磁记忆检测技术在残余应力理论和应用中的作用

金属磁记忆检测技术（metal magnetic memory test）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，即微观缺陷的早期失效和损伤等进行诊断，防止突发性的疲劳损伤，是无损检测领域一种新的检测手段［21］。

金属磁记忆检测最早由俄罗斯学者A.Doubove于1994年［22］提出，随后在美国旧金山举行的第50届国际焊接学会上，报道了专题“金属应力集中区—金属微观变化—金属磁记忆技术”，在无损检测领域引起强烈反响。目前该方法已被俄罗斯、中国、德国等国家的相关企业采用并制定了相关的检测标准［23］。

2.3.1.1　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、磁致伸缩和磁弹性效应。

（1）自发磁化现象。指原先不显示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，前者被称为加工磁化，后者被称为运行磁化，磁记忆效应即为运行磁化现象。

（2）磁机械效应。指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）磁致伸缩。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。铁磁性物质被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（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）磁弹性效应。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变形，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。

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（即磁性材料中自发磁化强度降到零时的温度），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

铁磁性材料在载荷的作用下会发生磁致伸缩效应从而发生形变，引起磁畴位移，改变磁畴的自发磁化方向，以此增加磁弹性能来抵消载荷应力的增加，导致金属磁特性的不连续分布。当这些载荷消失后，应力集中区的金属磁特性不连续分布仍然存在的特性被称为磁记忆效应。铁磁材料处于地磁场或外加磁场中时，磁场正常穿过金属，其磁感线为平行的直线束。如图2-7所示，当金属受载荷的作用时，其内部具有逆磁致伸缩效应的磁畴组织发生可逆或不可逆的重新取向。金属在应力集中区表面出现漏磁场HP，该漏磁场的法向分量HP（x）值为梯度状且过零点，切向分量HP（y）具有最大值。根据磁记忆效应，这种畸变在载荷消失后仍然存在。通过测量金属表面漏磁场HP，便可检测出应力集中部位［24］。(www.xing528.com)

图2-7　铁磁材料在应力集中区作用下的磁场分布图［24］

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，必将导致构件内部的磁畴在地球磁场中做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（如黏弹内耗、位错内耗等），因此在动态载荷消除之后，在加载时，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原理

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。在疲劳实验过程中，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。随着实验的进行，滑移线不断变长和增加，累积而形成滑移带。深浅不一的表面微裂纹主要起源于持久有效的滑移带上。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的宏观裂纹，最终导致试件破坏。因此磁性法是结构疲劳损伤监测方面非常有前途的一种方法，它是利用铁磁材料磁特性对显微结构和应力变化非常敏感的特性，通过测量结构表面的特征磁场变化而实现疲劳损伤监测和评估的一类方法［25］，如磁巴克豪森法［26-27］、磁声发射法［28-29］等。

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，从而实现了磁性检测技术在微裂纹扩展阶段便能够评判试件的安全状况。

2.3.1.2　磁记忆检测法的特点

在评定设备和机构应力变形状态时，已知的检测方法繁多，如电阻应变片法、X射线衍射法、超声波法等。与上述检测方法相比，金属磁记忆检测方法获取的是金属零件被地磁场磁化后处于平衡状态的相对静止信息，不需要对被测表面进行任何磁化处理，完全利用地磁场作用下零件表面的“纯天然”磁信息进行工作，是一种被动检测的方法。相比其他方法，更易实现检测仪器的小型化，并实现点磁测量［30］。

金属磁记忆检测实质上是从金属表面拾取地磁场作用条件下的金属构件漏磁场信息，这和漏磁检测方法有相似之处。但金属磁记忆检测方法获取的是在微弱的地磁场作用下构件本身具有的“天然”磁化信息，在这种状态下，金属零件的应力分布情况可以通过此次分布清晰地显现出来。而漏磁检测所进行的人工磁化，其强度远远超过了零件表面的“天然”磁信息，人工磁化的同时，从很大程度上覆盖了原本零件表面的应力分布情况，但人工磁化增强了缺陷处的漏磁场强度。因此，漏磁检测在检测宏观缺陷时更具有优势。

金属磁记忆检测方法也可以发现缺陷，但主要是应力变化较为剧烈部位的微观信息，通过评价该部位应力集中程度来发现缺陷，因此金属磁记忆方法的优势应在检测肉眼难以发现的微缺陷方面，适用于早期诊断［31］。

2.3.1.3　磁记忆检测法的发展

作为一种新兴的检测技术，金属磁记忆方法在拥有广阔的应用前景的同时，其基础理论和监测手段都有待完善，目前尚存在磁记忆现象明确而机理模糊、检测标准未定量化、对“危险区”的评判手段仍不完善等诸多亟须解决的问题，还需要进行大量的磁记忆检测技术的机理研究、磁记忆检测的定量化研究以及磁记忆效应的机理性实验研究。