Studie über den inhärenten Magnetismus und seinen Zusammenhang mit den mechanischen Eigenschaften von Baurundstahl

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 16078 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Der Eigenmagnetismus ist eine wichtige Eigenschaft ferromagnetischer Materialien. In dieser Studie wurden die interne Magnetfeldstärke (IMFI) und der interne magnetomechanische Effekt (IMME) von Q390B in einem strukturellen Feld untersucht, um den inhärenten Magnetismus in strukturellen Umgebungen zu erkennen und zu verifizieren. Beim IMFI-Test wurde der magnetische Fluss verwendet, um die Änderung des Magnetfelds zu erkennen und das Vorhandensein von Magnetismus zu verifizieren. Im IMME-Test wurde ein neuartiges Instrument implementiert, um die magnetische Variation in der Q390B-Probe ohne magnetischen Fluss zu messen. Basierend auf den Niederfrequenz-Zyklus-Zugbelastungstests (LFC) wurde der inhärente Magnetismus vollständig beschrieben. Experimentelle Ergebnisse deuten darauf hin, dass IMME großes Potenzial und mehr Effizienz bei Studien zum inhärenten Magnetismus aufweist und in naher Zukunft gefördert werden kann.

Die magnetischen Eigenschaften von Materialien werden in verschiedenen Branchen häufig genutzt1,2,3,4. Beispielsweise wird Magnetismus als zerstörungsfreie Prüfmethode für den Bau von Stahlkonstruktionen eingesetzt. Allerdings können Baustahlauspuffanlagen während des Betriebs versagen, was zu Katastrophen führen kann. Daher ist die Überwachung der Spannung von Stahlbauteilen von entscheidender Bedeutung. Baustahl, ein legierter Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt für Gebäude und Brücken, ist ein ferromagnetisches Material oder weichmagnetisches Material3,5. Nach dem Schmelzen, Schweißen und Herstellen können Stahlbauteile einen bestimmten Magnetismus erhalten, der als Eigenmagnetismus bezeichnet wird. In jüngsten Forschungsstudien hat der Magnetismus viel Aufmerksamkeit erregt und wird häufig in der zerstörungsfreien Materialprüfung (NDT)6,7 eingesetzt.

Basierend auf den Magnetisierungsprozessen in Stählen umfassen beliebte Ansätze magnetisches Barkhausenrauschen (MBN), magnetische Hysteresemessung (MHM), magnetisches Metallgedächtnis (MMM) und magnetische Flussverlustmethoden (MFL)4,8,9,10. Die inhärente Abhängigkeit der magnetischen Eigenschaften von der Atomstruktur und Mikrostruktur führt zu einem bestimmten Zusammenhang zwischen magnetischen Eigenschaften und mechanischen Spannungen11. Die magnetischen Schwankungen in Baustahl reagieren empfindlich auf innere Defekte und äußere Belastungen. Unter dem Einfluss mechanischer Spannungen ist die Änderung der intrinsischen Magnetisierung bei einem ferromagnetischen Material piezomagnetisch. Im Jahr 1865 stellte Villari fest, dass Magnetismus mechanischen Einwirkungen wie Zug oder Druck ausgesetzt ist12,13. Die Änderung des Magnetismus wurde durch mechanische Belastung verursacht14. Die Ergebnisse zeigen, dass Baustahlspannungen bei schwachen Feldern zu einer Zunahme der Magnetisierung und bei starken Feldern zu einer Abnahme führen. Tatsächlich wird die Spannung ferromagnetischer Materialien anhand der Änderung des Magnetfelds bewertet. Der Spannungszustand ferromagnetischer Materialien kann anhand der magnetischen Feldstärke beurteilt werden. Seitdem ist der Zusammenhang zwischen dem piezomagnetischen Feld und der ausgeübten Spannung ein heißes Thema6,15.

