关于低碳钢筋在完全弹性-塑性过程下受拉应力时应力-磁效应的实验研究

《Journal of Materials Research and Technology》：Experimental study on stress-magnetic effect of low-carbon steel bar during complete elastic-plastic process under tensile stress

应力磁效应中钢构件磁化反转现象及其定量分析方法研究。采用非磁性材料构建弱磁场测试系统，通过三轴磁通门磁强计实时监测σ-Fe至372.41MPa的完整弹塑性加载过程中磁通密度与磁梯度变化规律，发现磁化反转点（173.44/172.45/147.18MPa）均低于屈服强度（372.41/375.38/369.44MPa），且磁参数绝对值在反转点前呈单调递增，之后随应力增加而递减。研究揭示了磁畴壁可逆运动（0-σ_rev）与不可逆磁矩旋转（σ_rev-σ_yield）的阶段性转变机制，并发现微观组织（晶粒尺寸、相组成、残余应力）显著影响磁化反转行为。

　　在现代建筑与工程领域，钢筋是构成钢筋混凝土（RC）结构体系的关键材料之一，广泛应用于高层建筑、交通运输基础设施（如道路和隧道）以及大跨度桥梁系统中。这些结构在长期使用过程中会承受各种形式的机械应力，这些应力可能引发局部应力集中、微裂纹产生以及裂纹扩展等问题。因此，准确评估钢筋的应力状态对于确保结构安全至关重要。金属磁记忆（MMM）技术作为一种无损检测方法，近年来被广泛研究和应用，以监测钢筋的应力情况。然而，目前对于钢筋在完全弹塑性拉伸过程中的磁化反转现象的研究仍显不足。此外，传统研究通常在外部磁场环境中进行，导致测量结果的准确性受到严重影响。为解决这些问题，本研究开发了一种弱磁测试系统，利用非磁性和弱磁性材料，以减少周围磁场的干扰，并更精确地测量钢筋在拉伸载荷下的磁场特性。

金属磁记忆技术的基本原理是基于材料在受力后磁畴结构的变化，从而反映材料内部的应力分布。在无损检测中，该技术能够识别初始裂纹、裂纹扩展、几何界面不连续以及材料内部局部高应力等现象。通过对钢筋在拉伸过程中产生的磁场信号进行分析，可以得到磁通密度和磁梯度等参数，从而评估其应力状态。然而，传统的实验装置中使用的加载设备通常由铁磁性材料制成，如钢制部件，这些部件在拉伸过程中产生的磁场远大于钢筋本身。由于这些磁场与加载应力相关，并且受到外部环境磁场的显著干扰，使得测量结果的准确性受到限制。因此，本研究设计了一种新的弱磁测试系统，以降低外部磁场的干扰，提高测量的可靠性。

该测试系统包括拉伸加载装置、运动控制装置和三轴磁通门磁强计（FVM400，由MEDA公司生产）。拉伸加载装置采用非磁性和弱磁性材料构建，如高强度铝合金框架、铝合金锚固件、铝合金转换锚固件、芳纶纤维绳、空心液压千斤顶、压力传感器和应变片。这些材料的选择有助于降低测试设备对钢筋磁场的干扰。此外，通过使用芳纶纤维绳和铝合金转换锚固件，使得空心液压千斤顶远离钢筋，从而避免其对磁场测量的影响。运动控制装置则包括线性滑动组、伺服电机、精密行星减速器、运动控制箱和铝合金延伸杆，确保测试过程中能够实现高精度的运动控制。三轴磁通门磁强计用于检测钢筋的磁场，具有100000 nT的磁场测量范围和1 nT的分辨率，能够记录30秒的数据，采样频率为17.5 Hz，采样间隔为2.857 mm。

在实验过程中，三根钢筋被切割自同一根热轧低碳钢，每根的尺寸为φ7 mm×1000 mm，化学成分如表1所示。通过三轴磁通门磁强计沿钢筋长度方向进行扫描，从基准端338 mm开始，到738 mm结束，总扫描长度为400 mm。扫描过程中，磁强计的测量中心位于其底部边缘上方17.3 mm，而磁强计底部边缘距离钢筋表面为5 mm，因此测量中心距离钢筋截面几何中心为25.8 mm。测量过程中，对每个测量点的磁通密度和磁梯度进行计算，并取其绝对值的平均值作为钢筋的磁场特征值。通过这种系统，能够有效排除外部磁场对测量结果的影响，从而更准确地评估钢筋的内部磁场特性。

实验结果显示，当三根钢筋的应力分别达到173.44 MPa、172.45 MPa和147.18 MPa时，其磁通密度和磁梯度与应力之间的关系发生反转。这表明，在磁化反转点之后，随着应力的增加，钢筋的磁通密度和磁梯度的绝对值会下降。同时，实验还发现，磁化反转点的应力值均低于钢筋的屈服强度（分别为372.41 MPa、375.38 MPa和369.44 MPa）。这表明，磁化反转现象是钢筋在拉伸过程中磁场响应的一个关键特征，它反映了材料从弹性阶段向塑性阶段转变时的磁特性变化。

此外，实验还分析了不同应力阶段下钢筋的磁通密度和磁梯度变化规律。在应力低于磁化反转点时，磁通密度和磁梯度的绝对值随应力的增加而上升；而在应力超过磁化反转点并接近屈服时，磁通密度和磁梯度的绝对值则随应力的增加而下降。当钢筋进入塑性阶段后，磁通密度和磁梯度的变化速率进一步减缓，甚至在最终应变点附近表现出微小的变化。这种现象表明，磁化反转点是钢筋在拉伸过程中磁响应的一个重要转折点，对于理解材料在不同应力条件下的磁特性变化具有重要意义。

通过对比实验结果，研究还发现，钢筋的磁化反转点与其屈服强度之间存在显著差异。这可能与钢筋在切割过程中产生的微结构变化有关，如切割引起的磁畴结构和磁畴壁运动的改变。不同切割方法（如剪切、砂轮切割、热切割和激光切割）会对钢筋的磁畴结构和磁畴壁运动产生不同的影响，从而导致磁化反转点的差异。因此，为了减少实验过程中因切割引起的磁畴结构变化，建议采用化学蚀刻方法对长钢筋进行分割，以获得更一致的测试结果。

实验还表明，钢筋的磁化反转点与材料的微观结构和磁性特性密切相关。例如，粗晶粒结构由于晶界数量较少和内部缺陷较少，有利于磁畴壁的运动，因此磁化反转点会出现在较高的应力水平。相反，细晶粒结构由于晶界数量较多和内部缺陷较多，会增强磁畴壁的钉扎效应，从而导致磁化反转点出现在较低的应力水平。此外，不同相组成的钢筋对磁化反转点的影响也不同。例如，铁素体具有较强的磁弹性效应，而珠光体/渗碳体则会对磁畴运动产生阻碍，导致磁化反转点的出现时间有所不同。马氏体由于具有高磁各向异性和内部应力，对施加的应力更为敏感，因此在较低的应力水平下就可能发生磁化反转。

综上所述，磁化反转现象是钢筋在拉伸过程中磁场响应的重要特征，它不仅反映了材料在不同应力阶段下的磁特性变化，还对金属磁记忆技术在无损检测中的应用具有重要意义。通过研究磁化反转现象，可以更准确地评估钢筋的应力状态，从而为结构安全评估提供可靠依据。因此，未来的研究需要进一步深入探讨磁化反转现象的机制，以及其在不同材料和环境条件下的表现，以提高金属磁记忆技术的准确性和实用性。