Étude sur le magnétisme inhérent et sa relation avec les propriétés mécaniques de l'acier rond de construction

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 16078 (2022) Citer cet article

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Le magnétisme inhérent est une propriété importante des matériaux ferromagnétiques. Dans cette étude, l'intensité du champ magnétique interne (IMFI) et l'effet magnéto-mécanique interne (IMME) de Q390B dans un champ structurel ont été étudiés pour détecter et vérifier le magnétisme inhérent dans les paramètres structurels. Dans le test IMFI, le flux magnétique a été utilisé pour détecter le changement de champ magnétique afin de vérifier l'existence du magnétisme. Dans le test IMME, un nouvel instrument a été mis en œuvre pour mesurer la variation magnétique dans l'échantillon Q390B sans flux magnétique. Sur la base des tests de charge de traction cyclique à basse fréquence (LFC), le magnétisme inhérent a été entièrement décrit. Les résultats expérimentaux indiquent que IMME montre un grand potentiel et plus d'efficacité dans les études de magnétisme inhérent et peut être promu dans un proche avenir.

Les propriétés magnétiques des matériaux sont largement utilisées dans diverses industries1,2,3,4. Par exemple, le magnétisme est utilisé comme méthode d'essai non destructif pour la construction de structures en acier. Cependant, les échappements en acier de construction peuvent tomber en panne pendant le service, ce qui peut entraîner des catastrophes. Par conséquent, la surveillance de la contrainte des éléments en acier de construction est essentielle. L'acier de construction, un acier allié à faible teneur en carbone pour les bâtiments et les ponts, est un matériau ferromagnétique ou un matériau magnétique doux3,5. Après la fusion, le soudage et la fabrication, les composants en acier peuvent acquérir un certain magnétisme appelé magnétisme inhérent. Dans des études de recherche récentes, le magnétisme a attiré beaucoup d'attention et est largement utilisé dans les essais non destructifs (END) de matériaux6,7.

Basées sur les processus de magnétisation dans les aciers, les approches populaires incluent le bruit magnétique de Barkhausen (MBN), la mesure de l'hystérésis magnétique (MHM), la mémoire magnétique métallique (MMM) et les méthodes de fuite de flux magnétique (MFL)4,8,9,10. La dépendance inhérente des propriétés magnétiques à la structure atomique et à la microstructure conduit à une certaine relation entre les propriétés magnétiques et les contraintes mécaniques11. La variation magnétique de l'acier de construction est sensible aux défauts internes et aux charges externes. Sous l'influence des contraintes mécaniques, la variation de l'aimantation intrinsèque est piézomagnétique pour un matériau ferromagnétique. En 1865, Villari découvrit que le magnétisme est soumis à des actions mécaniques telles que la tension ou la compression12,13. La modification du magnétisme a été causée par une contrainte mécanique14. Les résultats montrent que la tension de l'acier de construction produit une augmentation de l'aimantation dans les champs faibles et une diminution dans les champs forts. En effet, la contrainte des matériaux ferromagnétiques est évaluée par la variation du champ magnétique. L'état de contrainte des matériaux ferromagnétiques peut être évalué par l'intensité du champ magnétique. Depuis lors, la connexion entre le champ piézomagnétique et la contrainte appliquée est devenue un sujet brûlant6,15.

Pour les origines de l'effet magnéto-mécanique, Jiles4,15 a présenté une série de tests pour l'effet des contraintes de traction uniaxiales jusqu'à 85 MPa sur l'activité de Barkhausen et les propriétés magnétiques des aciers. Il a proposé une théorie du modèle d'effet magnéto-mécanique pour MBN. Les parois du domaine sont détachées en appliquant une contrainte qui fait bouger les parois, modifiant ainsi l'aimantation. Dubov16 a mené une étude des propriétés des métaux avec la technique des essais non destructifs (END) en utilisant la mémoire magnétique comme méthode. Sablik et al.17,18 ont étudié les effets des contraintes biaxiales sur le MHM de l'acier avec le champ de contraintes, et ont élucidé la variation des propriétés magnétiques avec la taille des grains et la densité de dislocation. Bulte et al.19 ont présenté une hypothèse pour expliquer le mécanisme par lequel les contraintes appliquées de l'extérieur peuvent affecter les propriétés magnétiques des matériaux ferromagnétiques. Selon Leng et al.20,21, la réponse du signal MMM à la déformation plastique de l'acier à faible teneur en carbone a été explorée par une enquête expérimentale. Wang et al.7 ont proposé une nouvelle méthode pour estimer l'emplacement de la concentration de contraintes et évaluer le degré de dommage à l'aide d'une courbe de gradient.

