金屬磁記憶累積機理的研究

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的高密集區(qū)，且其形成會伴隨著鐵磁微觀組織結(jié)構(gòu)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(nèi)應(yīng)力大小的變化[1]。組織結(jié)構(gòu)和內(nèi)應(yīng)力大小的變化通過磁場的方法可以檢測出來。鐵磁材料的微觀組織結(jié)構(gòu)的變化會導(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；內(nèi)應(yīng)力大小的變化會導(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)力的變化會導(dǎo)致磁導(dǎo)率發(fā)生變化，從而在被檢測試件表面產(chǎn)生漏磁場[2]。

到目前為止，傳統(tǒng)的無損檢測方法渦流、超聲等，只能檢測出已發(fā)展成形的缺陷，而不能發(fā)現(xiàn)和預(yù)測將要發(fā)生缺陷且對在役金屬設(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(shù)恰恰彌補了傳統(tǒng)檢測技術(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)力分布在地球磁場中的“被動”反應(yīng)特性，通過拾取鐵磁表面產(chǎn)生的固有漏磁場(SMFL)的分布來確定應(yīng)力集中的部位，宣稱真正具有了對鐵磁性金屬構(gòu)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(shù)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(xiàn)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(xué)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(yīng)說[4]，俄羅斯學(xué)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(shù)據(jù)的支持。更多的實驗結(jié)果表明，磁記憶現(xiàn)象反映的是某個位置上應(yīng)力集中的程度，而并不直接定量的反映應(yīng)力的大小。由于缺乏公認的理論解釋，磁記憶現(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。在模擬仿真計算方面，目前的電磁-結(jié)構(gòu)場聯(lián)合仿真，主要仿真靜態(tài)條件下的機械載荷與試件表面磁場的關(guān)系，還沒能反映循環(huán)加載過程中的磁記憶積累效應(yīng)[6]。同時，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、滑移等微觀變化條件下的應(yīng)力分布具有復(fù)雜性，這些因素為信號的特征提取分析和更精確的定量測量帶來困難。這也導(dǎo)致在對于磁記憶方法的有效性評價方面，金屬磁記憶技術(shù)在我國、俄羅斯與西方國家的研究和工業(yè)界存在一定程度的爭議。

目前磁測殘余應(yīng)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(yōu)點，且金屬磁記憶和巴克豪森都是基于磁疇機理，產(chǎn)生機理都是磁疇在應(yīng)力作用下會發(fā)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(huán)加載鐵磁試件前，本文首先利用巴克豪森法對應(yīng)力進行定量，以驗證金屬磁記憶技術(shù)檢出結(jié)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(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

金屬磁記憶檢測技術(shù)是鐵磁體的磁致伸縮逆效應(yīng)和磁機械效應(yīng)共同作用的結(jié)果。當外力作用于鐵磁材料使其發(fā)生形變時，鐵磁體不但會產(chǎn)生彈性應(yīng)變，還會產(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(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。
對于正磁致伸縮系數(shù)(λs>0)，施加拉力將使自發(fā)磁化強度方向平行于拉力方向；對于負磁致伸縮系數(shù)(λs<0)，施加拉力將使自發(fā)磁化強度方向垂直于拉力方向。應(yīng)力的存在不僅存在應(yīng)力能，也會對自發(fā)磁化的強度和方向產(chǎn)生影響。基于能量學(xué)說理論可得出自發(fā)磁化強度與拉應(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(xiàn)殘余磁感應(yīng)強度和自發(fā)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(jīng)過一次磁化-退磁循環(huán)，鐵磁物質(zhì)都會獲得一個磁感應(yīng)增量ΔΜ，一次循環(huán)積累的ΔΜ較小，但是當循環(huán)次數(shù)巨大時會最終趨近并達到其最大剩余磁感應(yīng)強度。

3  循環(huán)加載實驗
3.1 實驗平臺及相關(guān)設(shè)備
循環(huán)加載在以下實驗平臺上進行四點彎曲實驗（圖2）。循環(huán)載荷等級分50N、100N、150N、200N、250N、300N、350N、400N，475N，同一載荷每循環(huán)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(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，在試件中心開了一個小槽（0.1cm*30cm*0.2cm）。本實驗使用自制的檢測系統(tǒng)，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(huán)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(jù)金屬磁記憶的循環(huán)累積機理和磁偶極子模型，檢出的垂直分量的峰-峰值應(yīng)該關(guān)于零點對稱，水平分量應(yīng)該關(guān)于中心對稱，而上圖3所示各分量并沒有出現(xiàn)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(chǔ)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(yīng)力集中和其它缺口效應(yīng)造成的應(yīng)力集中導(dǎo)致的固有漏磁場的相互疊加。如要了解累積過程，就需要進一步確定應(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(jié)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(yīng)關(guān)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(guān)系。首先在尺寸、材質(zhì)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(yīng)關(guān)系，以下是根據(jù)實驗擬合出來的經(jīng)驗公式：
均方根與載荷對應(yīng)關(guān)系:    y=-7.3724e(-5)x+0.0811           殘差：0.00333716
平均值與載荷對應(yīng)關(guān)系:    y=-2.9351e(-5)x+0.040465         殘差：0.00104444

圖5是MBN信號強度與應(yīng)力對應(yīng)關(guān)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(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出應(yīng)力的大小，但它可以檢測出應(yīng)力集中的狀態(tài)。

通過巴克豪森法對應(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(yīng)信息。以往的一系列實驗表明將微分技術(shù)引入對金屬磁記憶的信號處理中，在裂紋尖端區(qū)域金屬磁記憶信號會發(fā)生畸變，往往這個區(qū)域就是應(yīng)力集中區(qū)域。

