磁噪声技术在残余应力理论及应用中的作用

磁噪声法又称为巴克豪森磁噪声（MBN）法。该方法是德国科学家H.Barkhausen在1919年发现，现已成为无损检测技术的重要分支。

铁磁性材料在磁化过程中会发生磁畴转动和磁畴壁位移的现象，有可逆和不可逆两种模式，且取决于材料的各向异性特性和磁畴的转动角度［32］。这两种变化会使材料内部产生非连续性的电磁脉冲，通过检测线圈可以提取此过程中因磁感应强度变化所产生的电磁脉冲及磁巴克豪森信号［33］。

铁磁性材料在磁化过程中，其内部磁畴转动、90°和180°磁畴壁的运动是非连续的。如图2-8所示，将磁化过程放大可以看到，材料的磁化强度M随外部磁场强度H的变化是呈阶梯状上升的。在交替变化的磁场中，磁畴会发生往复运动，磁畴壁会进行反复运动，从而产生大量的MBN信号。

图2-8　铁磁性材料磁化曲线［32］

MBN信号中包含着丰富的信息，这些信息与材料的微观组织结构和内应力状况密切相关，通过磁敏传感器拾取MBN信号，将磁信号转换为相应的电信号，再通过对电信号进行滤波、放大，分析信号的时频特性，可反映出材料微观结构的变化、应力状态、微损伤状态，实现疲劳、应力集中等状态的检测和评估。

根据铁磁学理论，当外磁场H＝0时，材料处于磁中性，畴壁处于平衡状态。以两个相差180°的磁畴为例，所加外磁场方向如图2-9所示。右畴缩小，左畴扩大，畴壁向右移动。位移从0至x1为可逆壁移阶段，畴壁移到分界点x1处所需的强度为临界磁场强度H0［34］：(www.xing528.com)

图2-9　180°可逆壁移磁化［34］

式中，μ0为磁导率；Ms为饱和磁化程度；θ为磁畴矩在易磁化方向受外磁场作用转过的一个小角度；E为单位面积的畴壁能；x为位移。

当磁场强度增加至略超过H0时，畴壁从x1跳到x2，随着磁场强度的继续增加，畴壁又从x2跳到x3，此处d E/d x更大。所以随着磁场强度的增加，可能产生几次跳跃式的畴壁移动。一个完整磁化过程中所有的巴氏跳跃聚集到一起形成了MBN信号。由于材料的磁性结构取决于其微观组织，而畴壁的快速移动对于材料受力、组织结构和位错等因素比较敏感，所以MBN信号的特征能反映出铁磁性材料的磁畴结构和运动规律，进而反映材料的显微组织及应力状态。

采用MBN信号对材料的应力应变效应进行研究，是MBN技术的主要研究内容之一。材料所受应力主要有两大方面：一是外界加载应力，涵盖压应力与拉应力、单向应力与周期应力、低应力和超限应力等；二是材料内部残余应力，包括残余拉应力和残余压应力等。

当材料内存在残余应力时，残余应力会影响材料晶粒的排列、组织结构等，利用MBN技术可以有效地检测出材料表面的残余应力分布［34-35］。如印度Vashista长期研究材料表面残余应力和MBN信号的关系，其指出材料在弹性范围内，MBN磁响应信号与残余应力成正相关关系［36 37］。