金屬磁記憶累積機(jī)理的研究

引言
鐵磁性金屬構(gòu)件損壞的主要原因是各種微觀和宏觀的機(jī)械應(yīng)力集中，應(yīng)力集中區(qū)往往是金屬微損的積聚和位錯(cuò)的高密集區(qū)，且其形成會(huì)伴隨著鐵磁微觀組織結(jié)構(gòu)的變化(如位錯(cuò)密度的提高、磁疇組織的重新分布、金屬相變等)與內(nèi)應(yīng)力大小的變化[1]。組織結(jié)構(gòu)和內(nèi)應(yīng)力大小的變化通過(guò)磁場(chǎng)的方法可以檢測(cè)出來(lái)。鐵磁材料的微觀組織結(jié)構(gòu)的變化會(huì)導(dǎo)致試件產(chǎn)生裂紋，從而在鐵磁材料的表面產(chǎn)生漏磁場(chǎng)；內(nèi)應(yīng)力大小的變化會(huì)導(dǎo)致磁致伸縮、磁疇組織定向甚至不可逆重組。微觀組織結(jié)構(gòu)與內(nèi)應(yīng)力的大小變化與磁導(dǎo)率有密切聯(lián)系，內(nèi)應(yīng)力的變化會(huì)導(dǎo)致磁導(dǎo)率發(fā)生變化，從而在被檢測(cè)試件表面產(chǎn)生漏磁場(chǎng)[2]。

到目前為止，傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法渦流、超聲等，只能檢測(cè)出已發(fā)展成形的缺陷，而不能發(fā)現(xiàn)和預(yù)測(cè)將要發(fā)生缺陷且對(duì)在役金屬設(shè)備及構(gòu)件的早期損傷，特別是尚未成形的隱性不連續(xù)性變化難以實(shí)施有效的評(píng)價(jià)[3]。1997年由俄羅斯動(dòng)力診斷公司杜波夫教授提出的金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)恰恰彌補(bǔ)了傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的不足，該技術(shù)正是借助于金屬內(nèi)部各種微觀缺陷和應(yīng)力分布在地球磁場(chǎng)中的“被動(dòng)”反應(yīng)特性，通過(guò)拾取鐵磁表面產(chǎn)生的固有漏磁場(chǎng)(SMFL)的分布來(lái)確定應(yīng)力集中的部位，宣稱真正具有了對(duì)鐵磁性金屬構(gòu)件的損傷進(jìn)行早期診斷的能力。

但由于金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)問(wèn)世時(shí)間較短且只能對(duì)鐵磁性試件存在的缺陷進(jìn)行定性的評(píng)估還缺乏定量的手段，因此還需要借助其它手段進(jìn)行定量。金屬磁記憶物理現(xiàn)象比較明顯但物理機(jī)制尚不明確，目前金屬磁記憶的解釋機(jī)理主要有南昌航空大學(xué)任吉林等提出能量平衡說(shuō)[1]，南京燃?xì)廨啓C(jī)研究所仲維暢提出的電磁感應(yīng)說(shuō)[4]，俄羅斯學(xué)者杜波夫教授提出自有漏磁場(chǎng)決定論(SMFL)[5]，但這些解釋都停留在理論的初步摸索上，仍缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持。更多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，磁記憶現(xiàn)象反映的是某個(gè)位置上應(yīng)力集中的程度，而并不直接定量的反映應(yīng)力的大小。由于缺乏公認(rèn)的理論解釋?zhuān)庞洃洭F(xiàn)象和應(yīng)力分布、應(yīng)力大小之間的關(guān)系也難以精確確定。在模擬仿真計(jì)算方面，目前的電磁-結(jié)構(gòu)場(chǎng)聯(lián)合仿真，主要仿真靜態(tài)條件下的機(jī)械載荷與試件表面磁場(chǎng)的關(guān)系，還沒(méi)能反映循環(huán)加載過(guò)程中的磁記憶積累效應(yīng)[6]。同時(shí)，由于不同含碳量、不同金相結(jié)構(gòu)、不同的外界環(huán)境等條件下，以及存在可能的位錯(cuò)、滑移等微觀變化條件下的應(yīng)力分布具有復(fù)雜性，這些因素為信號(hào)的特征提取分析和更精確的定量測(cè)量帶來(lái)困難。這也導(dǎo)致在對(duì)于磁記憶方法的有效性評(píng)價(jià)方面，金屬磁記憶技術(shù)在我國(guó)、俄羅斯與西方國(guó)家的研究和工業(yè)界存在一定程度的爭(zhēng)議。

