Acta Metallurgica Sinica  2016 , 52 (2): 241-248 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2015.00283

论文

基于金属磁记忆评价裂纹埋深对激光熔覆层应力的影响*

刘彬1, 贡凯1, 乔岩欣1, 董世运2

1 江苏科技大学江苏省先进焊接技术重点实验室, 镇江 212003
2 装甲兵工程学院再制造技术重点实验室, 北京 100072

EVALUATION OF INFLUENCE OF PRESET CRACK BURIAL DEPTH ON STRESS OF LASER CLADDING COATING WITH METAL MAGNETIC MEMORY

LIU Bin1, GONG Kai1, QIAO Yanxin1, DONG Shiyun2

1 Key Laboratory of Advanced Welding Technology of Jiangsu Province, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China
2 National Key Laboratory for Remanufacturing, Academy of Armored Forces Engineering, Beijing 100072, China

文献标识码:  A

文章编号:  0412-1961(2016)02-0241-08

通讯作者:  Correspondent: QIAO Yanxin, senior engineer, Tel: (0511)84401184, E-mail: yxqiao@just.edu.cn

责任编辑:  LIU BinGONG KaiQIAO YanxinDONG Shiyun

收稿日期: 2015-05-27

网络出版日期:  2016-02-20

版权声明:  2016 《金属学报》编辑部 《金属学报》编辑部

基金资助:  *国家自然科学基金项目51305172和51401092资助

作者简介:

作者简介: 刘彬, 男, 1983年生, 讲师, 博士

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摘要

利用金属磁记忆技术对裂纹/应力交互影响的Fe314合金激光熔覆层应力状态进行了评价. 基于“当量法”, 通过机加工方法在Fe314合金激光熔覆层中加工宽度恒定, 埋深分别为2.5, 3.0, 3.5和4.0 mm的规则矩形槽模拟不同埋深的裂纹, 研究了裂纹埋深对Fe314合金激光熔覆层磁场强度法向分量Hp(y)的影响规律. 利用SEM对Fe314合金激光熔覆层微观组织进行观察, 结合其微观组织特征分析了对Hp(y)的影响. 结合压磁理论, 澄清了金属磁记忆评价裂纹/应力交互作用下Fe314合金激光熔覆层应力状态的机理, 获得裂纹埋深、载荷及Hp(y)梯度变化值K间关系. 结果表明, 随载荷增大, 磁畴的有序转变导致Hp(y)曲线以过0点为中心呈顺时针转动, Hp(y)曲线斜率与幅值逐渐变大, 裂纹处K逐渐变大; 各向异性组织及层间界面引起应力集中, 从而导致Hp(y)曲线波动明显; 载荷相同时, 裂纹处K随裂纹埋深增大呈二次多项式规律减小; 裂纹埋深相同时, 裂纹处K随载荷增大而增大; 裂纹埋深越小, 载荷对裂纹处K影响越明显. 裂纹埋深大于3.0 mm时, Fe314合金激光熔覆层变形能力弱于45钢变形能力从而导致裂纹处K随载荷增大的速率较慢.