Liu et al.22 ont étudié la distribution du champ magnétique de fuite à la surface d'une barre renforcée dans un pont avec une contrainte de traction axiale basée sur l'effet de mémoire magnétique des matériaux ferromagnétiques. Guo et al.23 ont étudié la pertinence de la technologie MMM pour surveiller les dommages dans les structures en acier exposées à des contraintes complexes dans un test pseudostatique d'un portique. Chen et al.24 ont mené une série d'essais de traction statique et des mesures MMM ont été effectuées sur l'acier Q235 couramment utilisé. Su et al.25 ont étudié la relation entre la déformation et le champ de mémoire magnétique du métal des poutres en acier avec des tests de flexion à quatre points de poutres en I en acier Q235B. Li et al.26 ont démontré que l'acquisition de données peut être réalisée avec précision en utilisant la technologie d'inspection de fuite de flux magnétique basée sur LabVIEW et que la distribution de l'entropie du spectre peut fournir une méthode pour surveiller la croissance des fissures grâce au diagnostic des concentrations de contraintes internes dans les matériaux.

De plus, Shi et al.2,9 ont promis un modèle de couplage magnétoélastoplastique de matériau ferromagnétique avec déformation plastique sous contrainte appliquée et champs magnétiques. Un modèle magnéto-mécanique non linéaire général pour les matériaux ferromagnétiques a été discuté sous un champ magnétique faible constant2. De plus, Kachniarz et al.27,28 ont conçu des échantillons en forme de cadre en acier avec des enroulements de magnétisation et de détection enroulés sur leurs colonnes, et ont fait des explorations provisoires des caractéristiques magnétoélastiques sous des contraintes de traction. De plus, Zhang et al.29 et Bao et al.14 ont observé que les signaux piézomagnétiques peuvent être détectés à l'aide de magnétomètres à fluxgate et ont sondé le comportement piézomagnétique des aciers ferromagnétiques soumis à des contraintes de traction. Kaleta et al.30 ont utilisé la magnétovision comme outil pour l'étude du processus de fatigue des matériaux ferromagnétiques. Weng et al.31,32 ont établi une méthode de test de contrainte non destructive en ligne pour les suspensions de pont en arc basée sur le principe du couplage magnétique. Dans les études précédentes mentionnées ci-dessus, la relation entre le magnétisme inhérent et la contrainte de l'acier de construction a rarement été mentionnée. Par conséquent, pour répondre à ces besoins, dans cet article, des essais de traction uniaxiale ont été conçus pour établir un lien entre la variation magnétique et la contrainte.

Dans le présent article, le magnétisme inhérent de l'acier rond de construction et la relation entre le magnétisme inhérent et la contrainte ont été étudiés pour l'acier de construction Q390B à haute résistance faiblement allié. Tout d'abord, les spécimens expérimentaux ont été préparés et des tests d'intensité de champ magnétique interne (IMFI) ont été conçus. Ensuite, une étude de l'IMFI a été réalisée. De plus, des tests d'effet magnéto-mécanique interne (IMME) ont été conçus pour découvrir la relation entre l'effet magnéto-mécanique interne et l'effet mécanique dans le cadre des tests de charge de traction cyclique à basse fréquence (LFC). Enfin, les résultats observés ont été discutés en détail et un modèle d'effet magnéto-mécanique interne en relation avec la contrainte a été proposé.