目前磁測(cè)殘余應(yīng)力法中，巴克豪森是相對(duì)比較成熟的手段。它具有靈敏度高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，且金屬磁記憶和巴克豪森都是基于磁疇機(jī)理，產(chǎn)生機(jī)理都是磁疇在應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生磁致伸縮和磁疇壁的位移，兩者在解釋機(jī)理上有一定的共同之處。因此在循環(huán)加載鐵磁試件前，本文首先利用巴克豪森法對(duì)應(yīng)力進(jìn)行定量，以驗(yàn)證金屬磁記憶技術(shù)檢出結(jié)果的可靠性并為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)開(kāi)展提供說(shuō)明。該方法為目前的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展的鐵軌檢測(cè)項(xiàng)目作為先導(dǎo)性的研究。

1  金屬磁記憶技術(shù)的基本原理

1.1金屬磁記憶技術(shù)的能量平衡學(xué)說(shuō)

金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)是鐵磁體的磁致伸縮逆效應(yīng)和磁機(jī)械效應(yīng)共同作用的結(jié)果。當(dāng)外力作用于鐵磁材料使其發(fā)生形變時(shí)，鐵磁體不但會(huì)產(chǎn)生彈性應(yīng)變，還會(huì)產(chǎn)生磁致伸縮性質(zhì)的應(yīng)變，從而引起磁疇壁的位移，改變其自發(fā)磁化的方向。根據(jù)能量最小原則，只有減小應(yīng)力能或改變鐵磁體原有的磁彈性能等，才可能使總自由能趨于最小從而使鐵磁體處于新的穩(wěn)定狀態(tài)。
當(dāng)鐵磁材料受到外力作用時(shí)，以各向同性磁致伸縮材料為例，其應(yīng)力能可表述為：
                                
（1）式中σ為應(yīng)力；λs為磁致伸縮系數(shù)；θ為應(yīng)力方向與磁化方向的夾角。
對(duì)于正磁致伸縮系數(shù)(λs>0)，施加拉力將使自發(fā)磁化強(qiáng)度方向平行于拉力方向；對(duì)于負(fù)磁致伸縮系數(shù)(λs<0)，施加拉力將使自發(fā)磁化強(qiáng)度方向垂直于拉力方向。應(yīng)力的存在不僅存在應(yīng)力能，也會(huì)對(duì)自發(fā)磁化的強(qiáng)度和方向產(chǎn)生影響?；谀芰繉W(xué)說(shuō)理論可得出自發(fā)磁化強(qiáng)度與拉應(yīng)力成正比，與壓應(yīng)力成反比。

1.2金屬磁記憶的物理基礎(chǔ)

當(dāng)鐵磁工件在周期性負(fù)載和外部弱磁場(chǎng)(如地球磁場(chǎng))的共同作用時(shí),該處會(huì)出現(xiàn)殘余磁感應(yīng)強(qiáng)度和自發(fā)磁化的增長(zhǎng),即鐵磁體磁化-退磁過(guò)程具有非對(duì)稱性,在磁化或退磁過(guò)程中分別積累或放出的磁性能不相等,故每經(jīng)過(guò)一次磁化-退磁循環(huán)，鐵磁物質(zhì)都會(huì)獲得一個(gè)磁感應(yīng)增量ΔΜ，一次循環(huán)積累的ΔΜ較小，但是當(dāng)循環(huán)次數(shù)巨大時(shí)會(huì)最終趨近并達(dá)到其最大剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度。

3  循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)
3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及相關(guān)設(shè)備
循環(huán)加載在以下實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)（圖2）。循環(huán)載荷等級(jí)分50N、100N、150N、200N、250N、300N、350N、400N，475N，同一載荷每循環(huán)加載20次測(cè)量一次。

試件選用Q235型號(hào)鋼，試件尺寸為70cm*3cm*0.55cm。基于以上平臺(tái)，根據(jù)力學(xué)理論試件在A-B段上所受載荷是均勻分布。為了能在A-B段產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,根據(jù)帶偶極子模型，在試件中心開(kāi)了一個(gè)小槽（0.1cm*30cm*0.2cm）。本實(shí)驗(yàn)使用自制的檢測(cè)系統(tǒng)，檢出曲線與廈門(mén)愛(ài)德森公司的EMS-2003作過(guò)比對(duì)，有很好的一致性。
3.2 實(shí)驗(yàn)前處理
圖3是循環(huán)加載前所檢測(cè)試件上殘余磁場(chǎng)的分布（未抵消地磁，未作濾波處理）。

