金屬磁記憶累積機理的研究

引言
鐵磁性金屬構件損壞的主要原因是各種微觀和宏觀的機械應力集中，應力集中區往往是金屬微損的積聚和位錯的高密集區，且其形成會伴隨著鐵磁微觀組織結構的變化(如位錯密度的提高、磁疇組織的重新分布、金屬相變等)與內應力大小的變化[1]。組織結構和內應力大小的變化通過磁場的方法可以檢測出來。鐵磁材料的微觀組織結構的變化會導致試件產生裂紋，從而在鐵磁材料的表面產生漏磁場；內應力大小的變化會導致磁致伸縮、磁疇組織定向甚至不可逆重組。微觀組織結構與內應力的大小變化與磁導率有密切聯系，內應力的變化會導致磁導率發生變化，從而在被檢測試件表面產生漏磁場[2]。

到目前為止，傳統的無損檢測方法渦流、超聲等，只能檢測出已發展成形的缺陷，而不能發現和預測將要發生缺陷且對在役金屬設備及構件的早期損傷，特別是尚未成形的隱性不連續性變化難以實施有效的評價[3]。1997年由俄羅斯動力診斷公司杜波夫教授提出的金屬磁記憶檢測技術恰恰彌補了傳統檢測技術的不足，該技術正是借助于金屬內部各種微觀缺陷和應力分布在地球磁場中的“被動”反應特性，通過拾取鐵磁表面產生的固有漏磁場(SMFL)的分布來確定應力集中的部位，宣稱真正具有了對鐵磁性金屬構件的損傷進行早期診斷的能力。

但由于金屬磁記憶檢測技術問世時間較短且只能對鐵磁性試件存在的缺陷進行定性的評估還缺乏定量的手段，因此還需要借助其它手段進行定量。金屬磁記憶物理現象比較明顯但物理機制尚不明確，目前金屬磁記憶的解釋機理主要有南昌航空大學任吉林等提出能量平衡說[1]，南京燃氣輪機研究所仲維暢提出的電磁感應說[4]，俄羅斯學者杜波夫教授提出自有漏磁場決定論(SMFL)[5]，但這些解釋都停留在理論的初步摸索上，仍缺乏試驗數據的支持。更多的實驗結果表明，磁記憶現象反映的是某個位置上應力集中的程度，而并不直接定量的反映應力的大小。由于缺乏公認的理論解釋，磁記憶現象和應力分布、應力大小之間的關系也難以精確確定。在模擬仿真計算方面，目前的電磁-結構場聯合仿真，主要仿真靜態條件下的機械載荷與試件表面磁場的關系，還沒能反映循環加載過程中的磁記憶積累效應[6]。同時，由于不同含碳量、不同金相結構、不同的外界環境等條件下，以及存在可能的位錯、滑移等微觀變化條件下的應力分布具有復雜性，這些因素為信號的特征提取分析和更精確的定量測量帶來困難。這也導致在對于磁記憶方法的有效性評價方面，金屬磁記憶技術在我國、俄羅斯與西方國家的研究和工業界存在一定程度的爭議。

目前磁測殘余應力法中，巴克豪森是相對比較成熟的手段。它具有靈敏度高、可靠性好等優點，且金屬磁記憶和巴克豪森都是基于磁疇機理，產生機理都是磁疇在應力作用下會發生磁致伸縮和磁疇壁的位移，兩者在解釋機理上有一定的共同之處。因此在循環加載鐵磁試件前，本文首先利用巴克豪森法對應力進行定量，以驗證金屬磁記憶技術檢出結果的可靠性并為進一步的實驗開展提供說明。該方法為目前的實驗室開展的鐵軌檢測項目作為先導性的研究。

1  金屬磁記憶技術的基本原理

1.1金屬磁記憶技術的能量平衡學說

金屬磁記憶檢測技術是鐵磁體的磁致伸縮逆效應和磁機械效應共同作用的結果。當外力作用于鐵磁材料使其發生形變時，鐵磁體不但會產生彈性應變，還會產生磁致伸縮性質的應變，從而引起磁疇壁的位移，改變其自發磁化的方向。根據能量最小原則，只有減小應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定狀態。
當鐵磁材料受到外力作用時，以各向同性磁致伸縮材料為例，其應力能可表述為：
                                