Lors des essais, trois éprouvettes d'acier Q390B rond structurel de 32 mm ont été préparées à l'avance. Le champ magnétique interne du corps a été considéré comme uniforme à la section transversale de l'acier rond. Le test IMFI de l'acier de construction a été conçu à température ambiante sans interférence électromagnétique.

Les échantillons de barres d'acier rondes d'essai ont été découpés dans le même acier rond pour assurer la stabilité des paramètres d'origine. Dans le tableau 1, la composition des matériaux et les propriétés mécaniques des éprouvettes d'acier structurel Q390B sont fournies conformément à la norme chinoise33. Ces éprouvettes sont des aciers de construction à haute résistance faiblement alliés. 'Q390' indique que la valeur limite de rendement est de 390 MPa. « B » fait référence à l'acier à faible teneur en carbone. Les éprouvettes d'acier utilisées dans les essais sont homogènes.

La distribution de l'intensité du champ magnétique interne (IMFI) du magnétisme inhérent pour le test de la barre ronde en acier a été réalisée avec l'équipement expérimental illustré à la Fig. 1a. Le dispositif de test a été placé dans le boîtier de blindage pour éviter les interférences causées par un champ magnétique externe. Un diagramme schématique du test IMFI est illustré à la Fig. 1a.

Schéma de principe de l'équipement expérimental. (a) Schéma de principe du test IMFI ; (b) schéma de principe du capteur à bobine de mesure ; (c) capteur de bobine de mesure ; (d) boîtier de blindage magnétique ; (e) fluxmètre TD8900 ; (f) spécimen de barre ronde en acier de construction et étiquette d'échelle.

Le capteur à bobine de mesure est un dispositif d'enroulement comme illustré aux Fig. 1b et c. L'appareil est blessé 500 fois par un fil de cuivre de 0,18 mm de diamètre intérieur 40 mm. Ses dimensions externes sont les suivantes : le diamètre intérieur est de 35 mm, le diamètre extérieur est de 58 mm et la longueur est de 30 mm, comme indiqué sur les figures 1b et c. Les paramètres de mesure du capteur à bobine sont indiqués dans le tableau 2. La taille de la boîte de blindage est de 350 mm × 350 mm × 500 mm, comme illustré à la Fig. 1d. L'épaisseur de la boîte de blindage est de 0,5 mm avec la perméabilité initiale μ0 = 68,8 mH/m, la perméabilité maximale μm = 377,5 mH/m, la coercivité Hc = 0,5 A/m et l'intensité d'induction magnétique à saturation Bs = 0,75 t. Le fluxmètre, comme illustré à la Fig. 1e, est un instrument compact, avec une haute précision, une correction de dérive automatique et un contrôle par microprocesseur, pour permettre à l'opérateur de configurer le débitmètre pour une résolution et une précision maximales. Le flux magnétique est utilisé pour calculer inversement la distribution du champ magnétique à l'intérieur de l'aimant. La valeur du flux magnétique de chaque point de mesure est mesurée par le fluxmètre utilisé dans l'expérience. La distance entre les points de mesure était de 50 mm. Comme le montre la figure 1e, la valeur du flux magnétique a été collectée par un fluxmètre TD8900 fabriqué par Changsha Tianheng Measurement and Control Technology Co., LTD. La barre d'acier est fixée dans le boîtier de blindage. Lors de l'essai, le diamètre de l'éprouvette ronde en acier est de 30 mm et la longueur est de 500 mm. L'échantillon de barre ronde en acier et l'étiquette d'échelle sont illustrés à la Fig. 1f.

Pendant le test, le capteur à bobine de mesure a été enroulé latéralement autour de l'acier et déplacé de bas en haut, comme illustré à la Fig. 1a.

