構造用丸鋼の固有磁性と機械的性質との関係に関する研究

Scientific Reports volume 12、記事番号: 16078 (2022) この記事を引用

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固有磁性は強磁性材料の重要な特性です。この研究では、構造設定における固有の磁気を検出および検証するために、構造場における Q390B の内部磁場強度 (IMFI) および内部磁気機械効果 (IMME) が調査されました。 IMFI テストでは、磁束を使用して磁場の変化を検出し、磁気の存在を確認します。 IMME テストでは、磁束のない Q390B 試験片の磁気変化を測定する新しい機器が導入されました。低周波周期 (LFC) 引張荷重試験に基づいて、固有の磁気が完全に説明されました。実験結果は、IMME が固有磁性の研究において大きな可能性と効率性を示し、近い将来に推進できることを示しています。

材料の磁性特性は、さまざまな産業で広く使用されています1、2、3、4。たとえば、磁気は鉄骨構造物の非破壊検査方法として使用されます。ただし、構造用鋼製排気装置は使用中に故障する可能性があり、災害につながる可能性があります。したがって、構造用鋼部材の応力を監視することが重要です。構造用鋼、つまり建物や橋梁用の低炭素合金鋼は、強磁性材料または軟磁性材料です3,5。製錬、溶接、製造後、鋼製部品は固有磁性と呼ばれる特定の磁性を得ることがあります。最近の研究では、磁気が大きな注目を集めており、材料の非破壊検査 (NDT) で広く使用されています 6,7。

鋼の磁化プロセスに基づいた一般的なアプローチには、磁気バルクハウゼンノイズ (MBN)、磁気ヒステリシス測定 (MHM)、金属磁気メモリ (MMM)、および漏洩磁束 (MFL) 法が含まれます。原子構造および微細構造に対する磁気特性の固有の依存性により、磁気特性と機械的応力の間には一定の関係が生じます11。構造用鋼の磁気変化は、内部欠陥や外部負荷の影響を受けやすくなります。機械的応力の影響下では、強磁性材料の固有磁化の変化は圧磁性です。 1865 年に、ヴィラーリは磁気が張力や圧縮などの機械的作用を受けることを発見しました 12,13。磁性の変化は機械的応力によって引き起こされました14。結果は、構造用鋼の張力が弱い磁場では磁化を増加させ、強い磁場では磁化を減少させることを示しています。実際、強磁性体の応力は磁場の変化によって評価されます。強磁性体の応力状態は磁場の強度によって評価できます。それ以来、圧磁場と加えられる応力との関係が注目されるようになりました 6,15。

磁気機械効果の起源について、Jiles 4,15 は、バルクハウゼン活性と鋼の磁気特性に対する最大 85 MPa の一軸引張応力の影響に関する一連の試験を発表しました。彼は MBN の磁気機械効果モデルの理論を提案しました。磁壁を移動させる応力を加えると、磁壁の固定が解除され、磁化が変化します。 Dubov16 は、磁気メモリを方法として使用した非破壊検査 (NDT) 技術を使用して金属の特性の研究を実施しました。 Sablik et al.17,18 は、応力場を使用して鋼の MHM に対する二軸応力の影響を研究し、粒子サイズと転位密度を考慮した場合の磁気特性の変化を明らかにしました。 Bulte et al.19 は、外部から加えられる応力が強磁性材料の磁気特性に影響を与えるメカニズムを説明する仮説を提示しました。 Leng et al.20,21 によれば、低炭素鋼の塑性変形に対する MMM 信号応答が実験的研究によって調査されました。 Wangら7は、勾配曲線を用いて応力集中箇所を推定し、損傷度を評価する新しい手法を提案した。

Liu et al.22 は、強磁性材料の磁気記憶効果に基づいて、軸方向の引張応力を伴う橋梁の鉄筋表面の漏洩磁場分布を研究しました。 Guo ら 23 は、門型フレームの擬似静的試験において複雑な応力にさらされた鋼構造物の損傷を監視するための MMM 技術の適合性を調査しました。 Chen ら 24 は一連の静的引張試験を実施し、MMM 測定は一般的に使用される Q235 鋼で実施されました。 Su et al.25 は、Q235B 鋼製 I ビームの 4 点曲げ試験により、鋼製ビームのひずみと金属磁気記憶場の関係を研究しました。 Li ら 26 は、LabVIEW に基づく磁束漏洩検査技術を使用してデータ収集が正確に実現できること、およびスペクトルエントロピーの分布が材料の内部応力集中の診断を通じて亀裂の成長を監視する方法を提供できることを実証しました。