Zur Entstehung des magnetomechanischen Effekts präsentierte Jiles4,15 eine Reihe von Tests zur Auswirkung einachsiger Zugspannungen von bis zu 85 MPa auf die Barkhausen-Aktivität und die magnetischen Eigenschaften von Stählen. Er schlug eine Theorie des magnetomechanischen Effektmodells für MBN vor. Die Domänenwände werden gelöst, indem eine Spannung angelegt wird, die dazu führt, dass sich die Wände bewegen und so die Magnetisierung verändert. Dubov16 führte eine Untersuchung der Metalleigenschaften mit der zerstörungsfreien Prüftechnik (NDT) durch und verwendete dabei das magnetische Gedächtnis als Methode. Sablik et al.17,18 untersuchten die biaxialen Spannungseffekte auf die MHM von Stahl mit dem Spannungsfeld und erläuterten die Variation der magnetischen Eigenschaften bei berücksichtigter Korngröße und Versetzungsdichte. Bulte et al.19 stellten eine Hypothese vor, um den Mechanismus zu erklären, durch den von außen angelegte Spannungen die magnetischen Eigenschaften ferromagnetischer Materialien beeinflussen können. Laut Leng et al.20,21 wurde die MMM-Signalreaktion auf plastische Verformung von kohlenstoffarmem Stahl durch eine experimentelle Untersuchung untersucht. Wang et al.7 schlugen eine neue Methode zur Schätzung des Ortes der Spannungskonzentration und zur Bewertung des Schadensgrades mithilfe einer Gradientenkurve vor.

Liu et al.22 untersuchten die Streumagnetfeldverteilung auf der Oberfläche eines verstärkten Stabes in einer Brücke mit axialer Zugspannung basierend auf dem magnetischen Gedächtniseffekt ferromagnetischer Materialien. Guo et al.23 untersuchten in einem pseudostatischen Test eines Portalrahmens die Eignung der MMM-Technologie zur Schadensüberwachung in Stahlkonstruktionen, die komplexen Belastungen ausgesetzt sind. Chen et al.24 führten eine Reihe statischer Zugversuche und MMM-Messungen am häufig verwendeten Q235-Stahl durch. Su et al.25 untersuchten den Zusammenhang zwischen der Dehnung und dem metallischen magnetischen Gedächtnisfeld von Stahlträgern mit Vierpunkt-Biegetests von I-Trägern aus Q235B-Stahl. Li et al.26 zeigten, dass die Datenerfassung mithilfe der auf LabVIEW basierenden Magnetfluss-Leckage-Inspektionstechnologie genau realisiert werden kann und dass die Verteilung der Spektralentropie eine Methode zur Überwachung des Risswachstums durch Diagnose interner Spannungskonzentrationen in Materialien bieten kann.

Darüber hinaus versprachen Shi et al.2,9 ein magnetoelastoplastisches Kopplungsmodell aus ferromagnetischem Material mit plastischer Verformung unter angelegter Spannung und Magnetfeldern. Ein allgemeines nichtlineares magnetomechanisches Modell für ferromagnetische Materialien wurde unter einem konstanten schwachen Magnetfeld2 diskutiert. Darüber hinaus entwarfen Kachniarz et al.27,28 rahmenförmige Stahlproben mit auf ihren Säulen aufgewickelten Magnetisierungs- und Sensorwicklungen und führten vorläufige Untersuchungen der magnetoelastischen Eigenschaften unter Zugspannungen durch. Darüber hinaus beobachteten Zhang et al.29 und Bao et al.14, dass piezomagnetische Signale mithilfe von Fluxgate-Magnetometern erfasst werden können, und untersuchten das piezomagnetische Verhalten ferromagnetischer Stähle unter Zugspannung. Kaleta et al.30 verwendeten die Magnetovision als Werkzeug zur Untersuchung des Ermüdungsprozesses ferromagnetischer Materialien. Weng et al.31,32 haben eine zerstörungsfreie Online-Belastungsprüfungsmethode für Bogenbrückenaufhängungen entwickelt, die auf dem Prinzip der magnetischen Kopplung basiert. In den oben genannten früheren Studien wurde der Zusammenhang zwischen Eigenmagnetismus und Baustahlspannung selten erwähnt. Um diesen Bedarf zu decken, wurden in dieser Arbeit einachsige Zugversuche entwickelt, um einen Zusammenhang zwischen der magnetischen Variation und der Spannung herzustellen.

In der aktuellen Arbeit wurden der Eigenmagnetismus von Baurundstahl und die Beziehung zwischen Eigenmagnetismus und Spannung für niedriglegierten, hochfesten Baustahl Q390B untersucht. Zunächst wurden die Versuchsproben vorbereitet und interne Magnetfeldintensitätstests (IMFI) entworfen. Anschließend wurde eine IMFI-Studie durchgeführt. Darüber hinaus wurden Tests zum internen magnetomechanischen Effekt (IMME) entwickelt, um die Beziehung zwischen dem internen Magneto und dem mechanischen Effekt bei den zyklischen Niederfrequenz-Zugbelastungstests (LFC) zu ermitteln. Abschließend wurden die beobachteten Ergebnisse ausführlich diskutiert und ein internes magnetomechanisches Effektmodell in Bezug auf Spannung vorgeschlagen.