根據(jù)金屬磁記憶的循環(huán)累積機(jī)理和磁偶極子模型，檢出的垂直分量的峰-峰值應(yīng)該關(guān)于零點(diǎn)對(duì)稱，水平分量應(yīng)該關(guān)于中心對(duì)稱，而上圖3所示各分量并沒(méi)有出現(xiàn)理想的對(duì)稱波形。這就為進(jìn)一步的特征提取乃至定性帶來(lái)了干擾，目前特征值提取都建立在標(biāo)準(zhǔn)波形的基礎(chǔ)之上，因此進(jìn)一步了解金屬磁記憶累積機(jī)理顯的相當(dāng)必要。實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中并不具備對(duì)試件先進(jìn)行均勻微觀組織和消除殘余磁場(chǎng)的條件，因此檢測(cè)出的金屬磁記憶信號(hào)記錄的很可能是裂紋尖端的應(yīng)力集中和其它缺口效應(yīng)造成的應(yīng)力集中導(dǎo)致的固有漏磁場(chǎng)的相互疊加。如要了解累積過(guò)程，就需要進(jìn)一步確定應(yīng)力集中的位置和消除相鄰缺陷間的干擾。為此，我們首先對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行一階微分處理，處理后的波形如圖4所示。

為了驗(yàn)證金屬磁記憶檢測(cè)結(jié)果的可靠性和為了解金屬磁記憶的累積過(guò)程，選擇使用磁巴克豪森法(Magnetic Barkhause noise)進(jìn)行驗(yàn)證。論文[7]表明，MBN信號(hào)的均方根和平均值與MBN信號(hào)強(qiáng)度有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為此提取BN信號(hào)RMS(均方根)和平均值作為特征值來(lái)標(biāo)定荷與巴克豪森強(qiáng)度之間的關(guān)系。首先在尺寸、材質(zhì)相同的無(wú)缺陷試件上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出MBN信號(hào)強(qiáng)度與載荷的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以下是根據(jù)實(shí)驗(yàn)擬合出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)公式：
均方根與載荷對(duì)應(yīng)關(guān)系:    y=-7.3724e(-5)x+0.0811           殘差：0.00333716
平均值與載荷對(duì)應(yīng)關(guān)系:    y=-2.9351e(-5)x+0.040465         殘差：0.00104444

圖5是MBN信號(hào)強(qiáng)度與應(yīng)力對(duì)應(yīng)關(guān)系，零點(diǎn)位置為缺陷中心，橫坐標(biāo)正值為試件右段，橫坐標(biāo)負(fù)值為試件左段?？紤]磁化器尺寸和其它影響因素，選擇檢測(cè)范圍為[-12cm,12cm]。在缺陷中心MBN信號(hào)強(qiáng)度較小，可見(jiàn)缺陷對(duì)MBN的信號(hào)是有一定的影響的。在缺陷右端3cm位置和缺陷左端12cm的位置應(yīng)力值明顯比較大。到目前為止，金屬磁記憶雖不能定量檢測(cè)出應(yīng)力的大小，但它可以檢測(cè)出應(yīng)力集中的狀態(tài)。

通過(guò)巴克豪森法對(duì)應(yīng)力的定量結(jié)合金屬磁記憶微分后的波形，均顯示原始試件上存在兩處應(yīng)力集中區(qū)。微分之后的曲線波形和原來(lái)的曲線波形有一定的差異且更能反映位置與磁記憶信號(hào)的對(duì)應(yīng)信息。以往的一系列實(shí)驗(yàn)表明將微分技術(shù)引入對(duì)金屬磁記憶的信號(hào)處理中，在裂紋尖端區(qū)域金屬磁記憶信號(hào)會(huì)發(fā)生畸變，往往這個(gè)區(qū)域就是應(yīng)力集中區(qū)域。