さらに、Shi et al.2,9 は、印加された応力と磁場の下で塑性変形を伴う強磁性材料の磁気弾塑性結合モデルを約束しました。強磁性材料の一般的な非線形磁気機械モデルは、一定の弱い磁場の下で議論されました2。さらに、Kachniarz et al.27,28 は、磁化巻線と感知巻線の両方が柱に巻かれた鉄骨フレーム状のサンプルを設計し、引張応力下での磁気弾性特性の暫定的な調査を行っています。さらに、Zhang ら 29 と Bao ら 14 は、フラックスゲート磁力計を使用して圧磁性信号を検出できることを観察し、引張応力を受けた強磁性鋼の圧磁性挙動を調査しました。 Kaleta et al.30 は、強磁性材料の疲労過程を研究するためのツールとしてマグネトビジョンを使用しました。 Weng ら 31,32 は、磁気結合の原理に基づいたアーチ橋のサスペンダーのオンライン非破壊応力試験方法を確立しました。前述の先行研究では、固有磁気と構造用鋼の応力との関係についてはほとんど言及されていません。したがって、必要に応じてこれに対処するために、この論文では、磁気変化と応力の間の関係を確立するために一軸引張試験を設計しました。

今回の論文では、低合金高張力構造用丸鋼 Q390B について、構造用丸鋼の固有磁性、および固有磁性と応力の関係を研究しました。まず、実験試料を準備し、内部磁場強度 (IMFI) テストを設計しました。その後、IMFI調査が実施されました。さらに、内部磁気機械効果 (IMME) 試験は、低周波周期 (LFC) 引張荷重試験における内部磁気効果と機械効果との関係を発見するために設計されました。最後に、観察された結果が詳細に議論され、応力に関連した内部磁気機械効果モデルが提案されました。

試験では、32 mm の構造用円形 Q390B 鋼試験片を事前に 3 つ準備しました。物体の内部磁場は丸鋼の断面で均一であると考えられます。構造用鋼の IMFI テストは、電磁干渉のない室温で設計されています。

試験用の丸鋼棒試験片は、元のパラメータの安定性を確保するために、同じ丸鋼から切り取られました。表 1 には、中国規格 33 に従って、構造用 Q390B 鋼試験片の材料組成と機械的特性が示されています。これらの試験片は低合金高強度構造用鋼です。「Q390」は降伏限界値が390MPaであることを示します。「B」は低炭素鋼を指します。試験に使用された鋼試験片は均質です。

丸鋼試験の固有磁気の内部磁場強度（IMFI）分布は、図1aに示す実験装置を使用して実行されました。試験装置は外部磁場による干渉を防ぐためシールドボックス内に設置されました。 IMFI テストの概略図を図 1a に示します。

実験装置の概略図。 (a) IMFI テストの概略図。 (b) 測定コイルセンサーの概略図。 (c) 測定コイルセンサー。 (d) 磁気シールドボックス。 (e) TD8900 磁束計。 (f) 丸形構造用鋼棒試験片と目盛ラベル。

測定コイルセンサーは、図 1b および図 1c に示すような巻線装置です。このデバイスは、内径 40 mm の 0.18 mm 銅線で 500 回巻かれています。外形寸法は図1b、cに示すように内径35mm、外径58mm、長さ30mmです。コイルセンサーの測定パラメータを表 2 に示します。シールドボックスのサイズは、図 1d に示すように 350 mm × 350 mm × 500 mm です。シールドボックスの厚さは 0.5 mm、初透磁率 μ0 = 68.8 mH/m、最大透磁率 μm = 377.5 mH/m、保磁力 Hc = 0.5 A/m、飽和磁気誘導強度 Bs = 0.75 t です。図 1e に示す磁束計は、高精度、自動ドリフト補正、およびマイクロプロセッサ制御を備えたコンパクトな機器であり、オペレータは最大の分解能と精度が得られるようにメーターを設定できます。磁束は磁石内部の磁場分布を逆算するために使用されます。実験に使用した磁束計により各測定点の磁束値を測定します。測定点の間隔は５０ｍｍとした。図1eに示すように、磁束値はChangsha Tianheng Measurement and Control Technology Co., LTD製のTD8900磁束計によって収集されました。鋼棒はシールドボックス内に固定されています。試験では、丸鋼試験片の直径は 30 mm、長さは 500 mm です。丸鋼試験片とスケールラベルを図 1f に示します。