Für die Tests wurden vorab drei 32-mm-Rundproben aus Q390B-Stahl hergestellt. Das innere Magnetfeld des Körpers wurde im Querschnitt des Rundstahls als gleichmäßig angesehen. Der IMFI-Test für Baustahl wurde bei Raumtemperatur ohne elektromagnetische Störungen durchgeführt.

Die Testrundstahlproben wurden aus demselben Rundstahl geschnitten, um die Stabilität der ursprünglichen Parameter sicherzustellen. In Tabelle 1 sind die Materialzusammensetzung und die mechanischen Eigenschaften von Strukturproben aus Q390B-Stahl gemäß der chinesischen Norm33 aufgeführt. Bei diesen Proben handelt es sich um niedriglegierte hochfeste Baustähle. „Q390“ gibt an, dass der Fließgrenzwert 390 MPa beträgt. „B“ bezieht sich auf kohlenstoffarmen Stahl. Die in den Versuchen verwendeten Stahlproben sind homogen.

Die interne Magnetfeldintensitätsverteilung (IMFI) des inhärenten Magnetismus für den Rundstahlstabtest wurde mit der in Abb. 1a gezeigten Versuchsausrüstung durchgeführt. Das Testgerät wurde in die Abschirmbox eingesetzt, um Störungen durch ein externes Magnetfeld zu verhindern. Ein schematisches Diagramm des IMFI-Tests ist in Abb. 1a dargestellt.

Schematische Darstellung der Versuchsausrüstung. (a) Schematische Darstellung des IMFI-Tests; (b) schematisches Diagramm des Messspulensensors; (c) Messspulensensor; (d) magnetische Abschirmbox; (e) TD8900 Fluxmeter; (f) runde Probe aus Baustahlstab und Skalenetikett.

Der Messspulensensor ist eine Wickelvorrichtung wie in Abb. 1b und c dargestellt. Das Gerät ist 500-fach mit einem 0,18 mm starken Kupferdraht mit einem Innendurchmesser von 40 mm umwickelt. Seine Außenmaße sind wie folgt: Der Innendurchmesser beträgt 35 mm, der Außendurchmesser beträgt 58 mm und die Länge beträgt 30 mm, wie in Abb. 1b und c dargestellt. Die Parameter zur Messung des Spulensensors sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die Größe des Abschirmkastens beträgt 350 mm × 350 mm × 500 mm, wie in Abb. 1d dargestellt. Die Dicke des Abschirmkastens beträgt 0,5 mm mit der anfänglichen Permeabilität μ0 = 68,8 mH/m, der maximalen Permeabilität μm = 377,5 mH/m, der Koerzitivfeldstärke Hc = 0,5 A/m und der magnetischen Sättigungsinduktionsintensität Bs = 0,75 t. Das Flussmessgerät, wie in Abb. 1e dargestellt, ist ein kompaktes Instrument mit hoher Genauigkeit, automatischer Driftkorrektur und Mikroprozessorsteuerung, damit der Bediener das Messgerät für maximale Auflösung und Genauigkeit konfigurieren kann. Mithilfe des magnetischen Flusses wird die Magnetfeldverteilung im Inneren des Magneten umgekehrt berechnet. Der magnetische Flusswert jedes Messpunkts wird mit dem im Experiment verwendeten Flussmesser gemessen. Der Abstand der Messpunkte betrug 50 mm. Wie in Abb. 1e gezeigt, wurde der magnetische Flusswert mit einem TD8900-Flussmesser, hergestellt von Changsha Tianheng Measurement and Control Technology Co., LTD, erfasst. Der Stahlstab ist im Abschirmkasten befestigt. Im Versuch beträgt der Durchmesser der Rundstahlprobe 30 mm und die Länge 500 mm. Die Rundstahlprobe und das Skalenetikett sind in Abb. 1f dargestellt.

Während des Tests wurde der Messspulensensor seitlich um den Stahl gewickelt und von unten nach oben bewegt, wie in Abb. 1a dargestellt.

Im Experiment wurde nur die Änderung des relativen magnetischen Flusses an einem bestimmten Punkt entlang der axialen Richtung berücksichtigt und gemessen. Es gibt zwei Möglichkeiten, dieses Experiment durchzuführen. Eine Möglichkeit besteht darin, das Flussmessgerät zunächst auf Null zu stellen. Der anfängliche magnetische Fluss wird dann erzeugt, wenn der Messspulensensor aufgrund der Änderung des tatsächlichen Magnetfelds am Ende der runden Stahlprobe beginnt, sich zum Ende zu bewegen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Fluxmeter auf Null zu setzen, nachdem die Startposition des angegebenen Messpunkts ermittelt wurde. In einem solchen Fall ist der Wert des ersten Messpunkts Null.

