尤其是一些重要的结构构件进行应力检测是极其重要的。因此，有必要对钢结构构件的工作应力检测方法进行总结，并对比分析各种应力检测方法的优缺点，为更好地实现钢结构构件的实时应力监测奠定相关的理论基础。

关键词：钢铁材料结构；工作应力；检测方法；

利用巴克豪森效应检测应力;利用逆磁致伸缩效应测量应力;铁磁材料应力的磁弹性检测方法及磁记忆应力检测方法都包括在磁力耦和应力检测方法之中,这也正是一种不同于常规的无损检测的新思路,即基于磁特性的钢铁结构无损应力检测方法。这种基于钢铁材料磁力耦和特性的应力检测方法比常规无损检测方法先进了一步。

一、钢铁材料结构构件工作应力检测方法及特点

检测钢铁材料及其构件的应力及残余应力,一直受到工程界的重视。目前,还不能用通常的测力手段直接测量结构的应力,一般都通过测量由应力引起的材料的某种物理参数的变化,间接地得出应力的大小和方向。针对钢铁结构构件工作应力的检测方法,可归纳为以下三种:有损应力检测法;常规无损应力检测法;钢铁材料磁力耦合应力检测法。

二、有损应力检测法

1.削磨面积法。削磨面积法是很常见的一种检测方法，在测试的时候通常选取被测试对象的最大的受力部位为检测区，这种检测方法是有损的，并且不易实现。

2.小孔法。将有孔应变花放在检测对象的上，紧接着求出应变花的应力，然后要求出应变花电阻大小，最后求出被测物的应力。这种检测方法在计算数据较为准确，在计算精度方面占有优势，对于精度要求较高的测算，这种方法比较适合。

三、常规无损应力检测法

1.电阻应变计测量法。在所有的测试手段中,电阻应变计测量技术是应用最广泛、发展最完善的一种测量方法。它起源于19世纪。这种测量方法的原理是用电阻应变计测定表面应变,再根据应力、应变的关系式,确定构件表面应力状态的一种试验分析方法。将电阻应变计固定在被测构件上,构件变形时,电阻应变计的电阻将发生相应的变化。用电阻应变仪测量此电阻的变化,经过换算,就可以得到所测定的应力或应变。电阻应变计测量技术有许多优点,它测量精度和灵敏度高,频率响应好,测量范围广,易于实现测量的数字化、自动化及无线电遥测。其缺点是一个电阻应变计只能测定构件表面一点在某个方向的应变,而且测量时应变片必须与构件相接触,对动态在线检测来说,信号检出比较困难,而且影响其精度的因素较多。

2.X射线法。X射线法是利用X射线穿透金属晶格时发生衍射的原理,测量金属材料或构件表面层由于晶格间距变化所产生的应变,从而算出应力的一种方法。它可以无损地测量构件中的应力或残余应力,特别适宜于测量薄层和裂纹尖端的应力分布。用X射线测定应力时,其精度受到许多因素的影响,如被测试件材料的结构、晶粒的精细程度、衍射面的选择、X射线的波长、采用的测量方法、被测试件表面的光滑度和处理情况等,而且测量深度仅达几十微米,并且检测设备较复杂,现场测试不方便。

3.光弹性法。光弹性法就是将具有双折射效应的透明塑料制成的结构模型置于偏振光场中,当给模型加上荷载时,即可看到模型上产生的干涉图,测量此干涉条纹,通过计算,就能确定结构模型在受载情况下的应力状态。用这种光学原理研究弹性力学问题的试验方法,称为光弹性法。利用光弹性法,可以研究几何形状和荷载条件都比较复杂的工程构件的应力分布状态,特别是应力集中的区域和三维构件内部应力的问题。但这种方法仅适用于由光弹性材料制成的模型试验上。