試験中は、図 1a に示すように、測定コイルセンサーを鋼材の横方向に巻き付け、下から上に移動させました。

実験では相対磁束の変化のみを考慮し、軸方向の指定点で測定しました。この実験を実行するには 2 つのオプションがあります。 1 つのオプションは、最初に磁束計をゼロに設定することです。初期磁束は、測定コイルセンサーが端に移動し始めるときに、丸い鋼試験片の端での実際の磁場の変化により生成されます。別のオプションは、指定された測定点の開始位置を決定した後、磁束計をゼロに設定することです。この場合、最初の測定点の値はゼロになります。

この論文では、構造用鋼の IMFI 試験を実施するために最後のオプションが選択されました。まず、指定された測定点位置に測定センサーを移動させます。次に、磁束計をゼロに設定し、準備した指定点のデータの記録を開始しました。試験片の座標位置に沿って、指定された測定点の磁束値を測定しました。図1aに示すように、指定された測定点の位置は0、50 mm、100 mm、150 mm、200 mm、250 mm、300 mm、350 mm、400 mm、450 mm、500 mmです。順方向メソッド。測定後の丸鋼に沿った座標位置は、500 mm、450 mm、400 mm、350 mm、300 mm、250 mm、200 mm、150 mm、100 mm、50 mm、0 mm です。逆の方法。双方向測定後、テストは終了しました。そこで、双方向測定の平均値を取ることで測定誤差を低減しました。

試験は、室温環境で無負荷および外部磁場のない条件で、円形鋼試験片の固有磁気の内部磁場強度分布を取得するために設計および実行されました。円形鋼体の内部の磁束の変化に従って、長さに沿った円形鋼体の内部の磁場強度 B の分布は、式 (1) によって計算できます。 (2) は式 (2) から変更されます。 (1)。

ここで \(\Phi\) は磁束です。 n は測定コイルセンサーの巻線数です。 B は丸い鋼体の内部の磁場の強度です。 S は丸い鋼体の内部の磁場強度の面積です。

実験テストは 20 ± 3 °C の温度で実施されました。 IMFI 試験では、3 つの 32 mm 丸鋼試験片が試験され、試験点の実験データがコンピュータ上の磁束計ソフトウェアによって記録されました。テストでは、誤差を排除するために順方向および逆方向のコントラスト法が使用されました。試験の結果、丸鋼内部に存在する磁性は外部環境の影響を受けないことが分かりました。 Q390B鋼丸棒断面における構造用丸棒試験片の内部磁束場分布を図2に示します。

Q390B鋼丸棒の固有磁気の内部磁束界分布曲線。

ＩＭＭＥ試験では、円形鋼部材を研究対象とした。内部磁界の強さと丸鋼の応力との関係は、荷重を受けた丸鋼の応力とひずみを検出するために非常に重要です。引張試験では、材料が塑性変形段階に入った後、断面ネックの位置を決定することが困難でした。これは金属材料の組成と鋳造欠陥に関係していました。したがって、磁気変化と応力の関係は、一定の引張応力範囲内で設計されています。円形鋼試験片内の磁場強度の変化により、測定コイルセンサーの電流が変化します。変化の値は、丸い鋼部材内の磁場の変化法則を反映することができます。

丸鋼の応力は一軸引張試験により求めた。応力が作用すると、丸鋼は断面の長さと方向に沿って歪みを引き起こします。同時に、断面の長さと方向に沿ったひずみにより、丸鋼内部の磁場の強度に変化が生じます。したがって、データ処理と解析によって応力と磁場強度の関係を得ることができます。この方法に基づいて、磁場強度変化と応力との関係試験を設計した。

