吳大波，徐敏強

（哈爾濱工業(yè)大學航天學院，150001 哈爾濱）

金屬磁記憶技術的機理與試驗研究

吳大波，徐敏強

（哈爾濱工業(yè)大學航天學院，150001 哈爾濱）

在外應力作用下鐵磁晶體應力能會增加，其相應的總自由能也會增加，而改變鐵磁晶體的磁化狀態(tài)會消耗能量，并趨向于自由能最低.通過對45號調質鋼和非調質鋼試件分組進行三點彎曲疲勞裂紋擴展試驗和金相顯微鏡在位顯微觀測，并利用TSC-1M-4檢測磁場信號，發(fā)現調質鋼試件的磁記憶信號明顯低于非調質鋼試件的磁記憶信號，在對試件調質消除內應力后，不同的應力狀態(tài)對試件的磁場特征信號具有顯著的影響.

金屬磁記憶;磁各向異性;應力集中;三點彎曲;熱處理

現代工業(yè)大量使用鐵磁性金屬材料制造各種設備和構件，如鍋爐壓力容器、管道、橋梁、鐵軌、汽輪機葉片、轉子等.隨著服役時間的延長，這些設備和構件不可避免的因應力集中和缺陷擴展發(fā)生破壞而引發(fā)工業(yè)事故的風險越來越高.因此，無損檢測技術廣泛應用于工業(yè)設備維護.然而，常規(guī)無損檢測技術(超聲、射線、渦流、磁粉、滲透等)只能檢測已經成形的裂紋或缺陷，不能對造成疲勞破壞的重要因素應力集中進行早期檢測，無法避免因應力集中引起的金屬疲勞導致的意外斷裂的發(fā)生.正常大修周期之外，由金屬疲勞引起的意外斷裂導致的工業(yè)事故造成了大量的經濟和社會損失.因此，急需發(fā)展新的無損檢測方法實現對工業(yè)設備應力集中進行早期診斷.1999年，在汕頭召開的第七屆中國無損檢測國際研討會上，俄羅斯杜波夫教授［1］介紹一種新的無損檢測方法——金屬磁記憶技術，提出了應力集中－金屬微結構變化－磁記憶效應的相關性，引起了國內無損檢測領域的廣泛關注.眾多學者對金屬磁記憶技術進行了研究，國家自然基金先后資助了十多個相關專題研究.

金屬磁記憶檢測技術是依據對構件表面自有漏磁場(SMLF)分布的分析來定位應力集中區(qū)、缺陷、金屬和焊縫組織的不均勻性的無損檢測方法.學術界對金屬磁記憶效應的機理有著不同的觀點.以俄羅斯杜波夫教授為代表的基于磁機械效應的“自有漏磁場”理論［2］;國內，以南昌航空大學任吉林教授為代表的鐵磁學磁彈性效應理論［3］，南京燃氣輪機研究所仲維暢代表的非對稱應力作用下鐵磁材料的電磁感應理論［4］等，從不同角度來解釋磁記憶效應的形成機制.

1 金屬磁記憶檢測原理

金屬磁記憶檢測的原理是基于鐵磁性構件在運行時，受工作載荷和地球磁場的共同作用，在應力和變形集中區(qū)域發(fā)生磁化強度不可逆變化［5－7］.在應力集中區(qū)域，構件表面磁場的切向分量Hp(x)具有最大值，而法向分量Hp(y)改變符號且具有零值點［8］.通過對構件表面磁場法向分量的檢測，可方便的確定應力集中部位.

圖1 磁記憶檢測原理

2 金屬磁記憶效應的機理

鐵磁材料被磁化時，沿磁體的某些方向容易磁化，而另一些方向較難磁化.鐵磁單晶體在磁性上是各向異性的.沿鐵磁體的難、易磁化軸分別進行磁化時所需要的磁化能的大小是不同的.易磁化方向所需要的磁化能最小，而難磁化方向所需要的磁化能最大.這種同磁化方向有關的能量稱為磁各向異性能.磁各向異性能定義為飽和磁化強度矢量在鐵磁體中取不同方向而改變的能量［9］.

沒有外力和磁場作用于鐵磁晶體，其穩(wěn)定狀態(tài)的自由能為

式中:Ek為磁晶各向異性能;Ems為磁彈性能;Eel為彈性能.

鐵磁晶體受外應力的作用，晶體將發(fā)生相應的形變.這時，晶體的自由能除由于自發(fā)形變而引起的磁彈性能外，還存在著由外應力作用而產生的非自發(fā)形變的磁彈性應力能，簡稱為磁應力能.鐵磁晶體總的自由能為

式中Eσ為應力能.

