任吉林,劉海朝,宋 凱

(南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室，南昌 330063)

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金屬磁記憶檢測技術(shù)的興起與發(fā)展

任吉林,劉海朝,宋 凱

(南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室，南昌 330063)

金屬磁記憶檢測技術(shù)可以用來檢測鐵磁金屬構(gòu)件上以應(yīng)力集中為特征的危險區(qū)域，其可對受載鐵磁構(gòu)件的損傷進行早期診斷，預(yù)防災(zāi)難事故的發(fā)生。概述了金屬磁記憶檢測的原理和特點，分析了磁記憶檢測的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，介紹了關(guān)于應(yīng)力集中定量問題的幾種計算算法和目前出現(xiàn)的幾種新型磁記憶檢測儀器和系統(tǒng)，并提出了目前磁記憶檢測研究中亟待解決的關(guān)鍵性問題，以及磁記憶檢測技術(shù)的未來發(fā)展方向。

磁記憶檢測；鐵磁構(gòu)件；應(yīng)力集中；早期診斷

金屬磁記憶檢測技術(shù)是一種綠色環(huán)保的無損檢測新技術(shù)，其利用鐵磁性金屬材料的磁記憶效應(yīng)來檢測工件的應(yīng)力集中部位和應(yīng)力集中程度。該技術(shù)為工件中出現(xiàn)缺陷或者損傷的預(yù)診斷及使用壽命預(yù)測提供依據(jù)，進而能夠保障在役工件的安全。金屬磁記憶檢測技術(shù)自誕生以來，受到了國內(nèi)外業(yè)界人士的廣泛關(guān)注，目前，在檢測機理、試驗研究、應(yīng)力集中定量問題和工程應(yīng)用等方面均取得了一定的研究成果。

基于金屬磁記憶效應(yīng)機理，分析了國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，探討了金屬磁記憶檢測技術(shù)發(fā)展歷程中的關(guān)鍵性問題，進而探索了磁記憶檢測技術(shù)新型儀器的發(fā)展趨勢，提出了目前磁記憶檢測研究中亟待解決的關(guān)鍵性問題以及磁記憶檢測技術(shù)的未來發(fā)展方向，以為金屬磁記憶檢測技術(shù)的深入研究及工程應(yīng)用提供參考。

1 磁記憶檢測技術(shù)的發(fā)展進程

1.1 磁記憶檢測技術(shù)的興起與進展

1994年，俄羅斯DOUBOV教授首次提出了金屬磁記憶概念[1]。1998 年，在美國舊金山舉行的第50屆國際焊接學(xué)術(shù)會議上，以DOUBOV教授為代表的俄羅斯專家首次提出了“金屬應(yīng)力集中區(qū)-金屬微觀變化-磁記憶效應(yīng)”相關(guān)學(xué)說，以及相應(yīng)的一套全新的無損檢測技術(shù)——金屬磁記憶(Metal Magnetic Memory, MMM)技術(shù)[2]，在無損檢測學(xué)界引起了強烈反響。此后，針對該項檢測技術(shù)，俄羅斯聯(lián)邦工程監(jiān)督部門陸續(xù)通過了 30 多項指導(dǎo)性文件，如：pπ10-262-98，pπ153-34.1-17.421-98中含有《火力發(fā)電廠鍋爐、汽輪機管道主要部件金屬檢測和延長使用壽命典型規(guī)程》，pπ03-380-00《儲存可燃?xì)怏w壓力球罐和氣罐檢測規(guī)程》等，并相繼在各工業(yè)部門得到應(yīng)用[3]。2007年，18個IIW國際焊接學(xué)會會員國和超過10個ISO委員會國的肯定投票而批準(zhǔn)了金屬磁記憶檢測法的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 24497《無損檢測 金屬磁記憶》等。