3.3 循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)
金屬磁記憶信號(hào)嚴(yán)格意義上講屬于不平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，檢出的信號(hào)中很容易引進(jìn)一些短促的干擾信號(hào)和無(wú)意義的野值點(diǎn)。為了消除干擾，首先選用漢寧窗進(jìn)行數(shù)字平滑以剔除數(shù)據(jù)中可能出現(xiàn)的干擾，其次把小波去噪技術(shù)應(yīng)用的金屬磁記憶信號(hào)的分析中，去除高頻噪聲提高信噪比，圖6是經(jīng)過(guò)數(shù)字平滑平滑和小波去噪后的波形。下圖各檢測(cè)曲線均是將試件東西擺放，按照同一路徑(A-B)進(jìn)行檢測(cè)，由于是用手移動(dòng)檢測(cè)探頭還不能保證移動(dòng)速度均勻且缺乏定位手段，因此以下各圖并不反映具體某點(diǎn)在不同載荷下的磁場(chǎng)變化趨勢(shì)。但從實(shí)驗(yàn)?zāi)康某霭l(fā)和了解循環(huán)加載中磁場(chǎng)的累積過(guò)程，我們更關(guān)注的是磁記憶信號(hào)的幅值和整體波形的變化。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和試件材料屬性參數(shù)，計(jì)算得出施加的載荷達(dá)425N時(shí)，試件進(jìn)入屈服狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)中循環(huán)加載分別在彈性范圍和塑性范圍兩個(gè)階段進(jìn)行，以下是實(shí)驗(yàn)的部分?jǐn)?shù)據(jù)。
1).循環(huán)加載在彈性范圍

根據(jù)以上循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)出如下幾條規(guī)律：
(1)圖6顯示，信號(hào)波形的峰-峰值隨著加載次數(shù)和載荷的增大而減小。基于四點(diǎn)彎曲加載平臺(tái)，可知上表面為壓應(yīng)力結(jié)合公式(1)可知，金屬磁記憶信號(hào)與壓應(yīng)力成反比，隨著載荷和循環(huán)次數(shù)的增大，起測(cè)點(diǎn)的幅值會(huì)有所減小。

(2)同一載荷下，通過(guò)增大循環(huán)次數(shù)金屬磁記憶信號(hào)的峰-峰值有變小的趨勢(shì),體現(xiàn)出金屬磁記憶的累積效應(yīng)；當(dāng)載荷增大，增大循環(huán)次數(shù)金屬磁記憶的累積效應(yīng)相對(duì)較小載荷條件下的累積效應(yīng)更明顯。基于本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，無(wú)論在大載荷還是小載荷條件下，金屬磁記憶信號(hào)的整體波形基本保持不變。

(3)在不同載荷和增加循環(huán)次數(shù)的條件下，金屬磁記憶信號(hào)的正峰值(右半段)下降趨勢(shì)比較緩慢，而負(fù)峰值(左半段)的下降趨勢(shì)相當(dāng)明顯。從金屬磁記憶的檢測(cè)曲線結(jié)合MBN檢測(cè)曲線可以看出，試件的右半段應(yīng)力分布比較均勻而左半段應(yīng)力分布比較雜亂，因此可以合理的推斷試件右半段的微觀組織分布相對(duì)比較均勻而左半段則位錯(cuò)密度相對(duì)較高。當(dāng)加載在彈性范圍之內(nèi)，根據(jù)磁記憶的能量躍遷原理，可以作出如下解釋?zhuān)簞?dòng)態(tài)應(yīng)力的存在，根據(jù)磁機(jī)械效應(yīng)，會(huì)使試件產(chǎn)生一部分形變從而提高內(nèi)部應(yīng)力能。為了減小總的自由能，會(huì)通過(guò)磁致伸縮和磁疇壁的翻轉(zhuǎn)來(lái)提高磁彈性能從而達(dá)到能量最小實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。對(duì)于內(nèi)部微觀組織分布均勻且加載在彈性范圍之內(nèi)的鐵磁體，當(dāng)外力撤除之后會(huì)恢復(fù)形變，應(yīng)力能的減小會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)磁彈性能的減小。而對(duì)于結(jié)構(gòu)組織分布不均勻的鐵磁材料，當(dāng)施加的載荷較小時(shí)，由于應(yīng)力集中區(qū)的存在會(huì)阻止磁疇的翻轉(zhuǎn)，從而在應(yīng)力集中之處產(chǎn)生塞積。隨著載荷的增大或循環(huán)次數(shù)的增加會(huì)造成應(yīng)力的增加，這些塞積之處會(huì)不斷的被突破，能量會(huì)由一個(gè)狀態(tài)躍遷到另一個(gè)狀態(tài)。當(dāng)外應(yīng)力撤除之后，這些磁疇沒(méi)有足夠的能量進(jìn)行翻轉(zhuǎn)恢復(fù)到原始狀態(tài)。因此，對(duì)于磁疇組織分布不均勻之處，除非再次獲得足夠大的能量使磁疇發(fā)生反轉(zhuǎn)，否則磁信號(hào)變會(huì)發(fā)生畸變。圖(d)檢出信號(hào)曲線的左半段已不再平滑且出現(xiàn)了多處拐點(diǎn)，可知試件左半段在循環(huán)加載時(shí)，組織結(jié)構(gòu)變化較劇烈。

