磁声发射技术及其应用研究

磁声发射法（Magnetic Acoustic Emission，MAE）是一种磁性无损检测技术。铁磁性材料在交变磁场作用下，由于磁畴的磁致伸缩效应，在变化了的体积内产生应变，从而产生的一种应力应变的弹性波。这种弹性波实际上就是能量的释放，经过声发射仪的传感器，把机械能变成电能成为发射的信号。由于这种信号是由磁场激发的，因此叫做磁声发射。

与传统的无损检测技术相比，磁声发射法检测技术具有如下优势^[25]。

1）可实现动态无损检测。

2）检测深度大（达十几毫米）。

3）检测灵敏度高。

1.磁声发射法的发展现状

1975年，A.E.Lord用镍杆在交变磁场中发现了磁声发射现象。1979年，Kusanagi等人提出了这种磁声发射效应可以检测和评价工件表面的残余应力，发现了磁声发射幅值与磁场强度的某些规律，认为只有90°畴壁的移动才会产生磁声发射，而180°畴壁的移动不可能产生磁声发射。随后，Kan-ji、Ono和shibata等人基于Kusanagi等人的工作，通过系统地改变应力、磁场强度、材料成分及试件的微观结构等，加深和拓宽了研究的内容，提出了新的磁声发射理论模型。认为磁声发射的产生源是90°畴壁的移动和磁化矢量的转动，而对于180°畴壁的移动，由于没有磁致伸缩而不产生磁声发射。

我国的徐约黄等人以多晶和单晶硅钢材料对磁声发射的机制进行了详细研究。其大量的研究结果表明，对于无取向的多晶体，90°畴壁的移动是主要的磁声发射源；对于取向很好的单晶体，180°畴壁的移动是主要的磁声发射源。这是首次提出180°磁畴壁的移动也可以产生很大的磁声发射信号。徐约黄等人提出的磁畴壁内磁化矢量的逐渐旋转运动会产生弹性波的模型，被认为很好地完善和补充了一般公认的磁声发射产生机制。

2.磁声发射法的应力检测机理^[26]

铁磁性材料内存在磁矩方向各异的磁畴，各磁畴之间由畴壁相互分开，在外部磁场的作用下，将产生磁畴的突然运动和磁化矢量的转动，从而以应力波的形式向周围传播，产生所谓的声发射现象。由于这种畴壁运动是在外磁场作用下驱动的，故称为磁声发射。用声发射接收仪的探头可灵敏地接收到这种波动信号。

铁磁材料在外磁场作用下，由于晶格的弹性变形，其长度和体积都会发生变化，即产生磁致伸缩效应。当材料被磁化后，畴壁出现突然运动，随着磁场的增强，畴壁运动速度加快，当局部总能量达到最小值时，畴壁停止运动。在运动时，相邻两个畴壁内磁致伸缩不一致而出现位移便引起磁声发射脉冲信号。这种信号的大小和方向可以用一个放大的磁畴区域体积ΔV内的非弹性应变张量Δε表示，当输出峰值电压信号为V_p时，有如下关系式：(www.xing528.com)

式中，C为材料常数；τ为Δε增长变化的时间。

磁声发射的信号强度与产生非弹性应变的体积成比例。当材料局部外磁场强度保持不变时，磁声发射的信号强度会随着所受应力的变化而变化，无论产生应力的原因是外加载荷还是本身的残余应力，利用磁声发射法的这一特性可对工件的应力状况进行评定。

3.磁声发射法检测系统

磁声发射法检测系统如图2-25所示。该系统一般由以下两部分组成。

图2-25 磁声发射法检测系统^[26]

（1）磁场激励部分 该部分主要由激励磁化源和磁化器组成，用于产生交变磁场，以实现对待检测试件的磁化过程，激发弹性波脉冲。激励磁化源的作用是向磁化器提供频率和强度适宜的电压，以便在检测材料中激发所需要的磁场。可采用50Hz市电调压器，也可由信号发生器和功率放大器构成。磁化器的作用是产生适宜的磁场强度对被检测构件进行磁化。磁化器一般是根据试件的大小、形状、需要的磁化场强度等具体要求自制，有的采用“U”形轭头，有的采用硅钢片“U”形磁芯或设计为螺线管磁化器等。

（2）磁声发射信号检出及信号处理部分 该部分用于接收磁声发射信号，并加以处理放大。磁声发射信号检出及处理部分有多种实现形式。最常用的组合为能够检出弹性波脉冲的声发射传感器、前置放大器、声发射仪，能对信号进行处理和显示的x-y记录仪、示波器等。随着声发射技术的快速发展，声发射仪也在日益完善。目前市场上的声发射仪配有多通道、高速数据采集卡及信号分析软件，包含了数据采集、处理、显示、保存等所有功能，既简化了磁声发射检测系统，又提高了检测速度。