Dans l'expérience, seul le changement du flux magnétique relatif a été pris en compte et mesuré à un point spécifié le long de la direction axiale. Il existe deux options pour effectuer cette expérience. Une option consiste à régler d'abord le fluxmètre sur zéro, et le flux magnétique initial sera généré lorsque le capteur de la bobine de mesure commencera à se déplacer vers la fin en raison du changement du champ magnétique réel à l'extrémité de l'échantillon d'acier rond. Une autre option consiste à régler le fluxmètre sur zéro après avoir déterminé la position de départ du point de mesure spécifié. Dans un tel cas, la valeur du premier point de mesure sera zéro.

Dans cet article, la dernière option a été choisie pour effectuer les tests IMFI de l'acier de construction. Tout d'abord, le capteur de mesure a été déplacé vers la position de point de mesure spécifiée. Ensuite, le fluxmètre magnétique a été mis à zéro et a commencé à enregistrer les données du point spécifié préparé. Les valeurs de flux magnétique aux points de mesure spécifiés ont été mesurées le long de la position de coordonnées de l'échantillon. Comme le montre la Fig. 1a, les positions des points de mesure spécifiés étaient 0, 50 mm, 100 mm, 150 mm, 200 mm, 250 mm, 300 mm, 350 mm, 400 mm, 450 mm et 500 mm, c'est-à-dire la méthode directe. Après la mesure, les positions des coordonnées le long de l'acier rond sont : 500 mm, 450 mm, 400 mm, 350 mm, 300 mm, 250 mm, 200 mm, 150 mm, 100 mm, 50 mm et 0 mm, c'est-à-dire la méthode inverse. Après la mesure bidirectionnelle, le test était terminé. Par conséquent, l'erreur de mesure a été réduite en prenant la valeur moyenne de la mesure bidirectionnelle.

Les tests ont été conçus et réalisés pour obtenir la distribution de l'intensité du champ magnétique interne du magnétisme inhérent pour les éprouvettes rondes en acier sans charge ni champ magnétique externe dans un environnement à température ambiante. Selon le changement de flux magnétique à l'intérieur du corps en acier rond, la distribution de l'intensité du champ magnétique B à l'intérieur du corps en acier rond sur la longueur peut être calculée par l'équation. (2) changé de l'éq. (1).

où \(\Phi\) est le flux magnétique ; n est le nombre d'enroulements pour le capteur à bobine de mesure ; B est l'intensité du champ magnétique à l'intérieur du corps rond en acier ; et S est la zone de l'intensité du champ magnétique à l'intérieur du corps rond en acier.

Les essais expérimentaux ont été réalisés à une température de 20 ± 3 °C. Dans le test IMFI, trois échantillons de 32 mm de barres d'acier rondes ont été testés et les données expérimentales des points de test ont été enregistrées par un logiciel de fluxmètre sur un ordinateur. Dans les tests, la méthode de contraste avant et arrière a été utilisée pour éliminer l'erreur. Grâce au test, il a été constaté que le magnétisme existant dans l'acier rond n'était pas affecté par l'environnement extérieur. La distribution du champ de flux magnétique interne de l'échantillon de barre d'acier rond structurel au niveau de la section transversale de l'acier rond Q390B est illustrée à la Fig. 2.

La courbe de distribution du champ de flux magnétique interne du magnétisme inhérent pour la barre d'acier ronde Q390B.

Dans les tests IMME, l'élément rond en acier a été pris comme objet de recherche. La relation entre l'intensité du champ magnétique interne et la contrainte de la barre d'acier ronde était très importante pour détecter la contrainte et la déformation de l'acier rond sous chargement. Lors de l'essai de traction, la position du col de la section était difficile à déterminer après que le matériau soit entré dans la phase de déformation plastique. Cela était lié à la composition des matériaux métalliques et aux défauts de coulée. Par conséquent, la relation entre la variation magnétique et la contrainte a été conçue dans une certaine plage de contrainte de traction. La modification de l'intensité du champ magnétique dans l'éprouvette ronde en acier provoque une modification du courant électrique dans le capteur à bobine de mesure. La valeur du changement peut refléter la loi changeante du champ magnétique dans un élément rond en acier.

