金属磁记忆检测技术（Metal Magnetic MemoryTest）是一种利用金属磁记忆效应来检测部件应力集中部位的快速无损检测方法。它克服了传统无损检测的缺点，能够对铁磁性金属构件内部的应力集中区，即微观缺陷、早期失效和损伤等进行诊断，防止突发性的疲劳损伤，是无损检测领域的一种新的检测手段[17]。
1.磁记忆检测法的研究现状
1997年，在旧金山举行的第50届国际焊接学术会议上，俄罗斯学者Doubov首先提出了金属应力集中区的磁记忆检测效应，并形成了一套全新的无损检测与诊断技术--金属磁记忆检测技术。经过20多年的理论和实践研究，金属磁记忆检测技术已经发展成较为成熟的无损检测方法。它不同于其他常规无损检测方法的独特之处在于能够对铁磁金属构件的应力集中、失效、损伤等进行快速、准确的早期诊断，以防止设备发生突发性的疲劳破坏。
（1）国外发展现状 由于金属磁记忆检测技术是俄罗斯学者首先提出的，因此该方法主要在前苏联和东欧的一些国家和地区得到推广和应用，西方国家无损检测学界对这项技术的研究尚不够深入。磁记忆检测技术从提出到应用已有20余年的历史，在许多领域得到了有效应用。前苏联解体后，金属磁记忆诊断技术的发明人Doubov教授在俄罗斯成立了动力诊断公司，负责向世界各国推广这项技术。
1998年，俄罗斯和国际磁记忆专家培训中心在莫斯科已经正式颁发一、二级磁记忆检测等级证书和个人培训合格证书。2003年出版了磁记忆检测培训手册，到2005年，俄罗斯、波兰已分别有700、30多个专家通过了金属磁记忆检测培训。目前，国际焊接学会批准执行的欧洲规划《ENRESS-应力和变形检测》中，已明确规定金属磁记忆法为切合实用的设备和结构应力变形状态的检测方法。在乌克兰、保加利亚等国的国家标准I级上已经对该方法和仪器进行了鉴定，并用于电站、锅炉管道和汽轮机叶片强度和可靠性的诊断。
在磁记忆检测技术仪器开发方面，动力诊断公司研究人员研制的TSC-1M型金属磁记忆检测仪，具有性能稳定、灵敏度高、使用方便等特点；与之配套的数据处理软件MM-CYSTEM具有较丰富的图形显示和灵活的打印功能。目前该套仪器在多个国家得到了推广和应用。
2001年，该公司开发出的磁记忆信号处理和分析软件，可对检测信号作三种方式显示，即二维、三维和极坐标显示。2002年开发的磁记忆信号分析软件较原来软件有了更多改进，主要表现在以下几方面[18]。
1）二维显示、三维显示和极坐标显示都可同时显示HpY和K值，使评价人员不仅能找出应力集中区的实际位置，更能直观地分析应力集中的严重程度。
2）增加了色标显示功能，可平面观察应力集中的情况。
3）开发出了残余寿命分析与预测软件，利用该软件可实现对被检测试件残余寿命的估计和对试件未来发展趋势的预测。
（2）国内发展现状 我国于20世纪90年代末引进金属磁记忆检测技术。1999年，华北电力科学研究院金属研究所从俄罗斯动力诊断公司购置了一台TSC-1M应力检测仪，并在电站锅炉管道检验中开始应用磁记忆检测技术。此后，该项技术得到国内无损检测界的关注。清华大学、南昌航空工业学院和厦门爱德森电子有限公司等单位相继在理论分析、仪器研制和推广应用等方面开展了磁记忆检测技术的研究开发工作[19]。
目前国内已推出了由厦门爱德森电子有限公司生产的专门磁记忆检测仪器——EMS-2000金属磁记忆诊断仪和相应的数据分析处理软件——M3DPSP，可对在役设备由于材料不连续性（缺陷）而导致的应力集中进行快捷的检查。