四、钢铁材料结构构件应力检测法

1.巴克豪森效应应力检测法。巴克豪森(H.Barkhausen)发现铁磁物质被磁化时,在磁滞回线最陡的区域其磁化是阶梯式的,是不可逆的跳跃过程,这种不连续的磁化来源于磁畴和磁畴壁的不连续运动,它在探测线圈中所引起的噪音信号称为巴克豪森噪音(BN)。近些年来,有些研究者将巴克豪森效应的研究与克尔磁畴观察技术和透射电镜的微结构分析(位错、脱溶物、晶界、应力)结合起来,对材料的性能进行了分析研究,取得了较好的结果。铁磁材料的磁畴不可逆运动产生巴克豪森跳跃的同时,由于磁致伸缩作用,导致材料内部激起的应力波,称为磁力声发射,简称为磁声发射(MAE),它的频率在超声波范围,因为磁声发射也来源于磁畴的巴克豪森跳跃,所以也称为声巴克豪森效应。用BN技术测量应力是基于BN对应力的依赖关系。一般认为,对具有正磁致伸缩系数的材料(如钢),由于磁畴磁矩位于拉应力方向时,磁弹性能最低,因此拉应力将使磁畴趋于力的方向排列,这样应力方向上的180°畴壁不可逆位移产生的BN信号强,相反,在压应力作用下,为了使磁弹性能降低,与应力方向成90°的畴扩大,而成为180°的畴减小,从而导致磁化时BN信号的减弱。MAE信号也随应力而变化,与BN不同的是一般的铁、钢材料在拉应力和压应力作用下MAE都是降低的,并且试验表明在不同频带范围内,应力对MAE的影响也是不同的。MAE和BN技术目前已用于检测焊接和热处理时的残余应力,爆炸时的瞬间应力以及检测构件使用过程中的应力变化,以判断微裂纹和宏观裂纹的扩展,从而对构件的安全运行作出预测。但其分析仅考虑了应力对磁畴体积的影响,实际上应力和应变产生的位移,会影响磁畴壁的运动,因而许多情况下信号随应力的变化比较复杂。另外信号的检出需用水或油耦合,不易形成非接触在线检测。

2.基于逆磁致伸缩效应的应力检测法。铁磁材料磁化状态的变化伴随着材料尺寸变化的现象称之为材料的磁致伸缩效应。反过来,铁磁材料在外力如拉力、扭矩力等作用下发生变形,其磁化强度将随之发生变化的现象叫做逆磁致伸缩效应(或压磁效应)。磁致伸缩的逆效应是由Villari发现的。在这种情况下,材料产生各向异性,因此应力或应变状态的变化将会引起铁磁材料的磁导率或磁阻的变化。在向磁各向异性传感器提供恒定的磁动势的条件下,磁路中磁阻的变化将引起磁通的变化,传感器上的检测线圈感应出的感生电动势的变化将反映这种变化。从而可将非电量的应力应变转化成可以测量的电量(如电压),达到应力监测的目的。这就是利用逆磁致伸缩效应测量应力的基本原理。

3.磁导率在机械作用检测方法。还有一种新型的无损的检测技术便是铁磁材料应力的磁导率在机械作用检测方法，这种方法通过磁弹性效应测定应力，根据磁弹性效应磁导率的不同确定我们需要的应力的方向和大小，这种方法现在也得到广泛使用。

4.磁记忆应力检测方法。众所周知，当铁质构件处于地磁环境下时，就会受到强烈的工作负荷下在这种作用下铁制构件的内外部的组织结构会发生各种变化，这种负荷的变化会引起其他的变化，因为这些变化，这时的内外部的磁场也会相应发生变化，即使在工作负荷消失以后，这种变化依然存在。这时候可以求出构件的应力。这就是磁记忆应力检测方法的原理。根据这一原理，由磁场的变化以及负荷的改变，分析出其中的联系，然后进行检测，这就是磁记忆应力检测方法，这种检测方法精度很高，因此可以利用这种关系进行检测。

总之，有损应力检测法的使用普遍，可用的范围更广，并且精度系数高，但是这种方法不是无损的，而且在线检测时难度系数较大。常规无损应力检测法有它自己特有的长处，但很容易出现失误。钢铁材料磁力耦合应力检测方法比普通的常规检测更加高级，更受到欢迎。

参考文献：

[1]王晓玲，钢铁材料结构构件工作应力的检测方法及特点分析.2021.