In dieser Arbeit wurde die letzte Option zur Durchführung der IMFI-Tests von Baustahl gewählt. Zunächst wurde der Messsensor an die vorgegebene Messpunktposition bewegt. Anschließend wurde das Magnetflussmessgerät auf Null gestellt und mit der Aufzeichnung der Daten des angegebenen, vorbereiteten Punktes begonnen. Die magnetischen Flusswerte an den angegebenen Messpunkten wurden entlang der Koordinatenposition der Probe gemessen. Wie in Abb. 1a dargestellt, waren die Positionen der angegebenen Messpunkte 0, 50 mm, 100 mm, 150 mm, 200 mm, 250 mm, 300 mm, 350 mm, 400 mm, 450 mm und 500 mm, d. h. die Vorwärtsmethode. Nach der Messung sind die Koordinatenpositionen entlang des Rundstahls: 500 mm, 450 mm, 400 mm, 350 mm, 300 mm, 250 mm, 200 mm, 150 mm, 100 mm, 50 mm und 0 mm, also die umgekehrte Methode. Nach der bidirektionalen Messung war der Test beendet. Daher wurde der Messfehler durch die Bildung des Mittelwerts der bidirektionalen Messung reduziert.

Die Tests wurden entwickelt und durchgeführt, um die interne Magnetfeldintensitätsverteilung des inhärenten Magnetismus für runde Stahlproben ohne Belastung und ohne externes Magnetfeld in einer Umgebung mit Raumtemperatur zu ermitteln. Entsprechend der Änderung des magnetischen Flusses im Inneren des runden Stahlkörpers kann die Verteilung der magnetischen Feldstärke B im Inneren des runden Stahlkörpers entlang der Länge mit der Gleichung berechnet werden. (2) geändert von Gl. (1).

wobei \(\Phi\) der magnetische Fluss ist; n ist die Anzahl der Windungen für den Messspulensensor; B ist die magnetische Feldstärke im Inneren des runden Stahlkörpers; und S ist die Fläche der magnetischen Feldstärke im Inneren des runden Stahlkörpers.

Die experimentellen Tests wurden bei einer Temperatur von 20 ± 3 °C durchgeführt. Beim IMFI-Test wurden drei 32-mm-Proben aus Rundstahl getestet und die experimentellen Daten der Testpunkte wurden mit der Fluxmeter-Software auf einem Computer aufgezeichnet. In den Tests wurde das Vorwärts- und Rückwärtskontrastverfahren verwendet, um den Fehler zu beheben. Durch den Test wurde festgestellt, dass der vorhandene Magnetismus im Rundstahl nicht durch die äußere Umgebung beeinflusst wurde. Die interne Magnetflussfeldverteilung der strukturellen Rundstahlstabprobe am Querschnitt des runden Q390B-Stahls ist in Abb. 2 dargestellt.

Die interne Magnetflussfeldverteilungskurve des inhärenten Magnetismus für den runden Q390B-Stahlstab.

Bei den IMME-Tests wurde das Rundstahlelement als Forschungsobjekt verwendet. Der Zusammenhang zwischen der Intensität des internen Magnetfelds und der Spannung des Rundstahlstabs war sehr wichtig für die Erkennung der Spannung und Dehnung des Rundstahls unter Belastung. Im Zugversuch war es schwierig, die Position des Abschnittshalses zu bestimmen, nachdem das Material in die plastische Verformungsphase eingetreten war. Dies hing mit der Zusammensetzung der Metallmaterialien und Gussfehlern zusammen. Daher wurde die Beziehung zwischen magnetischer Variation und Spannung innerhalb eines bestimmten Zugspannungsbereichs entworfen. Die Änderung der magnetischen Feldstärke in der Rundstahlprobe führt zu einer Änderung des elektrischen Stroms im Messspulensensor. Der Wert der Änderung kann das sich ändernde Gesetz des Magnetfelds in einem runden Stahlelement widerspiegeln.

Die Spannung des Rundstahlstabes wurde durch den einachsigen Zugversuch ermittelt. Unter der Einwirkung von Spannung kommt es beim Rundstahl zu Dehnungen entlang der Länge und der Richtung des Querschnitts. Gleichzeitig führt die Dehnung über die Länge und die Richtung des Querschnitts zu einer Änderung der magnetischen Feldstärke im Inneren des Rundstahls. Daher kann der Zusammenhang zwischen Stress und Magnetfeldstärke durch Datenverarbeitung und -analyse ermittelt werden. Basierend auf dieser Methode wurde ein Beziehungstest zwischen der Variation der Magnetfeldintensität und der Belastung entwickelt.