关于金属磁记忆检测技术，我国与国外一些先进国家尚有一定的差距，有关基础性理论的研究才刚刚起步。就当前的技术水平而言，目前我国已生产的金属磁记忆检测仪只能用来探查缺陷和应力集中的位置，但对缺陷的大小和应力集中的程度还无能为力，只能和其他传统的无损检测方法结合使用。利用金属磁记忆检测技术来探查在役设备构件的应力集中位置，现在还只能作定性的检测，即当被测工件表面的漏磁场法向分量过零值点而同时切向分量出现最大值时，表示在该点处有应力集中存在，但不能从中得出应力集中的程度，只能借助于其他检测手段作进一步的研究。
2.磁记忆检测法的原理
（1）金属磁记忆的物理基础 金属磁记忆检测的物理基础是自发磁化现象、磁机械效应、磁致伸缩、磁弹性效应。
1）自发磁化现象是指原先不显磁性的某些铁磁性材料工件在经过切削加工以后，工件本身和刀具被强烈磁化，而某些本来并无磁性的机器零部件在运行一段时间之后却显现出了磁性，称前者为加工磁化，后者为运行磁化，磁记忆效应即为运行磁化现象。
2）磁机械效应是铁磁材料在地磁场作用的条件下，其缺陷处的磁导率减小，工件表面的漏磁场增大的特性。
3）铁磁材料由于磁化状态的改变，其长度和体积都要发生微小的变化，这种现象称为磁致伸缩。铁磁性物质磁化时其长度发生变化的效应称为线性磁致伸缩，体积发生变化时称为体积磁致伸缩。由于体积磁致伸缩比起线性磁致伸缩还要微弱得多，用途也少，所以一般只讨论长度变化的线性磁致伸缩，简称磁致伸缩。晶体的磁致伸缩大小可以用磁致伸缩系数λ表示，即λ=Δl/l，式中l为晶体在某晶轴方向上的长度；Δl为由于磁致伸缩引起该晶轴方向上长度的变化量。
4）铁磁学的研究指出，磁弹性效应是指当弹性应力作用于铁磁性材料时，铁磁体不但会产生弹性形变，还会产生磁致伸缩性质的形变，从而引起磁畴壁的位移，改变自发磁化强度的方向和应力方向的磁导率。图2-16所示为磁弹性效应的原理。它表明铁磁工件的某一部位在周期性负载和外部磁场的共同作用下，在该处会造成残余磁感应强度的增长。
图2-16 磁弹性效应的原理[20]
ΔBr—残余磁感应量的变化 Δσ—周期性负载的变化 He—外磁场
（2）金属磁记忆现象 铁磁体在载荷和地球磁场的共同作用下会产生磁记忆现象，这是磁弹性效应和磁机械效应共同作用的结果。产生磁记忆现象的内部原因取决于铁磁晶体的微观结构特点。通常，铁磁工件在经熔炼、锻造、热处理等加工时，温度大大超过居里点，构件内部的磁畴组织会被瓦解，磁性会消失。随后在金属冷却到居里点以下的过程中，一方面铁磁晶体在重新结晶的同时重新形成磁构造；另一方面，由于材料内部的各种不均匀性（如形状、结构及含有夹杂或缺陷等）而形成组织结构不均匀的遗传性。这些组织结构的不均匀部位往往是缺陷或内应力集中的部位，一般以位错的形式存在，并在地球磁场的环境中由于磁机械效应的作用会出现磁畴的固定节点，产生磁极，形成退磁场，以微弱的散射磁场的形式在工件表面出现，表现为金属的磁记忆性。
（3）磁记忆检测原理 磁记忆检测原理可以表述为：处于地磁环境下的铁磁工件在受到工作载荷的作用下，其内部会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向的和不可逆的重新取向，并在应力与变形集中区形成最大的漏磁场Hp的变化。这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后会继续保留，从而通过测定漏磁场的法向分量Hp（y）便可以正确推断工件的应力集中区。