关键词: Fe314合金激光熔覆层 ; 金属磁记忆 ; 交互影响 ; 应力评价 ; 裂纹埋深

Abstract

The stress state is important for properties and service life of mechanical parts, so finding an optimal method for evaluation of stress state is urgently needed to be solved. Because of convenience and fast detection speed, metal magnetic memory method has attracted attention of scholars, and some research findings also have been obtained. While current research mainly focuses on evaluation of stress state of single ferromagnetic material, the research on ferromagnetic composite material or ferromagnetic coating material is rare. Because of high energy density, laser cladding technology has been used widely in field of surface engineering. For this reason, the stress state of ferromagnetic laser cladding Fe314 alloy coating is evaluated with metal magnetic memory method. Distribution of stress state is usually affected by flaw including crack and gas hole in laser cladding Fe314 alloy coating, so the interaction influence of crack and load on evaluation of stress state of laser cladding Fe314 alloy coating is discussed in this work. Combing with equivalent method, different cracks, which were substituted with regular rectangular grooves, were machined in laser cladding Fe314 alloy coating. In order to obtain the relationship between burial depth and magnetic field intensity normal component Hp(y), the regular rectangular grooves that had the same width and different buried depths were machined. The microstructure of laser cladding coating was observed by SEM, and the influence of microstructure on magnetic field intensity normal component Hp(y) was also discussed. Based on magnetic-mechanical theory, interaction influence mechanism of crack and load on evaluation stress state of laser cladding coating with metal magnetic memory method was clarified, the relationship between burial depth of crack, load and gradient value K of magnetic field intensity normal component Hp(y) was also obtained. The results show that when zero crossing is seen as center, the magnetic field intensity normal component Hp(y) rotates clockwise as stress increases gradually, the slope and amplitude of Hp(y) curve increases, gradient value K of magnetic field intensity normal component Hp(y) corresponding to crack also increases as stress increases. Stress concentration in different zones is caused by anisotropic microstructure and layer interface of laser cladding Fe314 alloy coating, so the Hp(y) fluctuats obviously. When load is the same, gradient value K of magnetic field intensity normal component Hp(y) corresponding to crack decreases in the regular pattern of quadratic polynomial as burial depth increases. When burial depth is the same, gradient value K of magnetic field intensity normal component Hp(y) corresponding to crack increases as load increases. When burial depth is less, the influence of load on gradient value K is more obvious. When burial depth is bigger than 3.0 mm, advance the speed of gradient value K is relatively slow as load increases, and the difference in deformation capacity between laser cladding Fe314 alloy coating and 45 steel is seen as the main reason for above result.

Keywords: laser cladding Fe314 alloy coating ; metal magnetic memory ; interaction effect ; stress evaluation ; crack burial depth

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刘彬, 贡凯, 乔岩欣, 董世运. 基于金属磁记忆评价裂纹埋深对激光熔覆层应力的影响*[J]. , 2016, 52(2): 241-248 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2015.00283

LIU Bin, GONG Kai, QIAO Yanxin, DONG Shiyun. EVALUATION OF INFLUENCE OF PRESET CRACK BURIAL DEPTH ON STRESS OF LASER CLADDING COATING WITH METAL MAGNETIC MEMORY[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2016, 52(2): 241-248 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2015.00283

金属磁记忆是基于铁磁性材料在大地磁场中产生的磁记忆效应对工件应力状态进行评价的一种技术[1-4], 也是迄今为止能够实现铁磁性材料应力状态可靠性评价的方法之一, 目前已在工程机械、航天航空及石油化工等领域得到广泛应用, 但由于该技术仍处于发展期, 因而其评价机理仍待澄清. 为此, 国内外学者对其开展了一系列理论与实验研究, 刘东旭[5]基于磁性、弹性、微磁化理论对铁磁性构件磁信号与应力及变形间关系进行了探讨, 结果表明介质磁化率基本呈线性规律随拉应力增大而增大, 随压应力增大而减小. Wang等[6]基于线性磁-荷模型假设对局部应力集中引起的自发射磁信号进行了分析, 发现表层应力集中对自发射磁信号幅值的影响高于内部缺陷对其影响. Iordache等[7]基于磁畴理论对非定向铁硅不锈钢磁信号进行分析实现其拉伸载荷下的变形机制, 并明确提出了位错钉扎作用与内部应力的磁弹性效应对结果的影响. 文献[8~10]的研究结果表明, 采用磁场强度法向分量Hp(y)对铁磁性材料应力状态进行评价更为合适, 因而戴光等[11]在Curie定律及其状态方程基础上得到了Hp(y)与应力间关系, 认为金属磁记忆技术可实现应力的有效评价. 石常亮[12]基于Hp(y)分析对应力集中影响试样疲劳损伤程度进行了探讨, 结果表明缺口处的最大散射磁场强度是决定试样损伤程度的关键参量. 徐滨士等[13]对加载条件影响铁磁性材料疲劳裂纹扩展自发射Hp(y)机理进行了研究, 发现疲劳裂纹扩展中自发射磁信号的二次异变峰的峰值与正负峰间斜率可作为表征裂纹扩展程度的特征参量. Leng等[14]对塑性变形阶段低碳钢Hp(y)变化规律进行了分析, 提出采用该技术可实现碳钢弹性变形与塑性变形的评判. Dong等[15]基于铁磁性材料自发射Hp(y)分析对其应力状态进行了评价, 指出初始Hp(y)信号是影响应力评价结果的重要因素, Hp(y)二次拟合值与应力具有明显对应关系. Shi等[16]对渗碳钢静载拉伸应力状态进行了Hp(y)分析, 发现磁信号随载荷变化而变化,其二次拟合值随载荷增大基本呈线性规律增大. 上述研究虽取得了一定成果, 但基本都以单一铁磁性材料为研究对象, 而以铁磁性复合材料或涂层材料为研究对象的公开报道稀少.

