Estudio del magnetismo inherente y su relación con las propiedades mecánicas del acero estructural en rollo

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 16078 (2022) Citar este artículo

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El magnetismo inherente es una propiedad importante de los materiales ferromagnéticos. En este estudio, se investigaron la intensidad del campo magnético interno (IMFI) y el efecto magnetomecánico interno (IMME) de Q390B en un campo estructural para detectar y verificar el magnetismo inherente en entornos estructurales. En la prueba IMFI, el flujo magnético se utilizó para detectar el cambio en el campo magnético para verificar la existencia de magnetismo. En la prueba IMME se implementó un novedoso instrumento para medir la variación magnética en la probeta Q390B sin flujo magnético. Sobre la base de las pruebas de carga de tracción cíclica de baja frecuencia (LFC), se describió completamente el magnetismo inherente. Los resultados experimentales indican que IMME muestra un gran potencial y más eficiencia en los estudios de magnetismo inherente y puede promoverse en un futuro próximo.

Las propiedades de magnetismo de los materiales son ampliamente utilizadas en diversas industrias1,2,3,4. Por ejemplo, el magnetismo se utiliza como método de prueba no destructivo para la construcción de estructuras de acero. Sin embargo, los escapes de acero estructural pueden fallar durante el servicio, lo que puede provocar desastres. Por lo tanto, es vital monitorear la tensión de los elementos de acero estructural. El acero estructural, una aleación de acero con bajo contenido de carbono para edificios y puentes, es un material ferromagnético o material magnético blando3,5. Después de la fundición, soldadura y fabricación, los componentes de acero pueden obtener cierto magnetismo denominado magnetismo inherente. En estudios de investigación recientes, el magnetismo ha llamado mucho la atención y se usa ampliamente en ensayos no destructivos de materiales (END)6,7.

Basados en los procesos de magnetización en aceros, los enfoques populares incluyen el ruido magnético de Barkhausen (MBN), la medición de histéresis magnética (MHM), la memoria magnética metálica (MMM) y los métodos de fuga de flujo magnético (MFL)4,8,9,10. La dependencia inherente de las propiedades magnéticas de la estructura atómica y la microestructura conduce a una cierta relación entre las propiedades magnéticas y las tensiones mecánicas11. La variación magnética en el acero estructural es sensible a defectos internos y cargas externas. Bajo la influencia de tensiones mecánicas, el cambio en la magnetización intrínseca es piezomagnético para un material ferromagnético. En 1865, Villari encontró que el magnetismo está sujeto a acciones mecánicas como tensión o compresión12,13. El cambio en el magnetismo fue causado por estrés mecánico14. Los resultados muestran que la tensión del acero estructural produce un aumento de la magnetización en campos débiles y una disminución en campos fuertes. De hecho, la tensión de los materiales ferromagnéticos se evalúa por el cambio en el campo magnético. El estado de tensión de los materiales ferromagnéticos se puede evaluar mediante la intensidad del campo magnético. Desde entonces, la conexión entre el campo piezomagnético y la tensión aplicada se ha convertido en un tema candente6,15.

Para los orígenes del efecto magnetomecánico, Jiles4,15 presentó una serie de pruebas para el efecto de tensiones de tracción uniaxiales de hasta 85 MPa sobre la actividad de Barkhausen y las propiedades magnéticas de los aceros. Propuso una teoría del modelo de efecto magnetomecánico para MBN. Las paredes del dominio se liberan aplicando tensión que hace que las paredes se muevan cambiando así la magnetización. Dubov16 realizó un estudio de las propiedades de los metales con la técnica de ensayos no destructivos (END) utilizando como método la memoria magnética. Sablik et al.17,18 estudiaron los efectos de la tensión biaxial en la MHM del acero con el campo de tensión y dilucidaron la variación en las propiedades magnéticas con el tamaño de grano y la densidad de dislocación. Bulte et al.19 presentaron una hipótesis para explicar el mecanismo por el cual las tensiones aplicadas externamente pueden afectar las propiedades magnéticas de los materiales ferromagnéticos. Según Leng et al.20,21, la respuesta de la señal MMM a la deformación plástica del acero con bajo contenido de carbono se exploró mediante una investigación experimental. Wang et al.7 propusieron un nuevo método para estimar la ubicación de la concentración de estrés y evaluar el grado de daño utilizando una curva de gradiente.