（1）式中σ為應力；λs為磁致伸縮系數；θ為應力方向與磁化方向的夾角。
對于正磁致伸縮系數(λs>0)，施加拉力將使自發磁化強度方向平行于拉力方向；對于負磁致伸縮系數(λs<0)，施加拉力將使自發磁化強度方向垂直于拉力方向。應力的存在不僅存在應力能，也會對自發磁化的強度和方向產生影響。基于能量學說理論可得出自發磁化強度與拉應力成正比，與壓應力成反比。

1.2金屬磁記憶的物理基礎

當鐵磁工件在周期性負載和外部弱磁場(如地球磁場)的共同作用時,該處會出現殘余磁感應強度和自發磁化的增長,即鐵磁體磁化-退磁過程具有非對稱性,在磁化或退磁過程中分別積累或放出的磁性能不相等,故每經過一次磁化-退磁循環，鐵磁物質都會獲得一個磁感應增量ΔΜ，一次循環積累的ΔΜ較小，但是當循環次數巨大時會最終趨近并達到其最大剩余磁感應強度。

3  循環加載實驗
3.1 實驗平臺及相關設備
循環加載在以下實驗平臺上進行四點彎曲實驗（圖2）。循環載荷等級分50N、100N、150N、200N、250N、300N、350N、400N，475N，同一載荷每循環加載20次測量一次。

試件選用Q235型號鋼，試件尺寸為70cm*3cm*0.55cm。基于以上平臺，根據力學理論試件在A-B段上所受載荷是均勻分布。為了能在A-B段產生應力集中現象,根據帶偶極子模型，在試件中心開了一個小槽（0.1cm*30cm*0.2cm）。本實驗使用自制的檢測系統，檢出曲線與廈門愛德森公司的EMS-2003作過比對，有很好的一致性。
3.2 實驗前處理
圖3是循環加載前所檢測試件上殘余磁場的分布（未抵消地磁，未作濾波處理）。

根據金屬磁記憶的循環累積機理和磁偶極子模型，檢出的垂直分量的峰-峰值應該關于零點對稱，水平分量應該關于中心對稱，而上圖3所示各分量并沒有出現理想的對稱波形。這就為進一步的特征提取乃至定性帶來了干擾，目前特征值提取都建立在標準波形的基礎之上，因此進一步了解金屬磁記憶累積機理顯的相當必要。實際檢測過程中并不具備對試件先進行均勻微觀組織和消除殘余磁場的條件，因此檢測出的金屬磁記憶信號記錄的很可能是裂紋尖端的應力集中和其它缺口效應造成的應力集中導致的固有漏磁場的相互疊加。如要了解累積過程，就需要進一步確定應力集中的位置和消除相鄰缺陷間的干擾。為此，我們首先對采集的信號進行一階微分處理，處理后的波形如圖4所示。

為了驗證金屬磁記憶檢測結果的可靠性和為了解金屬磁記憶的累積過程，選擇使用磁巴克豪森法(Magnetic Barkhause noise)進行驗證。論文[7]表明，MBN信號的均方根和平均值與MBN信號強度有很好的對應關系，為此提取BN信號RMS(均方根)和平均值作為特征值來標定荷與巴克豪森強度之間的關系。首先在尺寸、材質相同的無缺陷試件上進行實驗，得出MBN信號強度與載荷的對應關系，以下是根據實驗擬合出來的經驗公式：
均方根與載荷對應關系:    y=-7.3724e(-5)x+0.0811           殘差：0.00333716
平均值與載荷對應關系:    y=-2.9351e(-5)x+0.040465         殘差：0.00104444

圖5是MBN信號強度與應力對應關系，零點位置為缺陷中心，橫坐標正值為試件右段，橫坐標負值為試件左段。考慮磁化器尺寸和其它影響因素，選擇檢測范圍為[-12cm,12cm]。在缺陷中心MBN信號強度較小，可見缺陷對MBN的信號是有一定的影響的。在缺陷右端3cm位置和缺陷左端12cm的位置應力值明顯比較大。到目前為止，金屬磁記憶雖不能定量檢測出應力的大小，但它可以檢測出應力集中的狀態。