目前, 表面涂层技术在工程机械表面修复领域已广泛应用, 如喷涂、电镀、熔覆等[17-21]. 由于高能量密度、高熔覆效率和热影响区小等优点, 激光熔覆技术在汽车、工程机械、军用装备等零部件表面修复中得到广泛应用[22-24]. 激光熔覆层质量性能是影响其修复零部件服役性能的关键因素, 因而评价激光熔覆层质量性能对保证其修复零部件服役性能至关重要. 影响激光熔覆层质量性能的因素众多, 如缺陷、应力、熔覆层厚度等, 且各因素非独立变量, 而是交互作用影响其质量性能. 目前, 单一因素影响激光熔覆层质量性能的研究已逐步开展[25], 并取得一定研究成果, 但多因素交互影响激光熔覆层质量性能的研究仍处于初期阶段, 其规律及其机理仍待澄清.

为此, 本工作以铁磁性激光熔覆层为研究对象, 基于“当量法”, 以规则矩形槽模拟裂纹, 通过改变矩形槽尺寸获得不同尺寸裂纹, 进而探讨裂纹/应力交互作用下铁磁性激光熔覆层应力的金属磁记忆评价机理. 本工作的开展不仅为金属磁记忆技术评价铁磁性涂层应力状态提供理论依据, 也为金属磁记忆技术的推广应用提供技术支撑.

1 实验方法

采用DL6000型全固体激光器, 通过侧向送粉方式在45钢表面制备Fe314合金激光熔覆层, 其工艺参数: 功率为1 kW, 扫描速率为3.5 mm/s, 送粉量为7 g/min, 保护气为高纯N2气, 气体流量为14 L/h, 激光光斑直径为3.5 mm. 其中, 45钢与Fe314合金粉末化学成分及相应室温下拉伸性能如表1和2所示.

表1   实验材料的化学成分

Table 1   Chemical compositions of experimental specimens (mass fraction / %)

MaterialCSiMnPCrNiBFe
Laser cladding Fe314 alloy coating0.10~0.151.00--15.0010.001.00Bal.
45 steel0.40~0.500.17~0.370.50~0.800.040.150.25-Bal.

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表2   室温下实验材料的拉伸性能

Table 2   Tensile properties of experimental specimens at room temperature

MaterialElastic limit
σe / MPa
Yield strength
σs / MPa
Ultimate tensile strength
σb / MPa
Elongation after fracture
δ / %
Laser cladding Fe314 alloy coating58061087515
45 steel38040067018

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为获得150 mm×30 mm×5.0 mm的Fe314合金激光熔覆层, 采用多道搭接多层堆积方式在45钢表面进行熔覆, 试样尺寸及熔覆路径如图1所示. 为保证Fe314合金激光熔覆层成形效果, 优化激光熔覆工艺参数: 单道搭接率为50%, 层间堆积系数为0.5.

图1   激光熔覆路径示意图

Fig.1   Sketch map of laser cladding path

利用机械加工方法, 获得厚度为5.0 mm的Fe314合金激光熔覆层试样, 其中Fe314合金激光熔覆层厚度为3.0 mm. 基于“当量法”, 采用线切割方法在45钢一侧加工宽度为1.0 mm, 距Fe314合金激光熔覆层侧深度分别为2.5, 3.0, 3.5, 4.0 mm (定义为裂纹埋深)的规则矩形槽. 为避免加工工艺等因素引起的初始Hp(y)信号对应力评价的影响, 采用WZS-20双室真空炉对Fe314合金激光熔覆层试样进行真空退磁处理, 工艺参数: 加热速率为10 ℃/s, 加热温度为(860±10) ℃, 保温时间为30 min, 随炉冷却至100 ℃再空冷至室温.