Liu et al.22 estudiaron la distribución del campo magnético de fuga en la superficie de una barra reforzada en un puente con esfuerzo de tracción axial basado en el efecto de memoria magnética de materiales ferromagnéticos. Guo et al.23 investigaron la idoneidad de la tecnología MMM para monitorear el daño en estructuras de acero expuestas a tensiones complejas en una prueba pseudoestática de un pórtico. Chen et al.24 realizaron una serie de pruebas de tracción estática y se realizaron mediciones MMM en el acero Q235 de uso común. Su et al.25 estudiaron la relación entre la deformación y el campo de memoria magnética del metal de vigas de acero con pruebas de flexión de cuatro puntos de vigas en I de acero Q235B. Li et al.26 demostraron que la adquisición de datos se puede realizar con precisión utilizando la tecnología de inspección de fugas de flujo magnético basada en LabVIEW y que la distribución de la entropía del espectro puede proporcionar un método para monitorear el crecimiento de grietas a través del diagnóstico de las concentraciones de tensión interna en los materiales.

Además, Shi et al.2,9 prometieron un modelo de acoplamiento magnetoelastoplástico de material ferromagnético con deformación plástica bajo tensión aplicada y campos magnéticos. Se discutió un modelo magnetomecánico general no lineal para materiales ferromagnéticos bajo un campo magnético débil constante2. Además, Kachniarz et al.27,28 diseñaron muestras en forma de marco de acero con devanados de magnetización y detección enrollados en sus columnas, y realizaron exploraciones tentativas de las características magnetoelásticas bajo esfuerzos de tracción. Además, Zhang et al.29 y Bao et al.14 observaron que las señales piezomagnéticas se pueden detectar utilizando magnetómetros de compuerta de flujo y probaron el comportamiento piezomagnético de los aceros ferromagnéticos sometidos a tensión de tracción. Kaleta et al.30 utilizaron la magnetovisión como herramienta para la investigación del proceso de fatiga de materiales ferromagnéticos. Weng et al.31,32 establecieron un método de prueba de estrés no destructivo en línea para tirantes de puentes de arco basado en el principio de acoplamiento magnético. En los estudios anteriores mencionados anteriormente, la relación entre el magnetismo inherente y la tensión del acero estructural rara vez se ha mencionado. Por lo tanto, para abordar esta necesidad, en este documento se diseñaron ensayos de tracción uniaxial para establecer una conexión entre la variación magnética y la tensión.

En el documento actual, se estudió el magnetismo inherente del acero redondo estructural y la relación entre el magnetismo inherente y la tensión para el acero Q390B estructural de baja aleación y alta resistencia a la tracción. En primer lugar, se prepararon las muestras experimentales y se diseñaron pruebas de intensidad de campo magnético interno (IMFI). Luego, se realizó un estudio de IMFI. Además, se diseñaron pruebas de efecto magnetomecánico interno (IMME) para descubrir la relación entre el magneto interno y el efecto mecánico bajo las pruebas de carga de tracción cíclica de baja frecuencia (LFC). Finalmente, se discutieron en detalle los resultados observados y se propuso un modelo de efecto magnetomecánico interno en relación con el estrés.

En las pruebas, se prepararon previamente tres muestras de acero Q390B redondas estructurales de 32 mm. Se consideró que el campo magnético interno del cuerpo era uniforme en la sección transversal del acero redondo. La prueba IMFI de acero estructural fue diseñada a temperatura ambiente sin interferencia electromagnética.

