磁声发射技术在残余应力基础理论及应用中的成果

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，从而产生一种弹性波。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，把机械能变成电能称为发射的信号。由于这种信号是由磁场激发的，因此称为磁声发射。

与传统的无损检测技术相比，磁声发射检测技术具有如下优势［39］：①可实现动态无损检测；②检测深度大；③检测灵敏度高。

2.3.4.1　磁声发射法的发展现状

A.Elord于1975年用镍杆在交变磁场中发现了MAE现象；1979年Kusanagi等首先发现磁声发射与材料所受应力有密切关系，在应力较大的情况下，不管材料受拉应力还是压应力作用，磁声发射信号强度都比无应力时显著降低；此后，Ono和Shibata等又对镍铁合金和几种钢的磁声发射进行了较详细的研究，发现材料的化学成分、显微组织、应力和预冷加工等强烈影响材料的磁声发射行为，并认为磁声发射技术有可能成为无损检测构件残余应力和材料性质的一种新方法。在Kusanagi工作的基础上，Ono和Shibata通过分析大量的实验结果后认为，磁声发射主要起源于90°磁畴壁移动引起的位移变化，其次来源于磁化矢量的转动，并给出MAE脉冲信号的电压峰值Vp＝CΔε·ΔV/τ。按照此公式，鉴于180°畴壁移动不产生应变，故认为180°畴壁运动不产生磁声发射［43］。

徐约黄等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，其大量实验结果表明，对于无取向的多晶体，90°畴壁密度大，由公式Vp＝CΔε·ΔV/τ引起的磁声发射可能是主要的；对于取向很好的单晶体，180°畴壁运动是主要的磁声发射源。其在世界上首次提出，180°磁畴壁的运动也可以产生很大的磁声发射信号，其提出的磁畴壁内磁化矢量逐渐旋转会产生弹性波的模型，被认为是对一般公认的磁声发射产生机制的完善和补充［41］。

利用MAE对应力的依赖关系，可对不少钢、铁零件和构件进行残余应力的无损检测。在国外，MAE技术已应用于炮壳、枪筒、炮车内应力的无损检测，焊接及热处理后的应力检测以及构件使用过程中应力变化的监测；美国加利福尼亚州有用此法检测钢轨因热胀冷缩引起的内应力。在国内，武汉大学于1984年首先开展铁磁性材料磁声发射的研究工作。随后北京科技大学和华中科技大学等也相继开展了磁声发射的研究工作。通过大量的实验，科研人员分析讨论了MAE的材质效应、应力效应、频谱特征等，并进一步研究了用MAE法对钢铁件微观损伤和疲劳寿命的测量［42-44］。

2.3.4.2　磁声发射法的应力检测机理

1）磁声发射的产生与接收

如前所述，在铁磁材料磁化中，磁畴的不可逆运动，除了产生巴氏跳跃外，同时还激发一系列弹性波脉冲，该弹性波脉冲类似于机械声发射，被称为磁声发射。磁声发射可由图2-10所示的基本系统加以检测。将压电晶体传感器（PZT）置于交变磁化的材料表面，MAE弹性波将在传感器内激励一系列电压脉冲信号，经放大，滤波等即可实现接收到MAE（如有效电压RMS）。在与系统相连的示波器上可观察到和MBN相似的MAE脉冲。

图2-10　MAE的接收［41］

2）MAE和磁致伸缩

产生磁声发射须具备两个条件：一是磁化时磁畴的巴氏跳跃；二是伴随巴氏跳跃磁畴有体积应变，其来自磁致伸缩效应。(www.xing528.com)

铁磁材料被磁化时具有伸长或缩短的效应，被称为磁致伸缩。通常用磁化方向上材料单位长度的伸长量λ即磁致伸缩系数来表征磁致伸缩的大小。对钢铁材料，λ＞0称为正磁致伸缩材料；像镍等λ＜0，称为负磁致伸缩材料。磁致伸缩系数λ随磁场变化，饱和磁致伸缩系数用λs表示。对晶体来说，各方向磁致伸缩系数不一，易磁化轴方向最大，磁致伸缩是各向异性的。

如图2-11a、b所示，以90°畴壁分割的畴，未磁化前各畴磁化方向皆为易磁化轴方向，该方向磁致伸缩系数为λs。磁化时作巴氏跳跃的畴，其磁化方向从易磁化轴转动了90°，体积压缩，因此伴随巴氏跳跃产生体积应变，ΔX将以弹性波的形式释放出形变能，这就是MAE。另外，磁畴转动时也有体积应变，亦相应激发MAE，如图2-11c所示，以180°壁隔离的畴，磁致伸缩是等效的。因而巴氏跳跃前后，磁畴的体积无应变，ΔX＝0，故无MAE产生。由此看来，MAE来源于90°壁的不可逆跳跃和磁畴的不可逆转动，而180°畴壁的不可逆跳跃不产生MAE［45-46］。

图2-11　MAE产生和磁致伸缩应变［45］

3）MAE应力检测机理分析

铁磁材料在外磁场作用下，由于晶格的弹性变形，其长度、体积都出现改变，即产生磁致伸缩效应。当材料磁化后，畴壁出现突然运动，随着磁场的增强，畴壁运动加快，当总能量达到最小时，畴壁停止运动。在运动时，相邻两畴内磁致伸缩不一致而出现位移，便引起MAE脉冲信号。这种信号的大小和方向可用一个放大的磁畴区域体积Δv*内的非弹性应变张量Δ表示，当输出峰值电压信号为Vp时，有如下关系式：Vp＝CΔ·Δv*/f（式中，C为材料常数；f为Δ增长变化的时间；Δv*为依赖于磁致伸缩的系数）。

研究表明，MAE信号强度与产生非弹性应变的体积成比例。当材料局部外加磁场强度保持不变时，MAE信号强度随所受应力的变化而变化，与产生应力的原因是外加载荷引起的还是本身残余应力无关。

2.3.4.3　磁声发射法检测系统

根据不同的检测要求，检测系统有多种形式。与MBN检测系统相比，除了传感器，两者检测系统大体一致。基本包括传感器、激励磁化源、前置放大器、主放大器、滤波器、信号处理和显示系统。MAE检测系统可同时检测MAE信号的有效电压（RMS）、平均值和频谱分析，并且在示波器上可观察磁滞回线以及MAE信号在磁滞回线上的变化，如材料受外力作用，可显示信号及磁滞回线随应力的变化。

MAE传感器由铁芯磁化线圈和压电传感器组成。两者可以是分离式，也可以是整体式。MAE的频率范围在几千周至几兆周，而在几十千周至一百千周区间信号较强。根据检测需要，晶体传感器的频带可选窄频带（共振式）或宽频带。

激励磁化源由信号发生器、功率放大器等构成，其作用是向磁化线圈提供频率和强度适宜的激励电压，以便在材料中激发所需要的磁场。

传感器接收的信号为微伏（μV）级，经前置放大（40～60 dB），进行滤波和其他处理，以获得所需要的参数。