Fe314合金激光熔覆层磁场强度法向分量Hp(y)采集设备为EMS-2003型智能磁记忆检测仪, 为避免手动操作对Hp(y)的影响, 采用离线式自动扫查方式采集, 其中自动扫查装置是由非铁磁性材料制备的三维电控位移平台, 通过控制器带动金属磁记忆探头以恒定扫查速率和提离高度沿固定方向和固定间隔路径a1~a7采集Hp(y). 预置裂纹Fe314合金激光熔覆层及Hp(y)采集路径示意图如图2所示.

图2   Fe314合金激光熔覆层磁场强度法向分量Hp(y)采集路径示意图

Fig.2   Sketch map of detection path of magnetic field intensity normal component Hp(y) of laser cladding Fe314 alloy coating

地磁场中铁磁性材料磁场强度法向分量Hp(y)在二维空间呈非均匀分布, 因而金属磁记忆探头提离高度是影响Hp(y)的重要因素. 为此, 采用MTS810型液压伺服试验机以恒定加载速率对Fe314合金激光熔覆层缓慢加载至10 kN, 卸载并将Fe314合金激光熔覆层沿固定方向水平放置于非铁磁性检测平台, 利用EMS-2003型智能磁记忆检测仪采集其Hp(y).

图3为金属磁记忆探头提离高度分别为0.5, 1.5, 2.5, 5.0, 10.0, 30.0与50.0 mm时Fe314合金激光熔覆层磁场强度法向分量Hp(y)曲线. 由图可知, 当金属磁记忆探头提离高度小于5.0 mm时, 裂纹处Hp(y)曲线具有明显突变特征, 且随探头提离高度增大, 相同埋深裂纹处Hp(y)曲线突变程度逐渐减弱, 当探头提离高度达到5.0 mm时, 裂纹埋深分别为3.0, 3.5和4.0 mm处Hp(y)曲线突变现象“消失”, 随探头提离高度继续增大, 裂纹埋深为2.5, 3.0, 3.5, 4.0 mm处Hp(y)曲线突变现象均“消失”, Hp(y)曲线斜率及其幅值亦逐渐减小, 这表明通过提取表征Hp(y)曲线突变程度的特征参量并建立其与应力状态间关系即可实现裂纹/应力交互作用下Fe314合金激光熔覆层应力的金属磁记忆评价, 因而保证裂纹处Hp(y)曲线具有突变现象是实现该研究的关键. 探头提离高度小于1.0 mm时, 试样表面状况对Hp(y)曲线幅值影响较明显, 且探头磨损较大. 综合考虑Hp(y)采集结果与探头使用寿命, 认为1.0 mm是本工作中金属磁记忆探头最佳提离高度.

图3   不同提离高度时Fe314合金激光熔覆层的Hp(y)曲线

Fig.3   Curves of Hp(y) of laser cladding Fe314 alloy coating at different lift-off values

2 实验结果

基于本工作实验方法和探头提离高度影响Hp(y)曲线斜率与幅值实验结果, 对Fe314合金激光熔覆层缓慢加载, 加载速率为0.5 kN/s, 载荷间隔为2 kN, 持续加载至预定载荷, 卸载并将Fe314合金激光熔覆层沿固定方向水平放置于检测平台. 通过检测平台中自动扫查装置以10 mm/s恒定速率和1.0 mm提离高度带动金属磁记忆探头沿a1~a7路径采集各载荷时Fe314合金激光熔覆层Hp(y)信号, 获得其在Fe314合金激光熔覆层表面的分布规律, 结果如图4所示.