在對磁記憶檢測技術(shù)的機理研究工作中，美國愛荷華州立大學(xué)的JILES專家對鐵磁材料的力-磁效應(yīng)做了深入研究，有力地促進了漏磁檢測技術(shù)的發(fā)展。美國德克薩斯州的SABLIK通過建立力-磁效應(yīng)的簡單模型,計算了磁化率且得出磁疇壁不可逆偏轉(zhuǎn)。1995年，JILE發(fā)表了一篇關(guān)于磁機械效應(yīng)理論基礎(chǔ)的文章，文章通過介紹試驗中觀察到的現(xiàn)象，定義了磁機械效應(yīng)，提出了無磁滯磁化過程的接近定律，討論了應(yīng)力和磁化強度以及磁致伸縮的關(guān)系，建立了理論模型[4]。這些模型對以后應(yīng)力與磁化強度關(guān)系的研究具有非常重要的意義。1996年，DEVINE和JILE在研究中發(fā)現(xiàn)，在拉應(yīng)力或者壓應(yīng)力作用下時，磁化強度是以負(fù)值的變化量變化的，拉應(yīng)力作用下比壓應(yīng)力作用下磁化強度的變化大，因為拉應(yīng)力作用下無磁滯磁化強度增加，壓應(yīng)力作用下減小，并且碳的含量在很大程度上會影響磁機械效應(yīng)的幅值[5]。2000和2001年，JILE等對外加扭矩作用下磁感應(yīng)強度的變化以及磁機械效應(yīng)和磁致伸縮兩者間的關(guān)系進行了研究[6-7]。在測量研究磁致伸縮時發(fā)現(xiàn)，壓磁系數(shù)在低磁場環(huán)境下決定著磁感應(yīng)強度對扭矩的敏感程度。同時發(fā)現(xiàn)各向異性的磁致伸縮比決定著磁感應(yīng)強度對應(yīng)力的敏感程度。2001年，JILE等從能量以及磁疇的角度出發(fā)，建立了應(yīng)力與磁特性的微磁模型[8]，通過模型研究了外應(yīng)力作用下磁矩的變化規(guī)律。2002年，SUKEGAWA通過對帶小孔的平板試件進行疲勞試驗，研究了在沒有磁場以及不同磁場作用下磁導(dǎo)率的變化規(guī)律[9]，波蘭人KALETA通過對純鎳平板進行疲勞試驗，在無磁場的情況下檢測試件感生出來的磁信號的變化，得出了應(yīng)力和磁場強度以及磁感應(yīng)強度之間的關(guān)系[10]。2006年，英國人WILSON等在對磁記憶檢測技術(shù)的應(yīng)力檢測研究中引入殘余磁場技術(shù)。因為該技術(shù)包括了對磁場模式及其變化率的分析，對復(fù)雜試件的檢測有很大的作用[11]。