Las muestras de barras de acero redondas de prueba se cortaron del mismo acero redondo para garantizar la estabilidad de los parámetros originales. En la Tabla 1, la composición del material y las propiedades mecánicas de las muestras de acero estructural Q390B se proporcionan de acuerdo con el estándar chino33. Estos especímenes son aceros estructurales de baja aleación y alta resistencia. 'Q390' indica que el valor límite de rendimiento es de 390 MPa. 'B' se refiere a acero con bajo contenido de carbono. Las probetas de acero utilizadas en los ensayos son homogéneas.

La distribución de la intensidad del campo magnético interno (IMFI) del magnetismo inherente para la prueba de barra de acero redonda se llevó a cabo con el equipo experimental como se muestra en la Fig. 1a. El dispositivo de prueba se colocó en la caja de blindaje para evitar la interferencia causada por un campo magnético externo. En la figura 1a se muestra un diagrama esquemático de la prueba IMFI.

Diagrama esquemático del equipo experimental. (a) Diagrama esquemático de la prueba IMFI; (b) diagrama esquemático del sensor de la bobina de medición; (c) sensor de bobina de medición; (d) caja de blindaje magnético; (e) flujómetro TD8900; (f) espécimen de barra de acero estructural redonda y etiqueta de escala.

El sensor de la bobina de medición es un dispositivo de bobinado como se muestra en las Fig. 1b y c. El dispositivo está herido 500 veces por un alambre de cobre de 0,18 mm con un diámetro interior de 40 mm. Sus dimensiones externas son las siguientes: el diámetro interior es de 35 mm, el diámetro exterior es de 58 mm y la longitud es de 30 mm, como se muestra en las Fig. 1b y c. Los parámetros para medir el sensor de la bobina se muestran en la Tabla 2. El tamaño de la caja de blindaje es de 350 mm × 350 mm × 500 mm, como se muestra en la Fig. 1d. El espesor de la caja de blindaje es de 0,5 mm con la permeabilidad inicial μ0 = 68,8 mH/m, la permeabilidad máxima μm = 377,5 mH/m, la coercitividad Hc = 0,5 A/m y la intensidad de inducción magnética de saturación Bs = 0,75 t. El flujómetro, como se muestra en la Fig. 1e, es un instrumento compacto, con alta precisión, corrección automática de deriva y control por microprocesador, que permite al operador configurar el medidor para obtener la máxima resolución y precisión. El flujo magnético se utiliza para calcular inversamente la distribución del campo magnético dentro del imán. El valor del flujo magnético de cada punto de medición se mide con el flujómetro utilizado en el experimento. El espaciado de distancia de los puntos de medición fue de 50 mm. Como se muestra en la Fig. 1e, el valor del flujo magnético fue recopilado por un medidor de flujo TD8900 fabricado por Changsha Tianheng Measurement and Control Technology Co., LTD. La barra de acero se fija en la caja de blindaje. En la prueba, el diámetro de la muestra de acero redonda es de 30 mm y la longitud es de 500 mm. La muestra de barra de acero redonda y la etiqueta de escala se muestran en la Fig. 1f.

Durante la prueba, el sensor de la bobina de medición se envolvió lateralmente alrededor del acero y se movió de abajo hacia arriba, como se muestra en la Fig. 1a.

En el experimento, solo se consideró y midió el cambio en el flujo magnético relativo en un punto específico a lo largo de la dirección axial. Hay dos opciones para realizar este experimento. Una opción es configurar primero el medidor de flujo a cero, y el flujo magnético inicial se generará cuando el sensor de la bobina de medición comience a moverse hacia el final debido al cambio en el campo magnético real al final de la muestra redonda de acero. Otra opción es configurar el medidor de flujo como cero después de determinar la posición inicial del punto de medición especificado. En tal caso, el valor del primer punto de medición será cero.