图4   不同载荷时Fe314合金激光熔覆层Hp(y)的表面分布

Fig.4   Surface distribution of Hp(y) of laser cladding Fe314 alloy coating at tensile loads of 0 kN (a), 2 kN (b), 6 kN (c), 12 kN (d), 18 kN (e) and 22 kN (f)

对比图4a~f可知, a1~a7路径上Hp(y)曲线随应力变化规律基本相同, 只是数值略有不同. 经退磁处理的铁磁性材料内部磁畴处于无序分布状态, 磁场强度弱, 幅值小, 因而初始Fe314合金激光熔覆层Hp(y)曲线基本呈水平分布, 幅值约为36~40 A/m, 如图4a所示, 满足退磁处理要求, 即本工作中初始Hp(y)对应力评价的影响可忽略不计. 随载荷增大, Fe314合金激光熔覆层内部磁畴呈规律性变化, 磁场强度增大, 因而Hp(y)曲线随载荷增大呈顺时针方向转动, Hp(y)曲线幅值变大,曲线斜率亦逐渐变大, 如图4b~f所示. 与无裂纹处Hp(y)曲线相比, 裂纹处Hp(y)曲线呈突变现象, 且随载荷增大, 突变现象逐渐明显. 文献[26]认为, 铁磁性材料内部磁场在裂纹处发生“泄露”, 即磁信号在裂纹一端由材料内部泄出, 并在另一端再次进入材料内部, 从而在裂纹处形成“漏磁场”, 进而导致该位置Hp(y)曲线具有突变现象. 本工作中裂纹为规则矩形槽, 因而沿裂纹方向上Fe314合金激光熔覆层的应力分布规律与无裂纹处应力分布规律基本相同, 只是数值不同, 这被认为是导致Hp(y)曲线呈上述变化规律的重要原因.

鉴于此, 以a1路径(中间路径)上Hp(y)曲线为研究对象, 对裂纹及其尺寸影响金属磁记忆评价Fe314合金激光熔覆层应力的规律及其机理进行探讨. 提取不同载荷时a1路径上Hp(y)曲线, 结果如图5所示. 未加载时, Hp(y)曲线幅值较小, 呈无规律分布, 与0值线存在多个交点, 即具有多个过0点; 随载荷增大, Hp(y)曲线即呈明显线性规律变化, 且均具有唯一过0点, 并以过0点为中点呈顺时针规律转动, 各载荷Hp(y)曲线相交于60 mm处. 对裂纹处Hp(y)曲线分析可知, 当裂纹埋深相同时, Fe314合金激光熔覆层受载截面积相同, 而裂纹并未改变该位置应力的分布状态, 因而裂纹处Hp(y)曲线随应力的变化规律与无裂纹时Hp(y)曲线随应力的变化规律基本相同, 即裂纹处Hp(y)曲线突变现象随载荷增大而逐渐明显. 当载荷相同时, 随裂纹埋深增大, Fe314合金激光熔覆层受载截面积越大, 裂纹处实际应力值越小, 此外裂纹处“泄露”的磁场强度在二维空间随距裂纹中心距离增大而减小, 从而导致裂纹处Hp(y)曲线突变现象随裂纹埋深增大而逐渐减弱.

图5   不同载荷时a1路径上Fe314合金激光熔覆层的Hp(y)曲线

Fig.5   Curves of Hp(y) of laser cladding Fe314 alloy coating at different tensile loads along a1 detection path

与单一碳钢Hp(y)曲线[27]相比可知, 图5中各载荷Fe314合金激光熔覆层Hp(y)曲线波动明显. 分析认为, 微观组织是影响Hp(y)曲线波动程度的重要原因. Fe314合金激光熔覆层微观组织如图6所示. 由图可知, 本工作中Fe314合金激光熔覆层微观组织为定向凝固组织, 呈明显各向异性, 组织中存在较大面积的“层间界面”(单道搭接界面与单层堆积界面), 从而导致静载拉伸过程中Fe314合金激光熔覆层局部区域呈应力集中现象, 而Hp(y)是对应力集中较为敏感的参数, 因而本工作中Hp(y)曲线波动明显.