为了使磁构件内的总自由能趋于最小，在磁机械效应的作用下，必将引起构件内部的磁畴在地球磁场中作畴壁的位移甚至不可逆的重新取向排列，主要以增加磁弹性能的形式来抵消应力能的增加，从而在磁构件内部产生极大的磁场强度。这种强度大大高于地球的磁场强度。对金属力学性能的研究表明，即使在金属材料的弹性变形区，也不存在完全没有能量耗损的完全弹性体。由于金属内部存在多种内耗效应（如黏弹性内耗、位错内耗等），因此在动态载荷消除之后，加载时在金属内部形成的应力集中区必然会得以保留，特别是在动载荷、大变形和高温情况下尤为突出。保留下来的应力集中区同样具有较高的应力能，因此，为抵消应力能，在磁机械效应的作用下引发的磁畴组织的重新取向排列也会保留下来，并在应力集中区形成类似缺陷的漏磁场分布形式。
（4）磁记忆检测法应用于疲劳检测的机理 疲劳破坏是由于产生了一条裂纹而该裂纹随后生长所致。在均质的金属中，裂纹起源于自由表面，该表面以下的金属不会因循环应力而损伤。疲劳破坏试验是检验金属工件真实工况条件下服役状况的一种较有效手段。在疲劳试验过程中，由于外加循环应力的作用，试件加载不久即出现少量滑移线。随着试验的进行，滑移线不断变长和增加，累积而形成滑移带。深浅不一的表面微观裂纹主要起源于持久性有效滑移带上。显微裂纹萌生后，先沿滑移面继而转向垂直于外力方向的平面扩展，在循环载荷作用下进一步延伸而深入到金属体内，数量众多的微裂纹通过交滑移使相邻的相互平行的微观裂纹逐步连接成为一个主导宏观裂纹，最终导致试件破坏。磁记忆检测原理是利用工作载荷作用下形成的位错稳定滑移带区域中出现的自有漏磁场。自有漏磁场出现在试件金属表面和浅表层的局部区域，其成因是在高密度的位错积聚部位形成了磁畴边界。
在疲劳加载过程中，高密度位错积聚部位的出现意味着应力集中的诞生。因为位错应力场的作用类似于钉扎缺陷的作用，所以会阻碍位错聚集区域磁畴壁在外力作用下的运动，促使该区域磁畴分布异于其他区域，以特有的磁信号特征指示出该危险部位。随着疲劳循环次数的增加，大量微裂纹的结合使裂纹聚集处泄露的磁信号表征更为明显，从而实现了磁记忆检测技术在微观裂纹扩展阶段便能够评判试件的安全状况。
（5）磁记忆检测信号的特征 在金属磁记忆的检测信号特征研究中，最初认为，缺陷区域周围漏磁场强度的法向分量过零点是检测信号对应力集中的特征信号。Doubov认为，零值点是应力变化最剧烈的位置，这些位置往往就是滑移带等微观组织性能不均匀的位置。但在实践中发现，在较低应力水平下会出现零点漂移现象，如图2-17所示，即出现零值点处与真正的缺陷处会有一个距离上的偏差。当提高应力水平时，这种偏差就会逐渐减小直至为零。因此，零值点理论只是缺陷存在的充分条件而不是充要条件。如果要更准确全面地掌握缺陷信息，还需要对检测信号进行进一步的分析，提取其他的基本特征来进行综合分析，仅根据零值点来判断应力集中处容易出现漏判。
图2-17 零点漂移[20]
梯度K描述了检测信号在检测方向上的变化情况，其在数值上等于检测方向上相邻检测采样点信号差的绝对值除以采样点之间距离的绝对值，即
K=|ΔHp|/Δx=|Hp（n+1）-Hp（n）|/|Lx（n+1）-Lx（n）|
式中，Hp（n）、Hp（n+1）分别表示在相邻的第n点和第n+1点上检测信号的强度；ΔHp表示两检测点磁场强度之差；Lx（n）、Lx（n+1）分别表示相邻的第n点和第n+1点的位置；Δx表示两点的距离差；Hp是检测点上漏磁场的强度，反映了检测点漏磁场的大小与方向。(www.xing528.com)