1.2 磁記憶檢測技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

在國內(nèi)，自1999年俄羅斯DOUBOV教授在第七屆全國無損檢測學(xué)術(shù)年會暨國際學(xué)術(shù)研討會上發(fā)表有關(guān)磁記憶檢測技術(shù)的文章以來，很快引起我國無損檢測界的重視，很多專家、學(xué)者及工程技術(shù)人員隨即對該檢測技術(shù)開展了深入的研究和探索。當(dāng)年，東北電力科學(xué)研究院就從俄羅斯動力診斷公司購置了TSC-1M-4 型金屬磁記憶應(yīng)力檢測儀，在電站鍋爐管道檢驗中開始了國內(nèi)首例金屬磁記憶檢測；2000年5月，林俊明等在西安熱工院召開的火電廠壽命管理與延壽國際學(xué)術(shù)會議上發(fā)表了第一篇金屬磁記憶文章[12]，并展示了由愛德森公司研發(fā)的我國第一臺磁記憶診斷儀，并在電力、鍋爐、航空、機械等領(lǐng)域開始了磁記憶檢測技術(shù)的實際應(yīng)用；同年12月，任吉林、林俊明等合作出版了首本關(guān)于金屬磁記憶檢測技術(shù)的專著[13]；2001年8月，由全國無損檢測學(xué)會和國家質(zhì)監(jiān)局鍋爐和壓力容器檢測研究中心主辦，愛德森公司發(fā)起并協(xié)辦了我國首屆金屬磁記憶檢測技術(shù)學(xué)術(shù)研討會，會議首次匯集出版了國內(nèi)各工業(yè)部門與科研單位有關(guān)磁記憶檢測技術(shù)的研究和應(yīng)用成果。值得指出的是，從2003年起，一大批關(guān)于磁記憶檢測方法的研究課題得到國家自然科學(xué)基金的資助。分別開展了“地磁場分布對磁記憶檢測的磁場數(shù)值的影響”、“應(yīng)力集中與金屬磁記憶信號之間的關(guān)系及金屬磁記憶信號特征”、“金屬磁記憶信號的本質(zhì)及對疲勞裂紋萌生和疲勞裂紋擴展壽命的影響”、“地磁場與應(yīng)力集中導(dǎo)致的畸變磁場幅度之間的關(guān)系”、“應(yīng)力集中和局部塑性變形與磁記憶信號變化的對應(yīng)關(guān)系”、“疲勞裂紋尖端磁記憶信號梯度Kmax值和應(yīng)力強度因子之間的關(guān)系”、“利用法向及切向分量實施磁記憶二維檢測定量評價分析”、“基于金屬材料內(nèi)部磁疇演化模型的磁記憶定量評價分析”、“鐵磁材料受應(yīng)力作用時的磁化反轉(zhuǎn)現(xiàn)象的磁記憶效應(yīng)”、“高壓管材料的沖蝕磨損的磁記憶在線檢測”的研究，對磁記憶檢測技術(shù)機理進行了探討。到2010年5月，我國電力部門參照俄羅斯聯(lián)邦國家及俄羅斯焊接學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)CTPHTCO000-04《設(shè)備和結(jié)構(gòu)焊接接頭金屬磁記憶方法》并結(jié)合我國電力行業(yè)實際應(yīng)用情況，發(fā)布了電力行業(yè)磁記憶檢測標(biāo)準(zhǔn)DL/T1105.4《電站鍋爐集箱小口徑接管座角焊縫無損檢測技術(shù) 導(dǎo)則 第4部分 磁記憶檢測》(亦是我國首個磁記憶檢測標(biāo)準(zhǔn))；更是為該項技術(shù)在我國的發(fā)展和應(yīng)用起到了良好的推動作用。

2 磁記憶檢測技術(shù)的原理、特點及應(yīng)用

2.1 磁記憶檢測技術(shù)的原理

鐵磁構(gòu)件受載后，會在應(yīng)力集中區(qū)形成的過程中積聚很高的應(yīng)力能。根據(jù)能量最小原理，為使構(gòu)件中總自由能達(dá)到新的最小穩(wěn)定狀態(tài)，構(gòu)件內(nèi)部的磁疇必將在磁機械效應(yīng)下做疇壁的位移以及不可逆的重新取向，以磁彈性能的增加來抵消增加的應(yīng)力能。從而，鐵磁構(gòu)件內(nèi)部將產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地磁場的磁場強度。由于鐵磁構(gòu)件內(nèi)部有諸如位錯內(nèi)耗、粘彈性內(nèi)耗等許多內(nèi)耗效應(yīng)存在，因此消除動態(tài)載荷后，之前加載過程中形成的應(yīng)力集中區(qū)會被保留。同時由于磁機械效應(yīng)引起的磁疇組織的重新定向排列也會保留下來，并在應(yīng)力集中區(qū)形成類似缺陷漏磁場的分布形式，受載鐵磁構(gòu)件應(yīng)力集中部位表面的漏磁場分布如圖1所示，即磁場的切向磁信號Hp(x)具有最大值，法向磁信號Hp(y)改變符號且具有過零點。

這種磁性狀態(tài)的變化是不可逆的，在工件不受其他載荷作用時會繼續(xù)保留。因而，通過對漏磁場法向分量Hp(y)及切向分量Hp(x)的測定，便可以準(zhǔn)確地推斷工件的應(yīng)力集中部位，從而對工件可能出現(xiàn)的早期損傷實施有效檢測和評估。

