304不锈钢塑性变形损伤的磁监测机理与试验研究_蓝希旺.pdf

第 30 卷 第 3 期2023 年 3 月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol.30 No.3Mar.2023引文格式:蓝希旺,胡 博,石文泽,等.304 不锈钢塑性变形损伤的磁监测机理与试验研究 J.塑性工程学报,2023,30(3):123-130.LAN Xiwang,HU Bo,SHI Wenze,et al.Mechanism and test study of magnetic monitoring for plastic deformation damage of 304 stainless steel J.Journal of Plasticity Engineering,2023,30(3):123-130.基金项目:国家自然科学基金资助项目(51967014);江西省主要学科学术和技术带头人培养计划 青年人才项目(20204BCJ23001)通信作者:胡 博,女,1984 年生,博士,副教授,主要从事电磁无损检测研究,E-mail:cumthubo 第一作者:蓝希旺,男,1998 年生,硕士研究生,主要从事电磁无损检测研究,E-mail:695150908 收稿日期:2022-04-27;修订日期:2022-12-25304 不锈钢塑性变形损伤的磁监测机理与试验研究蓝希旺,胡 博,石文泽,任尚坤,罗炜韬,程虹之,陈 宇(南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室,江西 南昌 330063)摘 要:设计位移控制的拉伸试验,使用磁通门传感器监测拉伸过程中的磁信号,采用扫描电镜、X 射线衍射仪、MPMS 磁学测量系统和透射电镜等方法观察拉伸过程中微观组织的演变规律。重复性试验和磁化试验的结果说明了监测磁信号的可靠性。拉伸过程的磁信号可分为 3 个阶段,第 1 阶段磁信号快速增加、增加速度变缓,第 2 阶段磁信号持续增加、增加速度变快,第 3 阶段磁信号呈现上下起伏的振荡现象。第 1 和第 2 阶段的-马氏体相对含量分别变化了 0.4%和 5.8%,第 3 阶段试样的位错密度相较第 1 阶段更大。3 个拉伸阶段磁信号变化的机理分别为,第 1 和第 2 阶段是马氏体相变和应力磁化-马氏体的共同作用,第 3 阶段与位错的作用有关;应力与磁信号之间存在相关性,可通过监测 304 不锈钢的磁信号振荡现象来对塑性变形失效进行预警。关键词:304 奥氏体不锈钢;塑性变形;磁监测法;损伤监测;马氏体相变中图分类号:TG115.2 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)03-0123-08doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.03.017Mechanism and test study of magnetic monitoring for plastic deformation damage of 304 stainless steelLAN Xi-wang,HU Bo,SHI Wen-ze,REN Shang-kun,LUO Wei-tao,CHENG Hong-zhi,CHEN Yu(Key Laboratory of Nondestructive Testing of Ministry of Education,Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063,China)Abstract:The displacement-controlled stretching test was designed to monitor the magnetic signal during the stretching process using fluxgate sensor,and the microstructure evolution during the stretching process was observed using scanning electron microscopy(SEM),X-ray diffractometer(XRD),MPMS magnetic measurement system and transmission electron microscopy(TEM).The results of the re-peatability test and magnetization test illustrate the reliability of monitoring the magnetic signal.The magnetic signal of the stretching process can be divided into three stages.The magnetic signal increases rapidly and the increase slows down in the first stage,the magnetic signal increases continuously and the increase becomes faster in the second stage,the magnetic signal shows an oscillation phenomenon of up and down in the third stage.The relative content of-martensite in the first and the second stages changes by 0.4%and 5.8%,re-spectively,and the dislocation density of the specimens in the third