La contrainte de la barre d'acier ronde a été déterminée par l'essai de traction uniaxiale. Sous l'action de la contrainte, l'acier rond provoquera une déformation dans le sens de la longueur et de la direction de la section transversale. Dans le même temps, la déformation sur la longueur et la direction de la section transversale entraînera une modification de l'intensité du champ magnétique à l'intérieur de l'acier rond. Par conséquent, la relation entre la contrainte et l'intensité du champ magnétique peut être obtenue par le traitement et l'analyse des données. Sur la base de cette méthode, un test de relation entre la variation d'intensité du champ magnétique et la contrainte a été conçu.

Le chargement et le déchargement de l'essai de traction ont été effectués par la machine d'essai universelle de mécanique des matériaux, comme illustré à la Fig. 3a illustrée. Cet instrument était une machine d'essai universelle à moteur commandée par micro-ordinateur WDW-300 fabriquée par Jinan EAST Testing Instrument Co., LTD., comme le montre la figure 2a. Les paramètres de performance sont les suivants : puissance : 1,5 kW ; tension : 220 V ; précision : ± 0,5 % ; plage de vitesse : 0,05–500 mm/min ; charge maximale : 300 kN ; espace extensible : 650 mm. De plus, le capteur de bobine de mesure était toujours enroulé dans la direction latérale de la barre d'acier ronde, comme indiqué au milieu. Le capteur de bobine de mesure était un dispositif d'enroulement, comme illustré à la Fig. 1b et c, et les paramètres détaillés sont répertoriés dans le tableau 2. Dans cette étude, l'instrument de mesure de microcourant a été amélioré pour mesurer l'intensité du champ magnétique interne des échantillons d'acier ronds structurels de 32 mm Q390B. Le système de mesure de l'intensité du courant a été utilisé pour mesurer la variation de l'intensité du champ magnétique interne pendant le chargement axial selon le schéma de chargement conçu. Le système de mesure de l'intensité du courant comporte trois engrenages de commutation de mesure, c'est-à-dire nA, μA et mA, parmi lesquels choisir, comme illustré sur la figure 3b.

Schéma de principe de l'équipement de test IMME. (a) Machine d'essai d'asservissement électrohydraulique et diagramme schématique d'essai ; (b) le système de mesure de l'intensité du courant.

Le test a été effectué dans des conditions de température et d'humidité constantes. La température du test a été maintenue à 20 ± 3 °C et l'humidité était comprise entre 25 et 28 %. Pendant le processus de chargement, l'interférence du champ magnétique environnemental a été ignorée. Selon la résistance à la traction de conception de 335 MPa (Code pour la conception des structures en acier, Chine), la relation entre l'intensité du champ magnétique interne et la contrainte pour les barres rondes en acier vient d'être étudiée dans le domaine élastique. Enfin, le schéma de chargement est présenté dans le tableau 1. La vitesse de chargement était de 10 MPa/s et la charge maximale a été sélectionnée à 330 MPa. La contrainte limite proportionnelle σP a été déterminée par essai de traction. La cible de charge était de 60 kN, la contrainte réelle est de 75 MPa et les éprouvettes étaient en phase élastique.

La machine d'essai universelle de mécanique des matériaux était équipée d'un dispositif non conducteur. Le chemin de charge a été sélectionné dans la plage élastique pour les éprouvettes structurelles rondes en acier Q390B. Le taux de précharge a été déterminé à 5 mm/min, et la précharge était de 1 kN. Après avoir atteint la valeur cible de 1 kN, la machine a commencé à charger à une vitesse de 1 kN/s. Au cours de l'essai, la valeur du flux magnétique au point médian de l'échantillon a été mesurée et enregistrée de manière synchrone. L'essai a été répété 5 fois, chaque charge allant de 0 à 60 kN. L'ensemble du processus s'est déroulé comme suit : tout d'abord, l'éprouvette avec la bobine de mesure a été fixée et le montage d'essai a été serré. Deuxièmement, la machine d'essai universelle du moteur a été étirée à la valeur spécifiée de 60 kN à la vitesse indiquée dans le tableau 3, qui a été maintenue pendant 5 s. Enfin, une fois le temps de maintien atteint, le déchargement à 10 kN a été effectué à la même vitesse, puis ce processus a été répété 5 fois, comme illustré à la Fig. 4.