图6   Fe314合金激光熔覆层微观组织

Fig.6   Microstructure of laser cladding Fe314 alloy coating

为实现裂纹埋深对Fe314合金激光熔覆层Hp(y)曲线突变影响的“定量”评价, 以Hp(y)曲线突变程度定量描述其突变现象的变化程度, 并定义为Hp(y)梯度变化值K, 表示为:

K=Hp(y)max-Hp(y)minΔl(1)

式中, Hp(y)max为裂纹处Fe314合金激光熔覆层Hp(y)最大幅值, Hp(y)min为裂纹处Fe314合金激光熔覆层Hp(y)最小幅值, Δl为裂纹处Fe314合金激光熔覆层Hp(y)最大幅值与最小幅值间水平距离.

图7为裂纹处Fe314合金激光熔覆层Hp(y)梯度变化值K与裂纹埋深间关系. 由图可知, 各载荷下, K随裂纹埋深变化的规律基本相同. 裂纹埋深相同时, K随载荷增大而变大. 载荷相同时, K随裂纹埋深增大而减小, 并逐渐趋于平稳. 分析认为, 该结果与Fe314合金激光熔覆层内部磁畴分布随应力变化密切相关, 裂纹埋深减小或载荷增大均会导致Fe314合金激光熔覆层应力变大, 因而K呈上述规律变化. 由图可知, 载荷变化量相同时, 裂纹埋深越小, K值变化越明显, Fe314合金激光熔覆层各向异性组织及“层间界面”引起的不均匀变形是导致该结果的主要原因. 当裂纹埋深为4.0 mm时, Hp(y)曲线斜率及其幅值变化是Fe314合金激光熔覆层与45钢“平均应力”的反应, 随埋深减小, 45钢对Hp(y)曲线斜率及其幅值的影响逐渐变小, 直至裂纹埋深达到3.0 mm, Hp(y)曲线斜率及其幅值变化是Fe314合金激光熔覆层应力的反应. 实验材料的力学性能(表2)表明, Fe314合金激光熔覆层弹性极限远大于45钢屈服极限, 这表明当应力大于400 MPa时, Fe314合金激光熔覆层仍处于弹性变形阶段, 而45钢已进入塑性变形阶段. 由断后伸长率对比可知, Fe314合金激光熔覆层塑性变形能力(延伸率δ为15%)低于45钢塑性变形能力(δ为18%). 金属材料弹塑性变形理论表明, 静载拉伸过程中应力可通过金属材料的塑性变形获得一定程度的释放, 即Fe314合金激光熔覆层应力在一定程度上通过45钢塑性变形得到释放, 因而裂纹埋深较大时, 裂纹处Hp(y)曲线突变现象的变化不明显, K随载荷变化亦不明显. 当裂纹埋深小于等于3.0 mm时(Fe314合金激光熔覆层厚度), Fe314合金激光熔覆层应力得到“保留”, 因而载荷对裂纹处K影响较明显.

图7   Hp(y)梯度变化值K与裂纹埋深关系曲线

Fig.7   Variation of gradient value of Hp(y) (K) with crack burial depths

3 分析讨论

基于力-磁机械效应可知, 铁磁性材料内部磁畴壁在外界载荷作用下经历磁壁运动、磁壁兼并和磁畴转动3个过程, 其示意图如图8所示. 无应力状态下, 铁磁性材料内部磁矩取向呈随机分布状态(图8a), 各磁矩对外磁性作用相互抵消, 因而对外不呈磁性. 由于铁磁性材料的磁致伸缩逆效应和压磁效应, 当试样处于弹性变形状态时, 铁磁性材料在外界载荷作用下, 其内部磁畴取向发生规律性变化, 并逐渐趋于应力方向, 如图8b~d所示. 加载前Fe314合金激光熔覆层经过真空退磁处理, 因而未加载时(载荷为0 kN), Fe314合金激光熔覆层内部磁矩对外磁性作用非常弱, Hp(y)曲线基本呈水平状态, 幅值较低. 在外界载荷作用下, Fe314合金激光熔覆层内部磁畴在载荷作用下呈规律性转动, 即随载荷增大, 内部磁畴取向逐渐向加载方向呈有序化转变, 自磁化程度不断提高, 对外磁性不断增强, 因而Hp(y)曲线斜率及其幅值逐渐变大, 表现为Hp(y)曲线以过0点为中心呈顺时针规律转动.