K代表相邻两点的漏磁场的变化程度。在检测方向上应力变化越剧烈的地方，K的值就越大。由于过零点处是应力变化最剧烈的部位，所以该处的漏磁场梯度值会出现局部的极大值。磁记忆检测信号特征（见图2-18）是：磁场的切向分量Hp（x）为最大值，而法向分量Hp（y）的符号发生改变，且具有过零值点。
图2-18 金属磁记忆检测信号特征[20]
3.磁记忆检测法的特点
金属磁记忆检测技术之所以一经问世便受到世界各国同行的普遍重视，并能得到如此迅速的发展和应用，是与该技术本身所固有的特点密切相关的。
（1）优点 金属磁记忆检测技术主要优点有以下几个方面。
1）既可以检测出宏观缺陷，又可以检测出微观缺陷，并能对未来危险进行预报，这是该技术的最大优点。磁记忆方法还可以用于疲劳诊断，并可给出残余应力的分布状态。
2）不需要专门的磁化设备就能够对铁磁性构件进行可靠的检测。在工作载荷的作用下，铁磁性构件形成的稳定的位错滑移带能够产生自有磁场。由于自有磁场和地球磁场相互作用的结果，在被检测对象表面的应力集中区生成漏磁场的梯度，该梯度由专用的磁测仪表记录下来。磁记忆法利用结构自身发射信息，突破了某些设备（如汽轮机叶片等）不能被磁化的限制。
3）在检测过程中，可确定零件的应力集中线。
4）不需要对被检测工件的表面进行清理、打磨或其他预处理，可以大大降低劳动强度，节省大量时间。
5）提离效应对磁记忆法影响很小，几毫米甚至十几毫米的间隙变化对检测结果影响不大。在磁记忆法中，提离效应对检测效果的影响要比漏磁检测小得多。
6）能评价工件运行状态下的应力分布。
7）检测设备体积小，重量轻，携带方便，自动化程度高，有自备电源和记录装置，能与电脑和打印机连接，基本不受设备结构和现场环境影响，并且便于野外使用。
8）检测效率高，成本低，结果可靠，尤其是能进行快速全面普查，极大地减少了设备的安全隐患，弥补了传统检测方法的不足。
9）检测速度快，可达到100m/h或更高。
（2）缺点 由于它是一种弱磁信号检测方法，信号容易受到下列因素的干扰：材质、缺陷大小和种类、外激励或残余磁场的大小和方向，以及表面粗糙度等。检测时只能发现缺陷可能出现的危险部位，尚不能对缺陷的形状、大小及性质进行定性定量的具体分析。
金属磁记忆检测技术为无损检测领域提供了一种崭新的无损检测手段，有着很高的实用价值和广阔的发展前景，在其检测原理和诊断方法方面还有很多工作需要作进一步的探索和完善。
4.磁记忆检测仪器[21]
目前，较为成熟的金属磁记忆检测仪器一般由硬件系统和软件系统两部分组成。
（1）硬件系统 金属磁记忆检测系统是由传感器探头、应力集中显示器、图形分析软件及传输线等部分组成。其中，传感器有4种类型，根据使用情况不同分别选用不同的类型。使用时，用数据传输线将传感器连接到应力集中显示器上，调整显示器中的通道方式、步距，校对地磁场，设置显示数据等。检测完毕后将结果输入计算机进行分析。
设备的技术指标和特性如下：
1）Hp值测量范围：±2000A/m。
2）Hp值测量通道数：2（4）。
3）最小测距：1mm。
4）最大测距：128mm。
5）最大扫描速度（间距1mm）：0.2m/s（0.5m/s）。
6）微处理器：8位。
8）工作温度范围：-20～60℃。
9）外形尺寸：230mm×105mm×40mm。
10）重量（加蓄电池组）：0.5kg。
（2）软件系统 软件系统是用来处理磁记忆方法检测出的应力数据。这些应力数据在诊断检测时，被储存在集中显示器的存储器中，然后通过专用的程序传送到计算机中。通过使用软件系统对这些数据进行分析、处理，以及绘制数据曲线。
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