En este trabajo, se eligió la última opción para realizar las pruebas IMFI de acero estructural. Primero, el sensor de medición se movió a la posición del punto de medición especificado. Luego, el flujómetro magnético se puso a cero y comenzó a registrar los datos del punto especificado preparado. Los valores de flujo magnético en los puntos de medición especificados se midieron a lo largo de la posición de coordenadas de la muestra. Como se muestra en la Fig. 1a, las posiciones de los puntos de medición especificados fueron 0, 50 mm, 100 mm, 150 mm, 200 mm, 250 mm, 300 mm, 350 mm, 400 mm, 450 mm y 500 mm, es decir, el método de avance. Después de la medición, las posiciones de coordenadas a lo largo del acero redondo son: 500 mm, 450 mm, 400 mm, 350 mm, 300 mm, 250 mm, 200 mm, 150 mm, 100 mm, 50 mm y 0 mm, es decir, la método inverso. Después de la medición bidireccional, se terminó la prueba. Por lo tanto, el error de medición se redujo tomando el valor medio de la medición bidireccional.

Las pruebas se diseñaron y realizaron para obtener la distribución de la intensidad del campo magnético interno del magnetismo inherente para especímenes redondos de acero sin carga y sin campo magnético externo en un ambiente a temperatura ambiente. De acuerdo con el cambio en el flujo magnético dentro del cuerpo redondo de acero, la distribución de la intensidad del campo magnético B dentro del cuerpo redondo de acero a lo largo de la longitud se puede calcular mediante la ecuación. (2) cambiado de Eq. (1).

donde \(\Phi\) es el flujo magnético; n es el número de bobinados para el sensor de bobina de medición; B es la intensidad del campo magnético dentro del cuerpo redondo de acero; y S es el área de la intensidad del campo magnético dentro del cuerpo redondo de acero.

Las pruebas experimentales se realizaron a una temperatura de 20 ± 3 °C. En la prueba IMFI, se probaron tres especímenes de 32 mm de barras de acero redondas y los datos experimentales de los puntos de prueba se registraron mediante un software flujómetro en una computadora. En las pruebas se utilizó el método de contraste directo e inverso para eliminar el error. A través de la prueba, se encontró que el magnetismo existente en el acero redondo no se vio afectado por el ambiente externo. La distribución del campo de flujo magnético interno de la muestra de barra de acero estructural redonda en la sección transversal del acero redondo Q390B se muestra en la Fig. 2.

La curva de distribución del campo de flujo magnético interno del magnetismo inherente para la barra de acero redonda Q390B.

En las pruebas IMME se tomó como objeto de investigación el elemento redondo de acero. La relación entre la intensidad del campo magnético interno y la tensión de la barra de acero redonda fue muy importante para detectar la tensión y la deformación del acero redondo bajo carga. En la prueba de tracción, la posición del cuello de la sección fue difícil de determinar después de que el material entró en la etapa de deformación plástica. Esto estaba relacionado con la composición de los materiales metálicos y los defectos de fundición. Por lo tanto, la relación entre la variación magnética y la tensión se diseñó dentro de un cierto rango de tensión de tracción. El cambio en la intensidad del campo magnético en la muestra redonda de acero provoca un cambio en la corriente eléctrica en el sensor de la bobina de medición. El valor del cambio puede reflejar la ley cambiante del campo magnético en un miembro redondo de acero.

La tensión de la barra de acero redonda se determinó mediante el ensayo de tracción uniaxial. Bajo la acción de la tensión, el acero redondo causará tensión a lo largo y en la dirección de la sección transversal. Al mismo tiempo, la deformación a lo largo y la dirección de la sección transversal provocará un cambio en la intensidad del campo magnético dentro del acero redondo. Por lo tanto, la relación entre el estrés y la intensidad del campo magnético se puede obtener mediante el procesamiento y análisis de datos. Con base en este método, se diseñó una prueba de relación entre la variación de la intensidad del campo magnético y el estrés.