通過巴克豪森法對應力的定量結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力集中區。微分之后的曲線波形和原來的曲線波形有一定的差異且更能反映位置與磁記憶信號的對應信息。以往的一系列實驗表明將微分技術引入對金屬磁記憶的信號處理中，在裂紋尖端區域金屬磁記憶信號會發生畸變，往往這個區域就是應力集中區域。

3.3 循環加載實驗
金屬磁記憶信號嚴格意義上講屬于不平穩隨機信號，檢出的信號中很容易引進一些短促的干擾信號和無意義的野值點。為了消除干擾，首先選用漢寧窗進行數字平滑以剔除數據中可能出現的干擾，其次把小波去噪技術應用的金屬磁記憶信號的分析中，去除高頻噪聲提高信噪比，圖6是經過數字平滑平滑和小波去噪后的波形。下圖各檢測曲線均是將試件東西擺放，按照同一路徑(A-B)進行檢測，由于是用手移動檢測探頭還不能保證移動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在不同載荷下的磁場變化趨勢。但從實驗目的出發和了解循環加載中磁場的累積過程，我們更關注的是磁記憶信號的幅值和整體波形的變化。

根據實驗平臺和試件材料屬性參數，計算得出施加的載荷達425N時，試件進入屈服狀態。實驗中循環加載分別在彈性范圍和塑性范圍兩個階段進行，以下是實驗的部分數據。
1).循環加載在彈性范圍

根據以上循環加載實驗結果總結出如下幾條規律：
(1)圖6顯示，信號波形的峰-峰值隨著加載次數和載荷的增大而減小。基于四點彎曲加載平臺，可知上表面為壓應力結合公式(1)可知，金屬磁記憶信號與壓應力成反比，隨著載荷和循環次數的增大，起測點的幅值會有所減小。

(2)同一載荷下，通過增大循環次數金屬磁記憶信號的峰-峰值有變小的趨勢,體現出金屬磁記憶的累積效應；當載荷增大，增大循環次數金屬磁記憶的累積效應相對較小載荷條件下的累積效應更明顯。基于本實驗平臺，無論在大載荷還是小載荷條件下，金屬磁記憶信號的整體波形基本保持不變。

(3)在不同載荷和增加循環次數的條件下，金屬磁記憶信號的正峰值(右半段)下降趨勢比較緩慢，而負峰值(左半段)的下降趨勢相當明顯。從金屬磁記憶的檢測曲線結合MBN檢測曲線可以看出，試件的右半段應力分布比較均勻而左半段應力分布比較雜亂，因此可以合理的推斷試件右半段的微觀組織分布相對比較均勻而左半段則位錯密度相對較高。當加載在彈性范圍之內，根據磁記憶的能量躍遷原理，可以作出如下解釋：動態應力的存在，根據磁機械效應，會使試件產生一部分形變從而提高內部應力能。為了減小總的自由能，會通過磁致伸縮和磁疇壁的翻轉來提高磁彈性能從而達到能量最小實現穩定。對于內部微觀組織分布均勻且加載在彈性范圍之內的鐵磁體，當外力撤除之后會恢復形變，應力能的減小會導致相應磁彈性能的減小。而對于結構組織分布不均勻的鐵磁材料，當施加的載荷較小時，由于應力集中區的存在會阻止磁疇的翻轉，從而在應力集中之處產生塞積。隨著載荷的增大或循環次數的增加會造成應力的增加，這些塞積之處會不斷的被突破，能量會由一個狀態躍遷到另一個狀態。當外應力撤除之后，這些磁疇沒有足夠的能量進行翻轉恢復到原始狀態。因此，對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生反轉，否則磁信號變會發生畸變。圖(d)檢出信號曲線的左半段已不再平滑且出現了多處拐點，可知試件左半段在循環加載時，組織結構變化較劇烈。