鐵磁單晶體在磁場作用下被磁化，磁化所做的功即自由能.鐵磁晶體沒有形變，磁各向異性能即磁化矢量Ms離開易磁化軸方向而增加的自由能.由于鐵磁單晶體是磁各向異性，如上所述鐵磁晶體的磁化功與磁化方向有關.立方晶體的總各向異性能為

式中:K1、K2為各向異性常數;α1、α2、α3為磁化方向與3個晶軸之間的夾角余弦.

磁化矢量離開易磁化軸方向時，晶體發(fā)生微小的形變.形變使得晶體形成新的能量平衡，總自由能達到的極小值的穩(wěn)定狀態(tài).晶體發(fā)生形變，自發(fā)形變產生磁彈性能.如立方晶體的磁彈性能為

式中:B1、B2為磁化與形變相互作用的磁彈性耦合系數;αi、αj為磁化方向與各晶軸間的夾角余弦;eii、eij為形變分量.

晶體發(fā)生形變的彈性能為

式中:exx、eyy、ezz、exy、eyz、ezx為形變分量;C11、C44、C12為彈性模量.

外應力作用于鐵磁體，鐵磁晶體產生彈性應變的同時，產生應力磁各向異性.鐵磁體內的磁化強度矢量取向與應力有關，改變其自發(fā)磁化方向.根據鐵磁學理論，其應力能為

式中:σ為應力;λs為磁致伸縮系數;θ為應力方向與磁化方向之間的夾角.

3 討論

根據穩(wěn)定狀態(tài)能量最小原則，外應力作用使得鐵磁晶體增加了磁應力能，鐵磁晶體總自由能增加處于不穩(wěn)定狀態(tài).鐵磁晶體內部磁化方向不再任意取向，通過改變磁化強度方向，磁場強度方向將趨向于與應力平行或垂直的方向，以此來抵消磁應力能增加的影響，重新達到自由能最小的穩(wěn)定狀態(tài).

當θ=0°或180°時，其應力能Eσ取最小值.材料的λs＞0，受到拉應力(g＞0)作用時，即拉應力將使鐵磁性材料內部磁疇中的自發(fā)磁化強度矢量Ms的方向取平行或反平行于應力方向.材料的λs＜0，受到壓應力(g＜0)作用時，自發(fā)磁化強度矢量Ms的方向取平行或反平行于應力方向.材料的λs＞0，受壓應力(g＜0)作用，應力使Ms取垂直于應力的方向(即θ=90°或270°).材料的λs＜0，受拉應力(g＞0)作用，應力使Ms取垂直于應力的方向(即θ=90°或270°).由此可以看出，由應力引起的應力能對自發(fā)磁化強度Ms的取向產生了影響.

在外應力作用下，磁彈性應力能增加，總的自由能增加，鐵磁晶體產生應力致磁各向異性，鐵磁晶體改變磁化強度的方向，以磁各向異性能來抵消應力能增加對總自由能的影響.由于磁滯效應的作用，從而鐵磁構件內部產生大大高于地球磁場強度的磁場強度.圖2為磁彈性效應示意圖.圖中ΔBr為殘余磁感應強度，Δσ為周期應力變化量，He為外磁場.表明當鐵制構件的某一部位在周期性負載和外部磁場(如地球磁場)共同作用下，出現殘余磁感應強度和自磁化的增長.由于金屬內部存在多種內耗效應(如粘彈性內耗、位錯內耗等)，工作載荷卸載后，加載時在金屬內部形成的應力集中區(qū)得以保留.應力能引發(fā)的磁疇組織重新取向排列也保留下來，并在應力集中區(qū)形成漏磁場分布.

圖2 磁彈性效應原理

磁各向異性是鐵磁晶體的1個基本屬性，存在磁晶各向異性，形狀各向異性，應力磁各向異性，感生磁各向異性，交換磁各向異性等多種類型.磁晶各向異性是磁性單晶體所固有的，其他類型廣義上說都是感生的磁各向異性.應力、熱處理等都能對鐵磁單晶性的特性產生影響，產生應力致磁各向異性、磁場熱處理感生各向異性等等.

以不同熱處理材料制成的試件進行三點彎曲裂紋擴展疲勞試驗，研究熱處理工藝對金屬磁記憶信號的影響.

4 試驗研究

如圖3所示，在HYG高頻疲勞試驗機上進行3點彎曲疲勞裂紋擴展速率試驗.

圖3 高頻疲勞試驗臺

試件為3點彎曲試驗標準試件，長140 mm，高30 mm，寬15 mm;在試件中部的人工預制裂紋8 mm深，1.8 mm寬.試件材料為45號調質鋼.磁記憶信號由俄羅斯動力診斷公司生產的應力集中磁檢測儀TSC-1M-4采集.裂紋長度由USFEN500金相顯微鏡在位顯微觀測.試驗環(huán)境為室溫.