La carga y descarga de la prueba de tracción se completaron con la máquina de prueba de mecánica de materiales universal como se muestra en la Fig. 3a que se muestra. Este instrumento era una máquina de prueba universal de motor controlada por microordenador WDW-300 fabricada por Jinan EAST Testing Instrument Co., LTD., como se muestra en la Fig. 2a. Los parámetros de rendimiento son los siguientes: potencia: 1,5 kW; voltaje: 220 V; precisión: ± 0,5%; rango de velocidad: 0,05–500 mm/min; carga máxima: 300 kN; espacio de estiramiento: 650 mm. Además, el sensor de la bobina de medición todavía estaba envuelto en la dirección lateral de la barra de acero redonda, como se muestra en el centro. El sensor de la bobina de medición era un dispositivo de bobinado, como se muestra en la Fig. 1b y c, y los parámetros detallados se enumeran en la Tabla 2. En este estudio, el instrumento de medición de microcorriente se mejoró para medir la intensidad del campo magnético interno de la ronda estructural de 32 mm. Muestras de acero Q390B. El sistema de medición de intensidad de corriente se utilizó para medir el cambio en la intensidad del campo magnético interno durante la carga axial de acuerdo con el esquema de carga diseñado. El sistema de medición de intensidad de corriente tiene tres engranajes de conmutación de medición, es decir, nA, μA y mA, para elegir, como se muestra en la Fig. 3b.

Diagrama esquemático del equipo de prueba IMME. (a) Máquina de prueba servo electrohidráulica y diagrama esquemático de prueba; (b) el sistema de medición de intensidad de corriente.

El ensayo se realizó en condiciones de temperatura y humedad constantes. La temperatura de ensayo se mantuvo a 20 ± 3 °C y la humedad estuvo entre 25 y 28%. Durante el proceso de carga, se ignoró la interferencia del campo magnético ambiental. De acuerdo con la resistencia a la tracción de diseño de 335 MPa (Código para el diseño de estructuras de acero, China), la relación entre la intensidad del campo magnético interno y la tensión para las barras de acero redondas solo se estudió dentro del rango elástico. Finalmente, el esquema de carga se muestra en la Tabla 1. La velocidad de carga fue de 10 MPa/s y la carga máxima se seleccionó como 330 MPa. La tensión límite proporcional σP se determinó mediante ensayo de tracción. La carga objetivo era de 60 kN, la tensión real es de 75 MPa y las probetas se encontraban en fase elástica.

La máquina universal de ensayos de mecánica de materiales estaba equipada con un accesorio no conductor. La trayectoria de la carga se seleccionó dentro del rango elástico para las muestras de acero redondo estructural Q390B. Se determinó que la velocidad de precarga era de 5 mm/min y la precarga era de 1 kN. Después de alcanzar el valor objetivo de 1 kN, la máquina comenzó a cargar a una velocidad de 1 kN/s. Durante la prueba, se midió y registró sincrónicamente el valor del flujo magnético en el punto medio de la muestra. La prueba se repitió 5 veces, cada carga variando de 0 a 60 kN. Todo el proceso fue el siguiente: primero, se fijó la muestra de prueba con la bobina de medición y se apretó el dispositivo de prueba. En segundo lugar, la máquina de prueba universal de motores se estiró hasta el valor especificado de 60 kN a la velocidad que se muestra en la Tabla 3, que se mantuvo durante 5 s. Finalmente, una vez alcanzado el tiempo de espera, se realizó la descarga a 10 kN a la misma velocidad, y luego este proceso se repitió 5 veces, como se muestra en la Fig. 4.

Pruebe la fuerza de carga y la curva de tiempo t.