Testez la force de chargement et la courbe de temps t.

Dans l'étude, les caractéristiques de variation magnétique existantes au point à mi-portée de l'échantillon d'acier rond ont été sélectionnées. Un bandage spécial a été utilisé pour maintenir la bobine de mesure au centre de l'éprouvette ronde en acier. De cette façon, la bobine de mesure a été maintenue au milieu de l'éprouvette pendant l'essai de traction.

Grâce à l'expérience, nous pouvons conclure que la bobine de mesure est produite par le courant d'induction dans la mesure, qui peut recevoir la valeur d'intensité du champ en collectant, intégrant et traitant la taille du courant. La variation de l'IMME au milieu de l'éprouvette ronde en acier sous chargement et déchargement de traction LFC. Les données expérimentales des points de test ont été enregistrées par le système de mesure de l'intensité du courant. Selon les résultats des tests sur le testeur universel ci-dessus, la courbe de changement d'intensité du courant du processus variant dans le temps dans le test est obtenue, comme illustré à la Fig. 5. Sous l'action de la tension axiale, la contrainte produite par la force axiale de l'acier déforme l'ensemble du corps en acier, ce qui reflète la déformation, la tension longitudinale et la contraction transversale.

Intensité du courant et courbe temporelle.

La courbe de distribution du champ magnétique interne du magnétisme inhérent pour la barre d'acier ronde Q390B a été convertie à la section transversale de l'acier rond, comme illustré à la Fig. 2. La courbe ajustée est également illustrée à la Fig. 2. Les résultats de mesure et la courbe ajustée peuvent être utilisés pour obtenir la valeur de l'intensité du champ magnétique par transformation de l'équation. (2). La courbe d'intensité du champ magnétique interne est illustrée à la Fig. 6.

La courbe d'intensité du champ magnétique interne.

L'axe des x est la position du point de mesure sur la longueur de l'acier rond et l'axe des y est l'intensité du champ magnétique. L'intensité du champ magnétique augmente d'un bout à l'autre, atteint son maximum au point médian et diminue ensuite. On peut voir d'après les résultats que l'intensité du champ magnétique est maximale au milieu de l'acier rond. L'intensité du champ magnétique est de 0,0172 T au milieu de l'échantillon. Les résultats d'ajustement montrent que l'intensité de la distribution du champ magnétique est parabolique dans le sens de la longueur. Selon les résultats des tests illustrés à la Fig. 6, l'équation suivante a été obtenue à partir de l'ajustement d'un polynôme :

Ici, x est la distance de l'éprouvette avec des dimensions en millimètres (mm). Pour l'échantillon d'acier rond, la distribution d'intensité du champ magnétique est liée à la taille de l'acier rond. De plus, la production et la coulée de l'acier de construction ont été analysées après une série de processus technologiques, y compris le soufflage d'argon dans le convertisseur, le fond de poche, l'alimentation du fil, l'affinage, la coulée continue de brames, le chauffage, le décalaminage, le refroidissement, etc. Lors de la fusion et de la coulée, l'acier de construction était sous forme de tôle d'acier, et l'acier profilé ou l'acier en barre servait de matière première à la structure en acier. Dans ce processus, l'acier fondu raffiné cristallise en une brame par le processus de coulée continue de brame à une température réduite. Lors de la coulée continue à haute température, du chauffage et du refroidissement, des atomes de fer et des atomes de carbone sont dissous. Les changements de température lors de la fusion et de la coulée favorisent la dissolution des atomes de carbone dans le réseau et la transformation mutuelle de l'austénite et de la martensite. Toutes les procédures mentionnées ci-dessus affectent les propriétés magnétiques de l'acier de construction.