Die Be- und Entlastung des Zugversuchs erfolgte durch die universelle Materialmechanik-Prüfmaschine, wie in Abb. 3a dargestellt. Bei diesem Instrument handelte es sich um eine mikrocomputergesteuerte Motor-Universalprüfmaschine WDW-300, hergestellt von Jinan EAST Testing Instrument Co., LTD., wie in Abb. 2a dargestellt. Die Leistungsparameter sind wie folgt: Leistung: 1,5 kW; Spannung: 220 V; Genauigkeit: ± 0,5 %; Geschwindigkeitsbereich: 0,05–500 mm/min; maximale Belastung: 300 kN; Dehnungsraum: 650 mm. Darüber hinaus war der Messspulensensor noch in seitlicher Richtung um den Rundstahlstab gewickelt, wie in der Mitte dargestellt. Der Messspulensensor war ein Wickelgerät, wie in Abb. 1b und c dargestellt, und die detaillierten Parameter sind in Tabelle 2 aufgeführt. In dieser Studie wurde das Mikrostrommessgerät verbessert, um die interne Magnetfeldintensität der 32-mm-Strukturrundung zu messen Q390B-Stahlproben. Das Stromstärkemesssystem wurde verwendet, um die Änderung der internen Magnetfeldintensität während der axialen Belastung gemäß dem entworfenen Belastungsschema zu messen. Das Stromstärke-Messsystem verfügt über drei Messschaltstufen, nämlich nA, μA und mA, zur Auswahl, wie in Abb. 3b dargestellt.

Schematische Darstellung der IMME-Testausrüstung. (a) Elektrohydraulische Servoprüfmaschine und schematisches Prüfdiagramm; (b) das Stromstärke-Messsystem.

Der Test wurde unter den Bedingungen konstanter Temperatur und Luftfeuchtigkeit durchgeführt. Die Testtemperatur wurde bei 20 ± 3 °C gehalten und die Luftfeuchtigkeit lag zwischen 25 und 28 %. Beim Ladevorgang wurde die Beeinflussung durch das Umgebungsmagnetfeld ignoriert. Gemäß der vorgesehenen Zugfestigkeit von 335 MPa (Code for Design of Steel Structures, China) wurde gerade die Beziehung zwischen der Intensität des inneren Magnetfelds und der Spannung für Rundstahlstäbe im elastischen Bereich untersucht. Abschließend ist das Belastungsschema in Tabelle 1 dargestellt. Die Belastungsgeschwindigkeit betrug 10 MPa/s und die maximale Belastung wurde mit 330 MPa gewählt. Die anteilige Grenzspannung σP wurde durch Zugversuch ermittelt. Das Lastziel lag bei 60 kN, die reale Spannung bei 75 MPa und die Proben befanden sich in der elastischen Phase.

Die universelle Materialmechanik-Prüfmaschine war mit einer nichtleitenden Vorrichtung ausgestattet. Für die Strukturrundproben aus Q390B-Stahl wurde der Lastpfad im elastischen Bereich gewählt. Die Vorspanngeschwindigkeit wurde mit 5 mm/min ermittelt, die Vorspannung betrug 1 kN. Nach Erreichen des Zielwerts von 1 kN begann die Maschine mit einer Belastung von 1 kN/s. Während des Tests wurde der Wert des magnetischen Flusses in der Mitte der Probe gemessen und synchron aufgezeichnet. Der Test wurde fünfmal wiederholt, wobei jede Belastung zwischen 0 und 60 kN lag. Der gesamte Vorgang lief wie folgt ab: Zunächst wurde der Prüfling mit Messspule fixiert und die Prüfvorrichtung festgezogen. Zweitens wurde die Motor-Universalprüfmaschine mit der in Tabelle 3 angegebenen Geschwindigkeit auf den angegebenen Wert von 60 kN gedehnt und 5 s lang beibehalten. Schließlich wurde nach Erreichen der Haltezeit mit der gleichen Geschwindigkeit auf 10 kN entlastet und dieser Vorgang anschließend fünfmal wiederholt, wie in Abb. 4 dargestellt.

Belastungskraft und Zeit-t-Kurve testen.