En el estudio, se seleccionaron las características de variación magnética existentes en el punto medio de la probeta de acero redonda. Se usó un vendaje especial para sujetar la bobina de medición en el centro de la muestra redonda de acero. De esta forma, la bobina de medición se mantuvo en el centro de la muestra durante el ensayo de tracción.

A través del experimento, podemos concluir que la bobina de medición es producida por la corriente de inducción en la medición, a la que se le puede dar el valor de fuerza del campo recolectando, integrando y procesando el tamaño actual. El cambio en IMME en el punto medio del espécimen de acero redondo bajo carga y descarga de tracción LFC. Los datos experimentales de los puntos de prueba fueron registrados por el sistema de medición de intensidad de corriente. De acuerdo con los resultados de la prueba en el probador universal anterior, se obtiene la curva de cambio de intensidad de corriente del proceso variable en el tiempo en la prueba, como se muestra en la Fig. 5. Bajo la acción de la tensión axial, la tensión producida por la fuerza axial del acero deforma todo el cuerpo de acero, lo que refleja la tensión, la tensión longitudinal y la contracción transversal.

Intensidad de corriente y curva de tiempo.

La curva de distribución del campo magnético interno del magnetismo inherente para la barra de acero Q390B redonda se convirtió en la sección transversal del acero redondo, como se muestra en la Fig. 2. La curva ajustada también se muestra en la Fig. 2. Los resultados de la medición y el La curva ajustada se puede utilizar para obtener el valor de la intensidad del campo magnético mediante la transformación de la ecuación. (2). La curva de intensidad del campo magnético interno se muestra en la Fig. 6.

La curva de intensidad del campo magnético interno.

El eje x es la posición del punto de medición a lo largo del acero redondo y el eje y es la intensidad del campo magnético. La intensidad del campo magnético aumenta de un extremo al otro, alcanza su máximo en el punto medio y luego disminuye. Se puede ver a partir de los resultados que la intensidad del campo magnético es máxima en el medio del acero redondo. La intensidad del campo magnético es de 0,0172 T en el punto medio de la muestra. Los resultados del ajuste muestran que la intensidad de la distribución del campo magnético es parabólica a lo largo de la dirección longitudinal. De acuerdo con los resultados de la prueba que se muestran en la Fig. 6, se obtuvo la siguiente ecuación del ajuste de un polinomio:

Aquí, x es la distancia de la muestra con dimensiones en milímetros (mm). Para la muestra de acero redondo, la distribución de intensidad del campo magnético está relacionada con el tamaño del acero redondo. Además, se analizó la producción y colada del acero estructural luego de una serie de procesos tecnológicos, incluyendo soplado de argón en el convertidor, fondo de cuchara, alimentación de alambre, refinación, colada continua de planchones, calentamiento, decapado, enfriamiento, etc. Durante la fundición y colada , el acero estructural estaba en forma de chapa de acero, y la sección de acero o el acero en barra sirvieron como materia prima de la estructura de acero. En este proceso, el acero fundido refinado cristaliza en una losa a través del proceso de colada continua de la losa a una temperatura reducida. Durante la colada continua a alta temperatura, el calentamiento y el enfriamiento, se disuelven los átomos de hierro y los átomos de carbono. Los cambios de temperatura en la fundición y la colada promueven la disolución de los átomos de carbono en la red y la transformación mutua de austenita y martensita. Todos los procedimientos mencionados anteriormente afectan las propiedades magnéticas del acero estructural.