引張試験の荷重および除荷は、図3aに示す万能材料力学試験機によって完了しました。この装置は、図 2a に示すように、Jinan EAST Testing Instrument Co., LTD. 製のマイコン制御モーター万能試験機 WDW-300 でした。性能パラメータは次のとおりです。電力: 1.5 kW。電圧: 220 V; 精度: ± 0.5%; 速度範囲: 0.05 ～ 500 mm/min。最大荷重: 300 kN; 伸縮スペース: 650 mm。また、中央に示すように、測定コイルセンサーは丸鋼棒の横方向に巻き付けられたままでした。測定コイルセンサーは図1bと図1cに示すような巻線装置であり、詳細なパラメータは表2にリストされています。この研究では、微小電流測定装置を改良して、32 mmの構造円形の内部磁場強度を測定しました。 Q390B鋼試験片。電流強度測定システムを使用して、設計された荷重スキームに従って軸方向荷重中の内部磁場強度の変化を測定しました。電流強度測定システムには、図3bに示すように、nA、μA、mAの3つの測定スイッチングギアがあり、選択できます。

IMME試験装置の概略図。 (a) 電気油圧サーボ試験機と試験概略図。 (b) 電流強度測定システム。

試験は一定の温度と湿度の条件下で実施されました。試験温度は 20 ± 3 °C に維持され、湿度は 25 ～ 28% でした。装填プロセス中、環境磁場の干渉は無視されました。設計引張強さ 335 MPa (中国鋼構造設計規定) に従い、丸鋼棒の内部磁場強度と応力の関係を弾性範囲内で検討したところです。最後に、荷重スキームを表 1 に示します。荷重速度は 10 MPa/s で、最大荷重は 330 MPa として選択されました。比例限界応力σP は引張試験により求めました。荷重目標は 60 kN、実応力は 75 MPa、試験片は弾性相にありました。

万能材料力学試験機には非導電性治具が装備されていました。荷重経路は、構造用円形 Q390B 鋼試験片の弾性範囲内で選択されました。予荷重速度は 5 mm/min、予荷重は 1 kN と決定されました。目標値 1 kN に到達した後、機械は 1 kN/s の速度で荷重を開始しました。試験中、試験片の中間点における磁束の値が測定され、同期して記録されました。試験は 5 回繰り返され、各荷重の範囲は 0 ～ 60 kN でした。全体のプロセスは次のとおりです。まず、測定コイルを備えた試験片を固定し、試験治具を締め付けます。次に、モーター万能試験機を表 3 に示す速度で規定値の 60 kN まで引き伸ばし、5 秒間保持しました。最後に、保持時間に達した後、図4に示すように、同じ速度で10 kNまで除荷を実行し、このプロセスを5回繰り返しました。

荷重力と時間の t 曲線をテストします。

研究では、丸鋼試験片の中間点における既存の磁気変動特性が選択されました。特別な包帯を使用して、丸い鋼試験片の中心に測定コイルを保持しました。このようにして、引張試験中、測定コイルは試験片の中央に保持されました。

実験を通じて、測定コイルは測定時の誘導電流によって生成され、電流の大きさを収集、積分、処理することで場の強度値を与えることができると結論付けることができました。 LFC引張荷重および除荷下での丸鋼試験片の中間点におけるIMMEの変化。試験点の実験データは電流強度測定システムによって記録されました。上記の万能試験機による試験結果によれば、図5に示すような試験時の時間変化過程における電流強度変化曲線が得られます。軸張力の作用下では、鋼の軸力によって発生する応力が発生します。鋼体全体が変形し、ひずみ、縦方向の張力、横方向の収縮が反映されます。

電流強度と時間曲線。

Q390B鋼丸棒の固有磁気の内部磁場分布曲線を丸鋼断面で換算したものを図2に示します。また、近似した曲線も図2に示します。測定結果と近似された曲線を使用して、式 (1) を変換することで磁場強度の値を取得できます。 (2)。内部磁場強度曲線を図6に示します。