Pour le spécimen, l'intensité du champ magnétique du magnétisme inhérent est de 0,0172 T au point médian. Dans la phase élastique, lorsque la charge est chargée à 60 kN, la contrainte axiale réelle est de 75 MPa. À ce moment, le diagramme de relation de la variation d'intensité du courant et de la force après cinq cycles de chargement et de déchargement de traction LFC est illustré à la Fig. 7. Le premier cycle de chargement et de déchargement de traction dans l'essai est illustré à la Fig. 8. La première étape de chargement principale va du point Ls au point Le. Lorsque la charge augmente, le courant généré par les changements de champ magnétique augmente. Le courant de sortie continu du capteur à bobine de mesure peut être vu sur la figure. Le point O à Le est une étape de préchargement. Le point de saut de courbe Lsj se situe au début du chargement. La valeur de La est de 0,68 nA avec une force de 16 kN. Par la suite, le changement d'intensité du courant augmente à - 1,58 nA avec une force de 60 kN. Le point Le est un tournant entre la transition chargement et déchargement. Les résultats de l'intensité du courant sautent du point Le à Us. En phase de déchargement, la courbe va du point Le à Us à Ue. Le changement d'intensité de courant augmente à 1,55 nA avec une force de 55 kN. La valeur de Us est de 0,50 nA avec une force de 10 kN. Le deuxième cycle a commencé le chargement du point Ue à La à Le. Le point de saut de courbe se produit pendant la transition de chargement et de déchargement ou la transition de déchargement et de chargement.

Intensité du courant et courbe de force.

Intensité du courant et courbe de force du premier test LFC.

En modifiant le système de coordonnées, la relation entre l'intensité du courant et la contrainte de la courbe ajustée est illustrée à la Fig. 9. Lorsque la force a été chargée à 60 kN, la contrainte axiale réelle de la contrainte de section transversale de l'éprouvette structurelle en acier était de 75 MPa. Le modèle d'effet magnétomécanique interne a été dérivé comme suit.

Intensité du courant et courbe de contrainte ajustée des tests LFC.

Dans l'étape de chargement, la contrainte de section \(\sigma_{loading}\) est ajustée comme Eq. (4) par la fonction exponentielle de décroissance du premier ordre pour le milieu de l'échantillon.

Dans l'étape de déchargement, la contrainte de section \(\sigma_{déchargement}\) est ajustée comme Eq. (5) par la fonction exponentielle de décroissance du premier ordre pour le milieu de l'échantillon.

Pour l'étape de chargement, la valeur \(\Delta \sigma_{loading}\) de différentes valeurs t2 et t1 peut être dérivée de l'Eq. (4).

Ici, It2 et It1 sont les valeurs de l'intensité du courant au début et à la fin, respectivement ; e est une constante, également la base du logarithme népérien ; et \(\Delta \sigma_{loading}\) est la valeur de la différence de contrainte entre I2 et I1. Le modèle d'effet magnétomécanique interne dans les équations. (4) et (5) montrent que la relation entre l'intensité du courant et la force est stable sous la contrainte uniaxiale de l'acier rond dans le domaine élastique. La variation entre I2 et I1 pour les éprouvettes rondes structurelles en acier Q390B de 32 mm peut être calculée par la fonction exponentielle ajustée Eq. (6). Les formules seront également utilisées pour détecter et surveiller les changements de contrainte pour les éléments de charpente en acier dans les industries civiles ou mécaniques.

Pour les matériaux métalliques, notamment les matériaux métalliques polycristallins, les modifications de la structure cristalline interne sont très complexes sous l'action de forces extérieures. Pour les aciers de construction, les propriétés magnétiques sont encore plus complexes pour les éléments en acier soumis à des contraintes compliquées. L'étude du magnétisme complexe implique de nombreux sujets, tels que la science des matériaux métalliques, la caractérisation de la microstructure, la mécanique quantique et la micromécanique. Pour la mécanique traditionnelle, les propriétés mécaniques des aciers de construction ne peuvent pas être clairement expliquées. Dans les essais, la relation entre l'intensité du courant et la force est stable sous la contrainte uniaxiale de l'acier rond dans le domaine élastique. La relation entre la contrainte et les propriétés magnétiques peut refléter la relation mécanique. La relation peut être utilisée pour prédire la condition de contrainte en temps réel des éléments de structure en acier. En analysant les résultats des deux expériences, la relation entre le changement de contrainte au point médian de l'acier rond et le changement d'intensité du champ magnétique est obtenue. Enfin, il convient de noter que la relation entre l'intensité du champ magnétique interne et la contrainte de la barre d'acier ronde est très importante pour détecter la contrainte et la déformation de l'acier rond sous charge.