Para la muestra, la intensidad del campo magnético del magnetismo inherente es de 0,0172 T en el punto medio. En la etapa elástica, cuando la carga se carga a 60 kN, el esfuerzo axial real es de 75 MPa. En este momento, el diagrama de relación de la variación de la intensidad de corriente y la fuerza después de cinco ciclos de carga y descarga de tracción LFC se muestra en la Fig. 7. El primer ciclo de carga y descarga de tracción en la prueba se muestra en la Fig. 8. El primer ciclo principal etapa de carga es desde el punto Ls a Le. A medida que aumenta la carga, aumenta la corriente generada por los cambios de campo magnético. La corriente de salida continua del sensor de la bobina de medición se puede ver en la figura. El punto O a Le es una etapa de precarga. El punto de salto de la curva Lsj ocurre al comienzo de la carga. El valor de La es 0,68 nA con una fuerza de 16 kN. Posteriormente, el cambio de intensidad de corriente aumenta a -1,58 nA con una fuerza de 60 kN. Point Le es un punto de inflexión de la transición de carga y descarga. Los resultados de la intensidad de la corriente saltan del punto Le al Us. En la etapa de descarga, la curva es del punto Le a Us a Ue. El cambio de intensidad de corriente aumenta a 1,55 nA con una fuerza de 55 kN. El valor de Us es 0,50 nA con una fuerza de 10 kN. El segundo ciclo comenzó a cargar desde el punto Ue a La a Le. El punto de salto de la curva se produce durante la transición de carga y descarga o la transición de carga y descarga.

Intensidad de corriente y curva de fuerza.

Intensidad de corriente y curva de fuerza de la primera prueba LFC.

Al cambiar el sistema de coordenadas, la relación de la intensidad de la corriente y la tensión de la curva ajustada se muestra en la Fig. 9. Cuando la fuerza se cargó a 60 kN, la tensión axial real de la tensión de la sección transversal del espécimen de acero estructural redondo fue de 75 MPa. El modelo de efecto magnetomecánico interno se derivó de la siguiente manera.

Intensidad de corriente y curva de tensión ajustada de los ensayos LFC.

En la etapa de carga, la tensión de la sección transversal \(\sigma_{loading}\) se ajusta como Eq. (4) por la función exponencial de decaimiento de primer orden para el punto medio de la muestra.

En la etapa de descarga, la tensión de la sección transversal \(\sigma_{descarga}\) se ajusta como Eq. (5) por la función exponencial de decaimiento de primer orden para el punto medio de la muestra.

Para la etapa de carga, el valor \(\Delta \sigma_{loading}\) de diferentes valores t2 y t1 se puede derivar de la ecuación. (4).

Aquí, It2 e It1 son los valores de la intensidad de corriente al inicio y al final, respectivamente; e es una constante, también la base del logaritmo natural; y \(\Delta \sigma_{loading}\) es el valor de la diferencia de tensiones entre I2 e I1. El modelo de efecto magnetomecánico interno en las ecuaciones. (4) y (5) muestra que la relación entre la intensidad de la corriente y la fuerza es estable bajo la tensión uniaxial del acero redondo en el rango elástico. El cambio entre I2 e I1 para las muestras de acero Q390B redondas estructurales de 32 mm se puede calcular mediante la función exponencial ajustada Eq. (6). Las fórmulas también se utilizarán para detectar y controlar los cambios de tensión de elementos estructurales de acero en industrias civiles o mecánicas.

Para materiales metálicos, especialmente materiales metálicos policristalinos, los cambios en la estructura cristalina interna son muy complejos bajo la acción de fuerzas externas. Para los aceros estructurales, las propiedades magnéticas son aún más complejas para los elementos de acero sometidos a esfuerzos complicados. El estudio del magnetismo complejo involucra muchos temas, como la ciencia de los materiales metálicos, la caracterización de microestructuras, la mecánica cuántica y la micromecánica. Para la mecánica tradicional, las propiedades mecánicas de los aceros estructurales no se pueden explicar con claridad. En las pruebas, la relación entre la intensidad de la corriente y la fuerza es estable bajo la tensión uniaxial del acero redondo en el rango elástico. La relación entre el estrés y las propiedades magnéticas puede reflejar la relación mecánica. La relación se puede utilizar para predecir la condición de tensión en tiempo real de los elementos estructurales de acero. Al analizar los resultados de los dos experimentos, se obtiene la relación entre el cambio de tensión en el punto medio del acero redondo y el cambio en la intensidad del campo magnético. Finalmente, cabe señalar que la relación entre la intensidad del campo magnético interno y la tensión de la barra de acero redonda es muy importante para detectar la tensión y la deformación del acero redondo bajo carga.