内部磁場強度曲線。

x 軸は丸鋼の長さに沿った測定点の位置、y 軸は磁場の強度です。磁場の強さは端から端に向かって増加し、中間点で最大となり、その後減少します。この結果から、磁場強度は丸鋼の中央で最大であることがわかります。磁場強度は試料の中点で 0.0172 T です。フィッティング結果は、磁場分布の強度が長さ方向に沿って放物線状であることを示しています。図 6 に示すテスト結果によれば、多項式のフィッティングから次の方程式が得られました。

ここで、x は試験片の距離であり、寸法はミリメートル (mm) 単位です。丸鋼試験片の場合、磁場の強度分布は丸鋼のサイズに関係します。さらに、転炉でのアルゴン吹き込み、取鍋底、ワイヤ供給、精錬、スラブ連続鋳造、加熱、スケール除去、冷却などの一連の技術プロセスを経て、構造用鋼の製造と鋳造を分析しました。 , 構造用鋼は板鋼の形であり、鋼構造物の素材となるのは形鋼または棒鋼です。このプロセスでは、精製された溶鋼は、低温でのスラブ連続鋳造プロセスを通じて結晶化してスラブになります。高温連続鋳造、加熱、冷却中に鉄原子や炭素原子が溶解します。製錬および鋳造時の温度変化により、格子内の炭素原子の溶解とオーステナイトとマルテンサイトの相互変態が促進されます。上記のすべての手順は、構造用鋼の磁気特性に影響を与えます。

この試料の固有磁気の磁場強度は中間点で0.0172 Tです。弾性段階では、荷重が 60 kN まで負荷されたとき、実際の軸応力は 75 MPa になります。このとき、LFC 引張荷重および除荷を 5 サイクル行った後の電流強度変化と力の関係図を図 7 に示します。試験の 1 回目の引張荷重および除荷サイクルを図 8 に示します。ローディング段階は点 Ls から Le までです。負荷が増加すると、磁界の変化によって生成される電流が増加します。測定コイルセンサーからの連続出力電流が図からわかります。点 O から Le はプリロード段階です。カーブジャンプポイント Lsj は荷重の開始時に発生します。 La の値は、16 kN の力で 0.68 nA です。その後、電流強度の変化は 60 kN の力で - 1.58 nA まで増加します。ポイント Le は、積み込みと積み下ろしの移行からの転換点です。現在の強度の結果は、点 Le から U にジャンプします。荷降ろし段階では、曲線は点 Le から U 、U までです。電流強度の変化は、55 kN の力で 1.55 nA まで増加します。 Us の値は、10 kN の力で 0.50 nA です。 2 番目のサイクルは、Ue 点から La 点、Le 点へのロードを開始しました。カーブジャンプポイントは、ロードとアンロードの遷移中、またはアンロードとロードの遷移中に発生します。

電流強度と力の曲線。

最初の LFC テストの電流強度と力の曲線。

座標系を変更して、電流強度と近似曲線応力の関係を図9に示します。60 kNの力を負荷したとき、構造用丸鋼試験片の断面応力のうち実際の軸応力は75でした。 MPa。内部磁気機械効果モデルは次のように導出されました。

LFC テストの電流強度と適合応力曲線。

荷重段階では、断面応力 \(\sigma_{loading}\) が式 1 のようにフィッティングされます。 (4) 試料の中点の一次減衰指数関数による。

除荷段階では、断面応力 \(\sigma_{除荷}\) が式 1 のように当てはめられます。 (5) 試料の中点の一次減衰指数関数による。

ローディング段階では、さまざまな t2 値と t1 値の値 \(\Delta \sigma_{loading}\) を式から導き出すことができます。 (4)。

ここで、It2 と It1 はそれぞれ開始時と終了時の電流強度の値です。 e は定数であり、自然対数の底でもあります。 \(\Delta \sigma_{loading}\) は I2 と I1 の間の応力差の値です。式の内部磁気機械効果モデルは次のようになります。 (4) と (5) は、電流の強さと力の関係が弾性領域の丸鋼の一軸応力下で安定していることを示しています。 32 mm 構造円形 Q390B 鋼試験片の I2 と I1 の間の変化は、近似指数関数式 (1) によって計算できます。 (6)。この公式は、土木産業や機械産業における鋼構造部材の応力変化の検出および監視にも使用されます。