圖1 受載鐵磁構(gòu)件應(yīng)力集中部位表面的漏磁場分布

2.2 磁記憶檢測技術(shù)的特點及應(yīng)用狀況

金屬磁記憶檢測可以用來準(zhǔn)確確定在役運行裝備上正在形成或發(fā)展中的應(yīng)力集中部位，對構(gòu)件應(yīng)力變形狀態(tài)及程度進行評價，以便及時對構(gòu)件可能出現(xiàn)早期損傷的部位進行強化處理或更換，或通過在設(shè)備或構(gòu)件的疲勞試驗中應(yīng)力集中的部位進行評價，為疲勞分析、設(shè)備或構(gòu)件定壽及設(shè)計改進發(fā)揮有效的先導(dǎo)作用。相對于其他無損檢測方法，金屬磁記憶檢測技術(shù)具有眾多優(yōu)點，主要有：① 通過對在役構(gòu)件的早期診斷，較為準(zhǔn)確地評價設(shè)備的安全性；② 實時地進行在線檢測；③ 不需對工件表面進行預(yù)處理且探頭采用非接觸方法，探頭最大提離為150 mm；④ 提離效應(yīng)影響小，檢測靈敏度較高，測試結(jié)果重復(fù)性和可靠性好；⑤ 與漏磁檢測相比，無需專門的磁化裝置，設(shè)備體積小、輕、快，適合現(xiàn)場作業(yè)。

主要用途為：① 確定設(shè)備和構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的不均勻性和應(yīng)力集中區(qū)；② 確定在應(yīng)力集中區(qū)的金屬取樣位置以評估金屬結(jié)構(gòu)狀態(tài)；③ 早期診斷疲勞損壞和評估設(shè)備和構(gòu)件的壽命；④ 利用與常規(guī)無損檢測方法結(jié)合來減少檢測成本與材料成本；⑤ 各種類型的焊接質(zhì)量控制(包括接觸焊與點焊)；⑥ 通過構(gòu)件的不均勻性對新生產(chǎn)與在用的機械制造產(chǎn)品實施快速分類等。

3 磁記憶檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀

3.1 磁記憶檢測機理研究的理論基礎(chǔ)

3.1.1 磁記憶現(xiàn)象的產(chǎn)生

應(yīng)力可造成材料的各向異性，使磁化強度垂直或平行于應(yīng)力方向分布。使材料應(yīng)力能取最小值的方向有兩個，且互為反方向，磁化強度在這兩個方向上的分布是等價的，也是隨機的。原來在材料內(nèi)三維空間隨機分布的磁化強度，在應(yīng)力作用下會變成二維或一維隨機分布。盡管維數(shù)減少，但在任一方向上的磁化強度仍可相互抵消，所以對外并不顯示磁性。為使材料產(chǎn)生磁記憶現(xiàn)象，需要改變材料磁特性的各向同性。最簡單的方法是對材料施加一偏磁場進行極化，類似于壓電材料的電極化一樣。極化后的材料不再是各向同性，材料的壓磁常數(shù)d中的各元素便不再全為零。此時，若將極化方向取作z方向(即33°方向)，則d具有如下簡單形式[14]：

(1)

可見，偏磁場改變了材料的壓磁性，其產(chǎn)生的材料的壓磁場記作BT。故在外磁場(如地磁場)H存在條件下，當(dāng)H≠0和d≠0時，BT≠0，該磁場泄漏到材料外面時，就成了“磁記憶”中的磁場,使d≠0。

地磁場的作用：改變材料的壓磁性；地磁場在應(yīng)力作用的最初階段十分重要，它能夠使應(yīng)力在材料中激發(fā)出微弱的磁場，該磁場能起到“磁源”的作用，其一旦形成，便會因磁滯效應(yīng)而隨應(yīng)力的反復(fù)作用逐漸增強，以致后來地磁場的作用甚至可以忽略不計，地磁場并非必不可少,地磁場能使多晶材料具有壓磁性，這是產(chǎn)生磁記憶的必要條件；地磁場并非極化場,地磁場可作為極化場，但極化場并非一定就是地磁場，而應(yīng)是工件中實際存在的磁場。

3.1.2 磁機械效應(yīng)