En este artículo, se tomó un enfoque experimental para determinar la conexión entre la intensidad del campo magnético interno y la tensión de las barras de acero redondas en el rango elástico del material. Los resultados del estudio pretenden proponer una forma novedosa de medir los cambios de tensión, que también se utilizará para detectar y controlar los cambios de tensión en elementos estructurales de acero en industrias civiles o mecánicas.

En las pruebas IMFI, la intensidad del campo magnético interno no se distribuye uniformemente a lo largo, mostrando una distribución simétrica. El valor máximo aparece en el punto medio de la barra de acero redonda. Los resultados de ajuste muestran que la intensidad de la distribución del campo magnético es parabólica a lo largo de la dirección de la longitud, como se muestra en la ecuación. (3).

En los ensayos de tracción uniaxial IMME se estudió el ensayo de relación entre la variación de la intensidad del campo magnético y el esfuerzo del magnetismo existente en las fases de carga y descarga. El modelo de efecto magnetomecánico interno que se muestra en las Ecs. (4) y (5), demuestra que la relación entre la intensidad de la corriente y la fuerza es estable bajo la tensión uniaxial del acero redondo en el rango elástico.

Hubo un punto de salto para el valor de intensidad de corriente que ocurre durante la etapa de transición de carga y descarga o la transición de carga y descarga en la etapa elástica. El dominio magnético interno del acero estructural es estable, mostrando las características del efecto magnético bajo una carga alternativa cíclica baja. Se puede concluir que la variación del campo magnético en el acero redondo es regular bajo tensión. Para los especímenes de acero Q390B redondos estructurales de 32 mm, los cambios del modelo entre I2 e I1 se pueden calcular mediante la función exponencial ajustada, Eq. (6). El trabajo futuro se centrará en estudios de la relación entre la tensión y la deformación del acero estructural y el magnetismo de la microestructura en termodinámica y mecánica atómica.

Todos los datos generados o analizados en el estudio se incluyen en el documento.

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Este trabajo cuenta con el apoyo del Programa clave de investigación y desarrollo de Shaanxi (Programa No. 2022SF-085), el Fondo de apertura del Laboratorio estatal clave de construcción ecológica en el oeste de China (LSKF202116), el Laboratorio clave de Estabilidad de pozos y Mecánica de fluidos y rocas en la Reserva de Petróleo y Gas de la Provincia de Shaanxi, Universidad Xi'an Shiyou (No. WSFRM 20200102001), el Proyecto del Plan de Ciencia y Tecnología de Yulin (CXY-2020-053).

Escuela de Planificación Urbana e Ingeniería Municipal, Universidad Politécnica de Xi'an, Xi'an, 710048, China

Yang Liu, Kun Liu, Linlin Fan y Tao Yang

Laboratorio estatal clave de construcción ecológica en el oeste de China, Universidad de Arquitectura y Tecnología de Xi'an, Xi'an, 710055, China

Yang Liu y Bin Bin Li

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, Universidad de Michigan, Ann Arbor, MI, 48109, EE. UU.

WentaoWang

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YL, WW y BL escribieron el texto principal del manuscrito. YL, KL, LF y TY realizaron las pruebas. YL, KL y LF analizaron los datos y prepararon las cifras. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Yang Liu.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Liu, Y., Liu, K., Wang, W. et al. Estudio del magnetismo inherente y su relación con las propiedades mecánicas del acero estructural redondo. Informe científico 12, 16078 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-20718-2

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Recibido: 05 Mayo 2022

Aceptado: 16 de septiembre de 2022

Publicado: 27 septiembre 2022

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

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