金属材料、特に多結晶金属材料の場合、外力の作用により内部結晶構造が非常に複雑に変化します。構造用鋼の場合、複雑な応力下にある鋼部材の磁気特性はさらに複雑になります。複雑な磁性の研究には、金属材料科学、微細構造の特性評価、量子力学、マイクロメカニクスなどの多くの主題が含まれます。従来の力学では、構造用鋼の機械的特性を明確に説明できません。試験では、電流の強さと力の関係は、弾性範囲内の丸鋼の一軸応力下で安定しています。応力と磁気特性の関係は、機械的関係を反映する場合があります。この関係を使用して、鋼構造部材のリアルタイムの応力状態を予測できます。 2 つの実験の結果を解析することにより、丸鋼の中点における応力の変化と磁場強度の変化との関係が得られます。最後に、内部磁場強度と丸鋼の応力との関係は、荷重下の丸鋼の応力とひずみを検出するために非常に重要であることに注意する必要があります。

この論文では、材料の弾性範囲における内部磁場強度と丸鋼棒の応力との関係を決定するために実験的アプローチが取られました。この研究の結果は、応力変化を測定する新しい方法を提案することを目的としています。この方法は、土木産業や機械産業における鋼構造部材の応力変化の検出および監視にも使用されます。

IMFI テストでは、内部磁場の強度は長さに沿って均等に分布しておらず、対称的な分布を示しています。最大値は丸鋼の中点に現れます。フィッティング結果は、式 1 に示すように、磁場分布の強度が長さ方向に沿って放物線状であることを示しています。 (3)。

IMME一軸引張試験では、磁場強度の変化と既存磁気の応力との関係試験を負荷および除荷段階で研究しました。内部磁気機械効果モデルは式 (1) と 2 に示されています。 (4) と (5) は、電流の強さと力の関係が弾性範囲内の丸鋼の一軸応力下で安定していることを示しています。

負荷と除荷の遷移段階、または弾性段階での除荷と負荷の遷移の段階で発生する電流強度値のジャンプポイントがありました。構造用鋼の内部磁区は安定しており、低い繰返し往復荷重下でも磁気効果の特性を示します。張力下では、丸鋼の磁場の変化は規則的であると結論付けることができます。 32 mm 構造円形 Q390B 鋼試験片の場合、I2 と I1 の間のモデルの変化は、近似指数関数、式 (1) によって計算できます。 (6)。今後の研究は、熱力学および原子力学における構造用鋼の応力とひずみと微細構造の磁性との関係の研究に焦点を当てる予定です。

研究で生成または分析されたすべてのデータが論文に含まれています。

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この研究は、陝西省の主要研究開発プログラム (プログラム番号 2022SF-085)、中国西部グリーンビルディング国家重点研究所開設基金 (LSKF202116)、坑井安定性および流体・岩石力学重点研究所の支援を受けています。陝西省の石油・ガス貯留層、西安市油大学（No. WSFRM 20200102001）、楡林市科学技術計画プロジェクト（CXY-2020-053）。

西安理工大学都市計画都市工学部、西安、710048、中国

ヤン・リュー、クン・リュー、リンリン・ファン、タオ・ヤン

中国西部のグリーンビルディング国家重点実験室、西安建築技術大学、西安、710055、中国

ヤン・リウ＆ビンビン・リー

ミシガン大学土木環境工学部、アナーバー、ミシガン州、48109、米国

王文涛

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YL、WW、BL が主な原稿本文を書きました。 YL、KL、LF、TY がテストを実施しました。 YL、KL、LF はデータを分析し、数値を作成しました。著者全員が原稿をレビューしました。

ヤン・リウへの手紙。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Liu, Y.、Liu, K.、Wang, W. 他構造用丸鋼の固有磁性とその機械的性質との関係に関する研究。 Sci Rep 12、16078 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-20718-2

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受信日: 2022 年 5 月 5 日

受理日: 2022 年 9 月 16 日

公開日: 2022 年 9 月 27 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-20718-2

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