應(yīng)力對材料磁性能的影響，更多地被稱為磁機械效應(yīng)。雖然在磁機械效應(yīng)理論中很少專門提及地磁場，但在磁機械效應(yīng)中都存在外場。通過對磁機械效應(yīng)的試驗發(fā)現(xiàn)，在弱磁場條件下，應(yīng)力引起的磁化強度的變化較大，但其變化的規(guī)律磁場與應(yīng)力曲線(M-σ曲線)會保持不變，并且，當(dāng)應(yīng)力引起的磁化改變遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外磁場的磁化作用時，一般都會產(chǎn)生與磁記憶信號性質(zhì)相同的特征[15]。地磁場一般為30～50 A·m-1，在嚴(yán)格意義上說不屬于弱磁場，然而從工業(yè)檢測中施加能量場的角度來說，地磁場又屬于典型的弱磁場。磁記憶檢測理論中強調(diào)了地磁場的作用，因此磁記憶檢測方法從廣義上說，屬于穩(wěn)恒弱磁場激勵下的磁性無損檢測方法。

JILE于20世紀(jì)90年代提出的接近定律,是關(guān)于磁機械效應(yīng)理論研究中比較重要的研究成果，在彈性范圍內(nèi)建立了應(yīng)力與磁化強度改變之間的關(guān)系。接近定律指出，雖然力-磁關(guān)系是一種復(fù)雜的多變量函數(shù)關(guān)系，決定鐵磁材料力磁關(guān)系的因素很多，但在應(yīng)力的作用下，鐵磁體中剩余磁化狀態(tài)會向無滯后磁化狀態(tài)趨近。磁記憶效應(yīng)和磁機械效應(yīng)都是經(jīng)過大量試驗驗證過的理論，盡管到目前為止，還未發(fā)現(xiàn)二者之間有明確的理論聯(lián)系，但二者的物理本質(zhì)是一致的。磁機械效應(yīng)的相關(guān)發(fā)現(xiàn)及結(jié)論應(yīng)當(dāng)可以為磁記憶檢測技術(shù)的深入研究提供理論和方法上的借鑒。

3.1.3 應(yīng)力條件下磁場反轉(zhuǎn)現(xiàn)象

在多項有關(guān)磁記憶檢測的試驗研究中，先后注意到鐵磁材料受應(yīng)力作用時的磁化反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，即磁記憶信號和應(yīng)力之間的關(guān)系并非單調(diào)對應(yīng)相關(guān)，而是在載荷作用初期，先保持增長趨勢；當(dāng)應(yīng)力增加到某一階段時，會呈現(xiàn)相反變化趨勢，如由原來增加變?yōu)闇p小。這種應(yīng)力作用時引起的磁化反轉(zhuǎn)現(xiàn)象在彈性變形階段就已經(jīng)出現(xiàn)，會一直持續(xù)到塑性變形階段[15]。

很多學(xué)者和研究人員針對地磁場條件下的磁記憶信號在應(yīng)力作用下的變化情況,開展了大量試驗研究工作后發(fā)現(xiàn)，涉及應(yīng)力定量化評價問題的力-磁信號變化特征在試樣承壓后的過程中均有表現(xiàn)[15-17]。鐵磁性試件承載后，試件表面磁信號隨應(yīng)力變化敏感，由初始磁化狀態(tài)向應(yīng)力條件下磁化狀態(tài)轉(zhuǎn)變的最大變化過程往往發(fā)生在初始載荷達(dá)到某一水平后。在彈性變形區(qū)域，磁記憶信號很大程度上依賴于初始?xì)堄鄳?yīng)力狀態(tài)。對于初始磁信號較小的試件，磁記憶信號加載應(yīng)力后通常呈現(xiàn)平整的近似直線分布，此時磁記憶信號過零點位置往往能夠較為準(zhǔn)確預(yù)報最終斷裂位置；但對于初始磁信號較大的情況(如未作退火和去應(yīng)力處理的試件)，初始?xì)埓判盘栞^強，試件承載時，磁信號可能出現(xiàn)多處過零或沒有過零點，此時磁記憶信號過零點和應(yīng)力集中現(xiàn)象沒有必然聯(lián)系。因此，可以通過研究應(yīng)力條件下的磁場反轉(zhuǎn)現(xiàn)象來進一步探討受載鐵磁構(gòu)件產(chǎn)生磁記憶效應(yīng)的機理。但值得注意的是，雖然磁記憶信號的變化存在明確的應(yīng)力磁化反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，其具體的變化情況卻依材料成分、初始磁化狀態(tài)、殘余應(yīng)力水平的不同而不同，即按照接近定律的描述，與材料本身初始磁化狀態(tài)相對于無滯后磁化曲線的位置有關(guān)。