stage is greater than that in the first stage.The mechanisms of magnet-ic signal change in the three stretching stages are the combined effect of martensite phase transformation and stress magnetization of-martensite in the first and the second stages,and the third stage is related to the effect of dislocations.There is a correlation between stress and magnetic signal,and the phenomenon of magnetic signal oscillation of 304 stainless steel can be monitored to provide early warning of plastic deformation failure.Key words:304 austenitic stainless steel;plastic deformation;magnetic monitoring method;damage monitoring;martensitic phase transformation 引言304 奥氏体不锈钢材料因具有良好的材料性能1,在汽车制造、核电和航空航天等领域有着广泛的应用。大多数工程构件在制造或者服役过程中都会经历塑性变形。在制造过程中,适量的塑性变形有助于提高材料的力学性能,从而可以在满足性能需求的前提下实现轻量化的目的,但是过量的塑性变形也会造成材料韧性不足,使构件的使用寿命缩短2。在设备运行过程中,严苛的运行环境也会造成塑性变形损伤,导致设备力学性能下降甚至断裂失效3。因此,为保证材料的制造质量以及设备的安全服役,监测和表征构件材料的塑性变形损伤情况是非常重要的。目前,对于 304 奥氏体不锈钢的无损检测方法主要有射线检测4、渗透检测5、超声检测和涡流检测等。其中,射线检测方法对未焊透、气孔和夹杂等体积型缺陷的检测灵敏度较高,但对于平面型缺陷(如闭合裂纹)并不敏感,同时还应考虑射线检测过程中产生的辐射对人体的影响。渗透检测方法虽然能检测出表面开口缺陷8,但无法对塑性变形、疲劳损伤等失效形式进行评价。超声检测和涡流检测方法主要应用于宏观缺陷的检测。虽然有相关研究通过超声检测方法对奥氏体不锈钢的拉伸9、低周疲劳和棘轮损伤10-11进行评价,但该方法还暂不成熟,未得到大规模的应用。304 奥氏体不锈钢是顺磁性材料,但 SHI P P等12发现机械损伤后的 304 奥氏体不锈钢在裂纹附近能检测到明显的磁场变化,即机械损伤导致 304奥氏体不锈钢发生磁化。因此,有研究学者通过使用磁通门传感器采集材料表面的磁感应强度信号,来对奥氏体不锈钢的内部机械损伤进行评价,该方法被称为磁检测法13-15。CHEN Z 等16发现从 304奥氏体不锈钢的自然磁场中可以识别出塑性变形损伤和疲劳损伤,验证了磁检测方法应用于损伤检测的可行性。NAGAE Y J 等17-18通过场发射扫描电镜、磁光克尔显微镜和磁力显微镜等方法,研究了蠕变损伤过程中 304 奥氏体不锈钢的微观组织变化规律,发现磁性变化的主要原因是奥氏体相从表面中心立方相到体心立方相的转变;并且还测量了在蠕变损伤过程中磁场变化的结果,验证了磁检测方法用于评价蠕变损伤的适用性。HU B 等19通过建立 304 奥氏体不锈钢弹-塑性的力磁模型,利用有限元方法模拟了其弹性、塑性变形过程中的磁场和应力应变分布情况。XIE S J 等20-21研究了 304 奥氏体不锈钢在塑性变形和疲劳损伤过程中电导率的变化规律。LI H M 等22-23研究了塑性变形过程中304 奥氏体不锈钢的磁场强度变化规律,发现磁场强度变化幅值与马氏体相变量之间存在线性关系。目前,针对 304 奥氏体不锈钢的塑性变形损伤磁检测方法已有开展,但大多集中在离线检测的研究中,关于在线监测的研究鲜有报道。本文主要研究了 304 奥氏体不锈钢拉伸过程中的磁信号及其变化机理。首先,在线监测了 304 奥氏体不锈钢试件拉伸过程中的磁信号,明确了应力与磁信号之间的关联性。然后,使用扫描电镜、X射线 衍 射 仪、磁 性 测 量 系 统(Magnetic Property Measurement System,MPMS)和透射电镜观察试样的微观组织演变规律,阐述了磁信号变化的机理。最后,提出了对 304 奥氏体不锈钢的塑性变形失效进行监测和预警的方法。1 试验材料及方法1.1 试验材料试验材料为 304 奥氏体不锈钢,其化学成分如表 1 所示。试件尺寸如图 1 所示,试件夹持部分的尺寸设计与试验机夹头的尺寸一致,有助于试件居中夹装,使其在拉伸过程中受力均匀。试件的加工过程如下,将同一块厚度为 3 mm 的 304 奥氏体不锈钢板材通过线切割加工成一批带缺口的拉伸试件。缺口的作用是预置试件拉伸断裂的位置,以便传感器监测整个拉伸过程的磁信号。线切割加工完毕后对试件进行去应力退火处理,退火温度 350,保温时间 2.5 h。表 1 304 奥氏体不锈钢化学成分(%,质量分数)Tab.1 Chemical composition of 304 austenitic stainless steel(%,mass fraction)元素CSiMnCrNiSPN含量 0.0490.401.0718.338.050.0050.0350.053图 1 试件形状及尺寸Fig.1 Shape and size of specimen421塑性工程学报第 30 卷1.2 磁信号监测和拉伸加载方法磁信号监测装置由磁通门传感器、数据采集盒和电脑构成,磁通门传感器测量范围为250000 nT,采样频率为 6.25 Hz。应力加载试验是在 MTS 809型微机控制电子万能实验