In der Studie wurden die vorhandenen magnetischen Variationseigenschaften am Mittelspannpunkt der runden Stahlprobe ausgewählt. Um die Messspule in der Mitte der runden Stahlprobe zu halten, wurde eine spezielle Bandage verwendet. Dadurch wurde die Messspule während des Zugversuchs in der Mitte der Probe gehalten.

Durch das Experiment können wir schließen, dass die Messspule durch den Induktionsstrom bei der Messung erzeugt wird, wodurch durch Sammeln, Integrieren und Verarbeiten der Stromgröße der Stärkewert des Feldes angegeben werden kann. Die Änderung der IMME in der Mitte der runden Stahlprobe unter LFC-Zugbelastung und -Entlastung. Die experimentellen Daten der Prüfpunkte wurden mit dem Stromintensitätsmesssystem erfasst. Gemäß den Testergebnissen des oben genannten Universaltesters wird die Stromintensitätsänderungskurve des zeitlich variierenden Prozesses im Test erhalten, wie in Abb. 5 dargestellt. Unter der Wirkung der axialen Spannung wird die durch die axiale Kraft des Stahls erzeugte Spannung erzeugt verformt den gesamten Stahlkörper, was die Dehnung, Längsspannung und Querkontraktion widerspiegelt.

Aktuelle Intensität und Zeitverlauf.

Die interne Magnetfeldverteilungskurve des inhärenten Magnetismus für den runden Q390B-Stahlstab wurde am Querschnitt des runden Stahls umgerechnet, wie in Abb. 2 dargestellt. Die angepasste Kurve ist auch in Abb. 2 dargestellt. Die Messergebnisse und die Die angepasste Kurve kann verwendet werden, um den Wert der Magnetfeldintensität durch Transformation von Gl. zu erhalten. (2). Die Intensitätskurve des internen Magnetfelds ist in Abb. 6 dargestellt.

Die Intensitätskurve des internen Magnetfelds.

Die x-Achse ist die Position des Messpunkts entlang der Länge des Rundstahls und die y-Achse ist die magnetische Feldstärke. Die Intensität des Magnetfeldes nimmt von einem Ende zum anderen zu, erreicht in der Mitte ihr Maximum und nimmt danach ab. Aus den Ergebnissen ist ersichtlich, dass die magnetische Feldstärke in der Mitte des Rundstahls am höchsten ist. Die Magnetfeldstärke beträgt in der Mitte der Probe 0,0172 T. Die Anpassungsergebnisse zeigen, dass die Intensität der Magnetfeldverteilung entlang der Längsrichtung parabolisch ist. Gemäß den in Abb. 6 dargestellten Testergebnissen wurde durch die Anpassung eines Polynoms die folgende Gleichung erhalten:

Dabei ist x der Abstand der Probe mit Abmessungen in Millimetern (mm). Bei der Rundstahlprobe hängt die Intensitätsverteilung des Magnetfelds von der Größe des Rundstahls ab. Darüber hinaus wurde die Herstellung und das Gießen des Baustahls nach einer Reihe technologischer Prozesse analysiert, darunter das Einblasen von Argon in den Konverter, den Pfannenboden, die Drahtzuführung, das Raffinieren, das Brammenstranggießen, das Erhitzen, das Entzundern, das Abkühlen usw. Während des Schmelzens und Gießens Der Baustahl lag in Form von Stahlblech vor, als Rohmaterial für die Stahlkonstruktion diente Profilstahl oder Stabstahl. Bei diesem Verfahren kristallisiert die raffinierte Stahlschmelze im Brammenstranggussverfahren bei reduzierter Temperatur zu einer Bramme. Beim Hochtemperatur-Stranggießen, Erhitzen und Abkühlen werden Eisenatome und Kohlenstoffatome gelöst. Temperaturänderungen beim Schmelzen und Gießen begünstigen die Auflösung von Kohlenstoffatomen im Gitter und die gegenseitige Umwandlung von Austenit und Martensit. Alle oben genannten Verfahren beeinflussen die magnetischen Eigenschaften des Baustahls.