图8   磁畴变化过程

Fig.8   Change processes of magnetic domain at different states (σ—stress, arrows indicate the directions of magnetic domains)

此外, 弱磁场中单向载荷与介质磁导率μ间关系可表示为[28]:

μ=μT(1+bH/μT)[a0+at(F/S)mexp(nF/S)](2)

式中, a0, at, m, n为取决于载荷方向及其数值的系数; μT为与温度有关的铁磁性材料初始磁导率; b为与材料结构性质有关的常数; F为加载载荷; S为试样受载截面积; H为磁场强度.

由式(2)可知, 随载荷增大, Fe314合金激光熔覆层磁导率μ急剧增大, 即表现为易于被磁化, 因而Hp(y)曲线斜率及其幅值逐渐增大. 当载荷恒定时, 随裂纹埋深减小, 试样受载截面积亦逐渐减小, 因而μ逐渐变大, 对外磁性越强, Hp(y)曲线K变化越明显, 这与图7结果相符.

为对裂纹处磁场强度进行定量描述, 文献[26]基于狭小裂纹假设建立了表层裂纹周围磁场强度分布理论模型, 并在该理论模型假设基础上给出了有限深度裂纹磁场强度(Hy)表达式:

Hy=(L+WL+μWμH0)Wπ[xx2+y2-xx2+(y+D)2](3)

式中, x为检测位置距裂纹中心的水平距离, y为检测位置距裂纹中心的垂直距离, W为裂纹宽度, D为裂纹深度, L为试样长度, H0为铁磁性材料内部磁场强度.

由式(3)可知, 随D增大, 裂纹处磁场强度逐渐变大. 但对于本工作中埋藏裂纹而言, Fe314合金激光熔覆层试样厚度恒定时, 随D增大, 裂纹埋深逐渐变小, 因而裂纹处磁场强度逐渐变大.

弹性变形范围内, 铁磁性材料内部磁场强度H0是大地磁场与应力磁场矢量叠加的结果, 可表示为:

H0=HE+HEMS(αμ0+3γσ)3αμ0-MS(αμ0+3γσ)(4)

式中, HE为大地磁场强度, MS为材料的饱和磁化强度, μ0为真空磁导率, α为决定于材料本身特性的常数, γ为与磁致伸缩系数有关的常数, σ为应力.

将式(4)代入式(3)中可得:

Hp(y)=[HE+HEMS(αμ0+3γσ)3αμ0-MS(αμ0+3γσ)]μ(L+W)W(L+μW)π[xx2+y2-xx2+(y+D)2](5)

由式(5)可知, 当W恒定不变时, 裂纹Hp(y)曲线幅值随裂纹深度增大呈二次多项式规律变大. 结合本工作Fe314合金激光熔覆层裂纹形式可知, 裂纹深度与裂纹埋深对裂纹处Hp(y)曲线幅值的影响呈相反规律, 因而裂纹处Hp(y)曲线幅值随裂纹埋深增大呈二次多项式规律减小, 这与图7K随裂纹埋深变化规律基本相符. 鉴于此, 本工作认为采用该方法可实现裂纹/应力交互作用下裂纹埋深对铁磁性激光熔覆层应力影响的评价.

4 结论

(1) 随载荷增大, 裂纹处Fe314合金激光熔覆层磁场强度法向分量Hp(y)曲线斜率及其幅值逐渐变大, Hp(y)曲线以过0点为中心呈顺时针规律变化.

(2) 载荷不同时, 裂纹处Hp(y)梯度变化值K随裂纹埋深变化的规律基本相同, 即K随裂纹埋深增大呈二次多项式规律减小, 并逐渐趋于稳定.

(3) 裂纹埋深相同时, 裂纹处K随载荷增大而逐渐变大, 但载荷变化相同时, 裂纹埋深越小, 裂纹处K随载荷变化越明显.

The authors have declared that no competing interests exist.


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