(4)從圖7中可以看出,信號(hào)波形的峰-峰值隨著載荷的增大而減小，開(kāi)始時(shí)下降的幅度比較大，到200N左右時(shí)峰-峰值下降的趨勢(shì)開(kāi)始變的緩慢，當(dāng)在400N循環(huán)加載時(shí)(接近屈服極限)，峰-峰值變化很小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因解釋是，隨著載荷的提高，原有的磁疇結(jié)構(gòu)會(huì)不斷的崩潰，而新的應(yīng)力集中區(qū)會(huì)形成。位錯(cuò)滑移增加從而提高位錯(cuò)的密度，此處的磁阻增加從而使磁疇的翻轉(zhuǎn)變的更為困難。
2．循環(huán)加載在塑性范圍

當(dāng)循環(huán)加載在塑性范圍區(qū)時(shí)(施加載荷為500N，應(yīng)力約250Mpa)，可以看到磁記憶信號(hào)的峰-峰值基本保持不變，但磁記憶信號(hào)的波形已經(jīng)變的相當(dāng)不平滑。即當(dāng)加載到塑性范圍區(qū)時(shí)，內(nèi)部的微觀組織位錯(cuò)密度急劇增加，相應(yīng)的磁導(dǎo)率會(huì)減小磁阻會(huì)增大，從而在內(nèi)部產(chǎn)生很高的應(yīng)力能。若此時(shí)繼續(xù)增大循環(huán)次數(shù)將導(dǎo)致試件的斷裂，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)力能的釋放。

為了驗(yàn)證對(duì)第三點(diǎn)的解釋?zhuān)覀兪褂孟嗤馁|(zhì)、尺寸的試件(經(jīng)過(guò)退火處理)，在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上同樣做循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)。因未做退火處理的試件微觀組織分布會(huì)相對(duì)不均勻，在四點(diǎn)彎曲的實(shí)驗(yàn)中，為了能更多的把握循環(huán)加載過(guò)程中各個(gè)位置磁場(chǎng)變化的細(xì)節(jié)信息，因此選擇對(duì)其采用連續(xù)波形采集。而對(duì)做過(guò)退火處理的試件微觀組織分布相較均勻，因此實(shí)驗(yàn)中采取定點(diǎn)檢測(cè)的方法，以下是實(shí)驗(yàn)的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

圖9可以看出，經(jīng)過(guò)退火處理后試件上的殘余應(yīng)力分布較均勻。當(dāng)循環(huán)加載后，可以看出金屬磁記憶的信號(hào)強(qiáng)度隨著壓應(yīng)力的增加而減小。就我們所關(guān)心幅值，圖9所示的金屬磁記憶曲線并未出現(xiàn)法向量的規(guī)則波形但兩端的磁場(chǎng)變化基本上均勻，并為出現(xiàn)類(lèi)似未對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行退火前，只有負(fù)峰值變化劇烈的情況。

4   結(jié)論
實(shí)際檢測(cè)中，無(wú)法對(duì)試件先進(jìn)行退火處理以達(dá)到均勻微觀組織結(jié)構(gòu)的目的，檢出結(jié)果往往可能是互相之間累積與疊加。將金屬磁記憶技術(shù)與巴克豪森噪聲法結(jié)合起來(lái)，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可同時(shí)定性和定量的對(duì)試件上的殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)，利用巴克豪森噪聲法可為評(píng)價(jià)金屬磁記憶技術(shù)檢測(cè)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性提供依據(jù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)未經(jīng)過(guò)均勻組織的鐵磁材料的金屬磁記憶信號(hào)作微分處理，可以更準(zhǔn)確的反映出應(yīng)力集中的狀態(tài)。金屬磁記憶的信號(hào)隨著拉應(yīng)力的增大而增大。同一壓力載荷下，增大循環(huán)次數(shù)金屬磁記憶信號(hào)的峰-峰值有變小的趨勢(shì)；當(dāng)載荷增大，增大循環(huán)次數(shù)金屬磁記憶的累積效應(yīng)相對(duì)較小載荷條件下的累積效應(yīng)更明顯。實(shí)際檢測(cè)中檢測(cè)出的金屬磁記憶信號(hào)波形有可能不對(duì)稱，產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因是峰值較大的一側(cè)，微觀組織結(jié)構(gòu)分布相較更不均勻或可以說(shuō)波形峰值較大的一側(cè)位錯(cuò)更為密集，即此側(cè)已存在應(yīng)力集中區(qū)。
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