Für die Probe beträgt die Magnetfeldstärke des inhärenten Magnetismus in der Mitte 0,0172 T. Im elastischen Stadium beträgt die tatsächliche Axialspannung bei einer Belastung von 60 kN 75 MPa. Zu diesem Zeitpunkt ist das Beziehungsdiagramm der Stromintensitätsschwankung und der Kraft nach fünf Zyklen der LFC-Zugbelastung und -Entlastung in Abb. 7 dargestellt. Der erste Zugbelastungs- und -Entlastungszyklus im Test ist in Abb. 8 dargestellt. Der erste Hauptzyklus Die Ladephase verläuft von Punkt Ls nach Le. Mit zunehmender Belastung nimmt der durch die Magnetfeldänderungen erzeugte Strom zu. Aus der Abbildung ist der kontinuierliche Ausgangsstrom des Messspulensensors ersichtlich. Punkt O bis Le ist eine Vorladestufe. Der Kurvensprungpunkt Lsj entsteht zu Beginn der Belastung. Der Wert von La beträgt 0,68 nA bei einer Kraft von 16 kN. Anschließend erhöht sich die Stromstärkeänderung auf − 1,58 nA bei einer Kraft von 60 kN. Punkt Le ist ein Wendepunkt vom Lade- und Entladeübergang. Die Ergebnisse der aktuellen Intensität springen vom Punkt Le zum Punkt Us. In der Entladephase verläuft die Kurve vom Punkt Le über Us nach Ue. Bei einer Kraft von 55 kN erhöht sich die Stromstärkeänderung auf 1,55 nA. Der Wert von Us beträgt 0,50 nA bei einer Kraft von 10 kN. Der zweite Zyklus begann mit dem Laden von Punkt Ue über La nach Le. Der Kurvensprungpunkt tritt während des Lade- und Entladeübergangs oder des Entlade- und Ladeübergangs auf.

Aktuelle Intensitäts- und Kraftkurve.

Stromstärke- und Kraftverlauf des ersten LFC-Tests.

Durch Ändern des Koordinatensystems wird der Zusammenhang zwischen der Stromstärke und der angepassten Kurvenspannung in Abb. 9 dargestellt. Bei einer Kraftbelastung von 60 kN betrug die tatsächliche Axialspannung der Querschnittsspannung der strukturellen Rundstahlprobe 75 MPa. Das interne magnetomechanische Effektmodell wurde wie folgt abgeleitet.

Stromstärke und angepasste Spannungskurve der LFC-Tests.

In der Belastungsphase wird die Querschnittsspannung \(\sigma_{Belastung}\) gemäß Gl. angepasst. (4) durch die Zerfalls-Exponentialfunktion erster Ordnung für den Mittelpunkt der Probe.

In der Entlastungsphase wird die Querschnittsspannung \(\sigma_{Entladen}\) gemäß Gl. angepasst. (5) durch die Zerfalls-Exponentialfunktion erster Ordnung für den Mittelpunkt der Probe.

Für die Ladephase kann der Wert \(\Delta \sigma_{loading}\) verschiedener t2- und t1-Werte aus Gl. abgeleitet werden. (4).

Dabei sind It2 und It1 die Werte der aktuellen Intensität am Anfang bzw. Ende; e ist eine Konstante, auch die Basis des natürlichen Logarithmus; und \(\Delta \sigma_{loading}\) ist der Wert der Spannungsdifferenz zwischen I2 und I1. Das interne magnetomechanische Effektmodell in Gl. (4) und (5) zeigt, dass der Zusammenhang zwischen Stromstärke und Kraft unter der einachsigen Beanspruchung von Rundstahl im elastischen Bereich stabil ist. Die Änderung zwischen I2 und I1 für die 32 mm dicken strukturellen runden Q390B-Stahlproben kann mit der angepassten Exponentialfunktion Gl. berechnet werden. (6). Die Formeln werden auch zur Erkennung und Überwachung von Spannungsänderungen für Stahlbauteile in der zivilen oder mechanischen Industrie verwendet.

Bei metallischen Werkstoffen, insbesondere bei polykristallinen metallischen Werkstoffen, sind die Veränderungen der inneren Kristallstruktur unter Einwirkung äußerer Kräfte sehr komplex. Bei Baustählen sind die magnetischen Eigenschaften bei kompliziert beanspruchten Stahlbauteilen noch komplexer. Das Studium des komplexen Magnetismus umfasst viele Themen, wie z. B. Metallmaterialwissenschaften, Mikrostrukturcharakterisierung, Quantenmechanik und Mikromechanik. Für die traditionelle Mechanik können die mechanischen Eigenschaften von Baustählen nicht eindeutig erklärt werden. In den Versuchen ist der Zusammenhang zwischen Stromstärke und Kraft unter der einachsigen Beanspruchung von Rundstahl im elastischen Bereich stabil. Die Beziehung zwischen Spannung und magnetischen Eigenschaften kann die mechanische Beziehung widerspiegeln. Die Beziehung kann verwendet werden, um den Spannungszustand von Stahlbauteilen in Echtzeit vorherzusagen. Durch die Analyse der Ergebnisse der beiden Experimente wird der Zusammenhang zwischen der Spannungsänderung am Mittelpunkt des Rundstahls und der Änderung der Magnetfeldintensität ermittelt. Abschließend ist zu beachten, dass der Zusammenhang zwischen der Intensität des inneren Magnetfelds und der Spannung des Rundstahlstabs für die Erkennung der Spannung und Dehnung des Rundstahls unter Belastung sehr wichtig ist.