3.3 循環(huán)加載實驗
金屬磁記憶信號嚴格意義上講屬于不平穩(wěn)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(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的分析中，去除高頻噪聲提高信噪比，圖6是經(jīng)過數(shù)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?zāi)康某霭l(fā)和了解循環(huán)加載中磁場的累積過程，我們更關(guān)注的是磁記憶信號的幅值和整體波形的變化。

根據(jù)實驗平臺和試件材料屬性參數(shù)，計算得出施加的載荷達425N時，試件進入屈服狀態(tài)。實驗中循環(huán)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(shù)據(jù)。
1).循環(huán)加載在彈性范圍

根據(jù)以上循環(huán)加載實驗結(jié)果總結(jié)出如下幾條規(guī)律：
(1)圖6顯示，信號波形的峰-峰值隨著加載次數(shù)和載荷的增大而減小。基于四點彎曲加載平臺，可知上表面為壓應(yīng)力結(jié)合公式(1)可知，金屬磁記憶信號與壓應(yīng)力成反比，隨著載荷和循環(huán)次數(shù)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(huán)次數(shù)金屬磁記憶信號的峰-峰值有變小的趨勢,體現(xiàn)出金屬磁記憶的累積效應(yīng)；當載荷增大，增大循環(huán)次數(shù)金屬磁記憶的累積效應(yīng)相對較小載荷條件下的累積效應(yīng)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(huán)次數(shù)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(jié)合MBN檢測曲線可以看出，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(nèi)，根據(jù)磁記憶的能量躍遷原理，可以作出如下解釋：動態(tài)應(yīng)力的存在，根據(jù)磁機械效應(yīng)，會使試件產(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，會通過磁致伸縮和磁疇壁的翻轉(zhuǎn)來提高磁彈性能從而達到能量最小實現(xiàn)穩(wěn)定。對于內(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，當外力撤除之后會恢復(fù)形變，應(yīng)力能的減小會導(dǎo)致相應(yīng)磁彈性能的減小。而對于結(jié)構(gòu)組織分布不均勻的鐵磁材料，當施加的載荷較小時，由于應(yīng)力集中區(qū)的存在會阻止磁疇的翻轉(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)的增加會造成應(yīng)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(tài)躍遷到另一個狀態(tài)。當外應(yīng)力撤除之后，這些磁疇沒有足夠的能量進行翻轉(zhuǎn)恢復(fù)到原始狀態(tài)。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(fā)生反轉(zhuǎn)，否則磁信號變會發(fā)生畸變。圖(d)檢出信號曲線的左半段已不再平滑且出現(xiàn)了多處拐點，可知試件左半段在循環(huán)加載時，組織結(jié)構(gòu)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(huán)加載時(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)會不斷的崩潰，而新的應(yīng)力集中區(qū)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(zhuǎn)變的更為困難。
2．循環(huán)加載在塑性范圍

當循環(huán)加載在塑性范圍區(qū)時(施加載荷為500N，應(yīng)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(jīng)變的相當不平滑。即當加載到塑性范圍區(qū)時，內(nèi)部的微觀組織位錯密度急劇增加，相應(yīng)的磁導(dǎo)率會減小磁阻會增大，從而在內(nèi)部產(chǎn)生很高的應(yīng)力能。若此時繼續(xù)增大循環(huán)次數(shù)將導(dǎo)致試件的斷裂，從而實現(xiàn)應(yīng)力能的釋放。

為了驗證對第三點的解釋，我們使用相同材質(zhì)、尺寸的試件(經(jīng)過退火處理)，在該實驗平臺上同樣做循環(huán)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(huán)加載過程中各個位置磁場變化的細節(jié)信息，因此選擇對其采用連續(xù)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(shù)據(jù)。

圖9可以看出，經(jīng)過退火處理后試件上的殘余應(yīng)力分布較均勻。當循環(huán)加載后，可以看出金屬磁記憶的信號強度隨著壓應(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變化基本上均勻，并為出現(xiàn)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(jié)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(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，可實現(xiàn)優(yōu)勢互補，可同時定性和定量的對試件上的殘余應(yīng)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(shù)檢測結(jié)果的可靠性和準確性提供依據(jù)。通過實驗發(fā)現(xiàn)，對未經(jīng)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(yīng)力集中的狀態(tài)。金屬磁記憶的信號隨著拉應(yīng)力的增大而增大。同一壓力載荷下，增大循環(huán)次數(shù)金屬磁記憶信號的峰-峰值有變小的趨勢；當載荷增大，增大循環(huán)次數(shù)金屬磁記憶的累積效應(yīng)相對較小載荷條件下的累積效應(yīng)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(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波形峰值較大的一側(cè)位錯更為密集，即此側(cè)已存在應(yīng)力集中區(qū)。
參考文獻
[1].任吉林,林俊明等著.金屬磁記憶檢測技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2000.
[2].黃炳炎.焊接裂紋磁記憶效應(yīng)應(yīng)力耦合的數(shù)值模擬研究[D].天津:天津大學(xué)，2007.1.
[3].林俊明,林春景,林發(fā)炳.基于磁記憶效應(yīng)的一種無損檢測技術(shù)[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(chǔ)[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(yīng)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.

回復(fù)后，可以下載論文word版哦~

游客，如果您要查看本帖隱藏內(nèi)容請回復(fù)

很好

不錯

學(xué)習(xí)啦

謝謝分享！