Dans cet article, une approche expérimentale a été adoptée pour déterminer le lien entre l'intensité du champ magnétique interne et la contrainte des barres d'acier rondes dans la plage élastique du matériau. Les résultats de l'étude visent à proposer une nouvelle façon de mesurer les changements de contrainte, qui sera également utilisée pour détecter et surveiller les changements de contrainte pour les éléments de structure en acier dans les industries civiles ou mécaniques.

Dans les tests IMFI, l'intensité du champ magnétique interne n'est pas uniformément répartie sur la longueur, montrant une distribution symétrique. La valeur maximale apparaît au milieu de la barre ronde en acier. Les résultats d'ajustement montrent que l'intensité de la distribution du champ magnétique est parabolique dans le sens de la longueur, comme le montre l'équation. (3).

Dans les essais de traction uniaxiale IMME, le test de relation entre la variation de l'intensité du champ magnétique et la contrainte du magnétisme existant a été étudié dans les phases de chargement et de déchargement. Le modèle d'effet magnétomécanique interne illustré dans les équations. (4) et (5), démontre que la relation entre l'intensité du courant et la force est stable sous la contrainte uniaxiale de l'acier rond dans le domaine élastique.

Il y avait un point de saut pour la valeur d'intensité du courant qui se produit pendant la phase de transition de chargement et de déchargement ou la transition de déchargement et de chargement dans la phase élastique. Le domaine magnétique interne de l'acier de construction est stable, montrant les caractéristiques de l'effet magnétique sous une faible charge alternative cyclique. On peut en conclure que la variation du champ magnétique dans l'acier rond est régulière sous tension. Pour les éprouvettes rondes structurelles en acier Q390B de 32 mm, les changements de modèle entre I2 et I1 peuvent être calculés par la fonction exponentielle ajustée, Eq. (6). Les travaux futurs se concentreront sur les études de la relation entre la contrainte et la déformation de l'acier de construction et le magnétisme de la microstructure en thermodynamique et en mécanique atomique.

Toutes les données générées ou analysées dans l'étude sont incluses dans le document.

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Ce travail est soutenu par le programme clé de recherche et de développement du Shaanxi (programme n ° 2022SF-085), le fonds d'ouverture du laboratoire clé d'État de la construction verte en Chine occidentale (LSKF202116), le laboratoire clé de la stabilité des puits et de la mécanique des fluides et des roches dans le réservoir de pétrole et de gaz de la province du Shaanxi, Université Xi'an Shiyou (n ° WSFRM 20200102001), le projet de plan scientifique et technologique de Yulin (CXY-202 0-053).

École d'urbanisme et d'ingénierie municipale, Université polytechnique de Xi'an, Xi'an, 710048, Chine

Yang Liu, Kun Liu, Fan de Linlin et Tao Yang

State Key Laboratory of Green Building in Western China, Université d'architecture et de technologie de Xi'an, Xi'an, 710055, Chine

Yang Liu et Binbin Li

Département de génie civil et environnemental, Université du Michigan, Ann Arbor, MI, 48109, États-Unis

Wentao Wang

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YL, WW et BL ont écrit le texte principal du manuscrit. YL, KL, LF et TY ont effectué les tests. YL, KL et LF ont analysé les données et préparé les figures. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance avec Yang Liu.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

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Reçu : 05 mai 2022

Accepté : 16 septembre 2022

Publié: 27 septembre 2022

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

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