In dieser Arbeit wurde ein experimenteller Ansatz verfolgt, um den Zusammenhang zwischen der inneren Magnetfeldstärke und der Spannung für Rundstahlstäbe im elastischen Bereich des Materials zu ermitteln. Die Ergebnisse der Studie zielen darauf ab, eine neuartige Methode zur Messung von Spannungsänderungen vorzuschlagen, die auch bei der Erkennung und Überwachung von Spannungsänderungen für Stahlbauteile in der Zivil- oder Maschinenbauindustrie eingesetzt werden soll.

Bei IMFI-Tests ist die Intensität des internen Magnetfelds nicht gleichmäßig über die Länge verteilt, sondern weist eine symmetrische Verteilung auf. Der Maximalwert erscheint in der Mitte des Rundstahlstabes. Die Anpassungsergebnisse zeigen, dass die Intensität der Magnetfeldverteilung entlang der Längsrichtung parabolisch ist, wie in Gl. (3).

In einachsigen IMME-Zugversuchen wurde der Beziehungstest zwischen der Variation der Magnetfeldintensität und der Spannung des vorhandenen Magnetismus in den Belastungs- und Entlastungsphasen untersucht. Das in den Gleichungen dargestellte Modell des internen magnetomechanischen Effekts. (4) und (5) zeigt, dass die Beziehung zwischen Stromstärke und Kraft unter der einachsigen Belastung von Rundstahl im elastischen Bereich stabil ist.

Es gab einen Sprungpunkt für den aktuellen Intensitätswert, der während der Phase des Lade- und Entladeübergangs oder des Entlade- und Ladeübergangs in der elastischen Phase auftritt. Die innere magnetische Domäne von Baustahl ist stabil und zeigt die Eigenschaften des magnetischen Effekts unter einer geringen zyklischen Wechsellast. Daraus kann geschlossen werden, dass die Variation des Magnetfelds in Rundstahl unter Spannung regelmäßig ist. Für die 32 mm dicken strukturellen runden Q390B-Stahlproben können die Modelländerungen zwischen I2 und I1 durch die angepasste Exponentialfunktion berechnet werden, Gl. (6). Zukünftige Arbeiten werden sich auf Untersuchungen der Beziehung zwischen der Spannung und Dehnung von Baustahl und dem Magnetismus der Mikrostruktur in der Thermodynamik und Atommechanik konzentrieren.

Alle in der Studie generierten oder analysierten Daten sind in der Arbeit enthalten.

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Diese Arbeit wird vom Key Research and Development Program von Shaanxi (Programm Nr. 2022SF-085), dem Eröffnungsfonds des State Key Laboratory of Green Building in Western China (LSKF202116), dem Key Laboratory of Well Stability und Fluid & Rock Mechanics unterstützt im Öl- und Gasreservoir der Provinz Shaanxi, Xi'an Shiyou-Universität (Nr. WSFRM 20200102001), das Wissenschafts- und Technologieplanprojekt von Yulin (CXY-2020-053).

Fakultät für Stadtplanung und Kommunalingenieurwesen, Polytechnische Universität Xi'an, Xi'an, 710048, China

Yang Liu, Kun Liu, Linlin Fan und Tao Yang

Staatliches Schlüssellabor für umweltfreundliches Bauen in Westchina, Universität für Architektur und Technologie Xi'an, Xi'an, 710055, China

Yang Liu & Binbin Li

Fakultät für Bau- und Umweltingenieurwesen, University of Michigan, Ann Arbor, MI, 48109, USA

Wentao Wang

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YL, WW und BL haben den Haupttext des Manuskripts geschrieben. YL, KL, LF und TY führten die Tests durch. YL, KL und LF analysierten die Daten und erstellten die Zahlen. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Yang Liu.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Liu, Y., Liu, K., Wang, W. et al. Studie über den inhärenten Magnetismus und seinen Zusammenhang mit den mechanischen Eigenschaften von Baurundstahl. Sci Rep 12, 16078 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-20718-2

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Eingegangen: 05. Mai 2022

Angenommen: 16. September 2022

Veröffentlicht: 27. September 2022

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

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