(4)從圖7中可以看出,信號波形的峰-峰值隨著載荷的增大而減小，開始時下降的幅度比較大，到200N左右時峰-峰值下降的趨勢開始變的緩慢，當在400N循環加載時(接近屈服極限)，峰-峰值變化很小。產生這種現象的原因解釋是，隨著載荷的提高，原有的磁疇結構會不斷的崩潰，而新的應力集中區會形成。位錯滑移增加從而提高位錯的密度，此處的磁阻增加從而使磁疇的翻轉變的更為困難。
2．循環加載在塑性范圍

當循環加載在塑性范圍區時(施加載荷為500N，應力約250Mpa)，可以看到磁記憶信號的峰-峰值基本保持不變，但磁記憶信號的波形已經變的相當不平滑。即當加載到塑性范圍區時，內部的微觀組織位錯密度急劇增加，相應的磁導率會減小磁阻會增大，從而在內部產生很高的應力能。若此時繼續增大循環次數將導致試件的斷裂，從而實現應力能的釋放。

為了驗證對第三點的解釋，我們使用相同材質、尺寸的試件(經過退火處理)，在該實驗平臺上同樣做循環加載實驗。因未做退火處理的試件微觀組織分布會相對不均勻，在四點彎曲的實驗中，為了能更多的把握循環加載過程中各個位置磁場變化的細節信息，因此選擇對其采用連續波形采集。而對做過退火處理的試件微觀組織分布相較均勻，因此實驗中采取定點檢測的方法，以下是實驗的部分數據。

圖9可以看出，經過退火處理后試件上的殘余應力分布較均勻。當循環加載后，可以看出金屬磁記憶的信號強度隨著壓應力的增加而減小。就我們所關心幅值，圖9所示的金屬磁記憶曲線并未出現法向量的規則波形但兩端的磁場變化基本上均勻，并為出現類似未對試驗件進行退火前，只有負峰值變化劇烈的情況。

4   結論
實際檢測中，無法對試件先進行退火處理以達到均勻微觀組織結構的目的，檢出結果往往可能是互相之間累積與疊加。將金屬磁記憶技術與巴克豪森噪聲法結合起來，可實現優勢互補，可同時定性和定量的對試件上的殘余應力進行檢測，利用巴克豪森噪聲法可為評價金屬磁記憶技術檢測結果的可靠性和準確性提供依據。通過實驗發現，對未經過均勻組織的鐵磁材料的金屬磁記憶信號作微分處理，可以更準確的反映出應力集中的狀態。金屬磁記憶的信號隨著拉應力的增大而增大。同一壓力載荷下，增大循環次數金屬磁記憶信號的峰-峰值有變小的趨勢；當載荷增大，增大循環次數金屬磁記憶的累積效應相對較小載荷條件下的累積效應更明顯。實際檢測中檢測出的金屬磁記憶信號波形有可能不對稱，產生此種現象的原因是峰值較大的一側，微觀組織結構分布相較更不均勻或可以說波形峰值較大的一側位錯更為密集，即此側已存在應力集中區。
參考文獻
[1].任吉林,林俊明等著.金屬磁記憶檢測技術[M].北京:中國電力出版社,2000.
[2].黃炳炎.焊接裂紋磁記憶效應應力耦合的數值模擬研究[D].天津:天津大學，2007.1.
[3].林俊明,林春景,林發炳.基于磁記憶效應的一種無損檢測技術[J].無損檢測,2000,22(7):297-299.
[4].仲維暢.金屬磁記憶法診斷的理論基礎[J].無損檢測,2001，23(10):424-426.
[5].Doubov AA.Kolokolnikov S.Review of Welding Problems and Allied Processes and Their Solution Using the Metal Magnetic Memory Effect[C].Welding in the World,2005,49(9):3062313.
[6].任吉林,舒銘航,宋凱等.18CrNi4A鋼力-磁效應ANSYS模擬[J].材料工程,2009,11：40-44.
[7].John W.Wilson,Gui Yun Tian,Simon Barrans.Residual magnetic field sensing for stress measurement[J].Sensors and Actuators A135(2007)381–387.

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