3點彎曲疲勞裂紋擴展速率試驗執(zhí)行GB/T6398-2000標準.應力比 R為 0.1，最大應力160 MPa.每10 000次疲勞循環(huán)，應力集中磁檢測儀TSC-1M-4探頭沿著試件頂部的測量線從左到右進行水平掃描.試件裂紋擴展長度由金相顯微鏡在位拍攝，由圖像分析軟件分析測量后獲得裂紋擴展速率.

45號鋼試件按不同的熱處理工藝分為兩組進行比對試驗:一組850℃淬火，一組850℃淬火560℃回火調質.

如圖4所示，熱處理試件的裂紋擴展速率低于非調質試件.調質熱處理試件疲勞裂紋擴展門檻值相對應的磁記憶信號Hp(y)的絕對值高于非調質試件.這說明調質熱處理使得試件不易形成裂紋并擴展.45號非調質鋼是馬氏體結構，調質45號鋼是回火索氏體結構.馬氏體鋼硬度高，脆性也大.回火索氏體鋼具有更好的屈服極限和沖擊韌性.回火索氏體鋼的機械性能優(yōu)于馬氏體鋼.因此，回火索氏體鋼比馬氏體鋼更不易于裂紋開裂并擴展.

圖4 熱處理對磁記憶信號的影響

5 結論

金屬磁記憶現象形成機制是1個廣泛關注的難點，涉及到鐵磁學、金相學、彈塑性力學等多學科，是1個復雜的問題.本文從應力作用下鐵磁晶體產生磁各向異性，進而改變磁晶體磁化方向，以磁彈性能來消除應力能增加產生的變化來解釋磁記憶現象產生的機制，即應力作用下，鐵磁材料產生應力磁各向異性，在外磁場作用下改變鐵磁材料磁化強度.

磁各向異性的形成有多種原因，金屬熱處理能夠影響鐵磁單晶體磁各向異性.金屬熱處理磁各向異性對金屬磁記憶信號和裂紋擴展速率有顯著影響.調質熱處理試件的裂紋擴展速率低于非調質試件.調質熱處理試件的裂紋擴展門檻值對應的磁記憶信號比非調質試件強.

調質試件和非調質試件的金屬磁記憶信號的變化趨勢與兩者力學性能有著顯著的相關性.金屬磁記憶檢測能夠作為熱處理工藝評價的有效手段.

［1］DUBOV A A.Diagnostics of metal items and equipment by means of metal magnetic memory［C］//CHS NDT 7th conference on NDT and international research symposium.Shantou:［s.n.］:1999:181 －187.

［2］DUBOV A.Principal features of metal magnetic memory method and inspection tools as compared to known magnetic ndt methods［J］.CINDE Journal，2006，27(3):16－20.

［3］任吉林，鄔冠華，宋凱，等.金屬磁記憶檢測機理的探討［J］.無損檢測，2002，24(1):29－31.

［4］仲維暢.金屬磁記憶法診斷的理論基礎——鐵磁性材料的彈 －塑性應變磁化［J］.無損檢測，2001，23(10):424－426.

［5］JILES D C.Theory of the magnetomechanical effect［J］.Journal of Physics D:Applied Physics，1995，28(8):1537－1546.

［6］MAKAR J M，TANNER B K.The effect of stresses approaching and exceeding the yield point on the magnetic properties of high strength pearlitic steels［J］.NDT ＆E International，1998，31(2):117 －127.

［7］BULTE D P，LANGMAN R A.Origins of the magnetomechanical effect［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2002，251(2):229 －243.

［8］任吉林，林俊明.金屬磁記憶檢測技術［M］.北京:中國電力出版社，2000:74.

［9］宛德福，馬興隆.磁性物理學［M］.成都:電子科技大學出版社，1994:152.

Theoretical and experimental study on metal magnetic memory technique

WU Da-bo，XU Min-qiang

(School of Astronautics，Harbin Institute of Technology，150001 Harbin，China)

To decrease the free energy，ferromagnetic crystal would reduce the stress energy by changing its magnetic state.Under the influence of stress-induced magnetic anisotropy in the interactions of stress and geomagnetic field，the physical mechanism of magnetic memory effect is studied.Crack propagation tests are performed on plate specimens of 45 quenched and tempered steel and non-quenched and tempered steel specimen.By three-point bending fatigue experiment and measurement in situ of metallurgical microscope，the magnetic signals were scanned by TSC-1M-4.The magnetic memory signals of quenched and tempered steel specimen are significantly lower than that of the non-quenched and tempered steel specimen.After eliminating stress by quenching the specimen，the results show that different stress states have significant effect on the magnetic field characteristics of the specimen.

metal magnetic memory;magnetic anisotropy;stress concentration，three-point bending，heat treatment

TG115.28

A

0367－6234(2012)11－0036－04

2011－12－10.

國家自然科學基金資助項目(10772061).

吳大波(1979—)，男，博士研究生;

徐敏強(1960—)，男，教授，博士生導師.

徐敏強，xumq@hit.edu.cn.

(編輯 張 宏)