圖2 二維磁記憶測量系統(tǒng)外觀

3.2 磁記憶檢測機理的試驗研究

在磁記憶檢測機理的試驗研究方面，南昌航空大學(xué)研究團隊[18-20]分別做了關(guān)于拉伸試驗、疲勞試驗以及相關(guān)的ANSYS仿真試驗。試驗中磁記憶數(shù)據(jù)的采集采用實驗室自制的二維磁記憶測量系統(tǒng)，其外觀如圖2所示。該系統(tǒng)由高斯計、計算機、步進電機掃描系統(tǒng)及驅(qū)動電路組成。可用一個磁傳感器測量法向分量Hp(y)及利用矢量法通過兩個互相垂直放置在試件表面的磁傳感器測量切向分量Hp(x)的最大值，并進行實時采集、保存和數(shù)據(jù)處理后實時顯示掃描結(jié)果。

3.2.1 拉伸試驗及ANSYS仿真

如對去應(yīng)力退火的中心含圓孔Q235鋼試件做拉伸試驗，試驗現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 拉伸試驗現(xiàn)場

圖4 不同載荷下的試件表面應(yīng)力分布云圖

圖5 不同應(yīng)力下的磁場分布

試驗中，設(shè)定不同載荷，并利用ANSYS軟件進行加載條件下的有限元仿真，得到不同載荷作用下試件表面的應(yīng)力分布云圖(見圖4)。然后在拉伸試驗中同時對不同載荷下試件表面漏磁場信號進行測量，繪制不同載荷下的漏磁場法向、切向信號的磁場分布圖(見圖5)。再與不同載荷作用下試件表面應(yīng)力分布云圖對比，可以發(fā)現(xiàn)，利用二維磁記憶檢測系統(tǒng)對試件測量線上的法向、切向磁信號進行測量得到的磁場分布圖，與不同載荷作用下試件表面應(yīng)力分布云圖的應(yīng)力集中部位有很好的對應(yīng)。

3.2.2 疲勞試驗及ANSYS仿真

疲勞試驗的試塊材料0CrMnSiNi2A的V型缺口平板，試驗在室溫環(huán)境下進行，漏磁信號的檢測跟蹤是從未加載直至斷裂前的整個過程的磁信號變化，疲勞試驗系統(tǒng)外觀如圖6所示。

圖6 疲勞試驗系統(tǒng)外觀

圖7 不同循環(huán)周次下的等效應(yīng)力分布云圖

疲勞試驗后利用ANSYS軟件對試件表面的應(yīng)力集中情況進行仿真分析，得出在不同循環(huán)周次下試件表面的應(yīng)力分布云圖(見圖7)。再將疲勞試驗中同時對不同載荷疲勞循環(huán)周期下測量得到的試件表面漏磁場的法向、切向信號的磁場分布圖(見圖8)，與不同疲勞循環(huán)周期作用下試件表面應(yīng)力分布云圖進行對比，同樣可見，利用二維磁記憶檢測系統(tǒng)對試驗試件測量線上的法向、切向磁信號進行測量得到的磁場分布圖，與不同疲勞循環(huán)周期作用下試件表面應(yīng)力分布云圖的應(yīng)力集中部位有很好的對應(yīng)。

圖8 不同疲勞周期下的法向和切向磁場的磁信號特征

3.3 磁記憶檢測定量分析的研究

3.3.1 基于單一分量梯度變化的磁記憶分析方法

在采用該分析方法時，雖然由于檢測過程或周圍環(huán)境的干擾，通常會有一些附加噪聲疊加在檢測信號上，以致信號產(chǎn)生畸變，使得表征焊縫中焊接冷裂紋的特征信號淹沒其中，給信號的識別帶來困難。但可以采用一定的信號處理技術(shù)，將有效信號提取出來。其中，小波變換就是一種常用的信號分解和重構(gòu)方法，對于信號降噪有著很好的效果。小波分析方法消噪的效果主要取決于閾值選擇和所采用的小波函數(shù)。在對比分析不同小波分析方法的基礎(chǔ)上使用非線性方法，選擇db4小波基，分解層數(shù)為4層，閾值選擇最優(yōu)預(yù)測變量閾值Heursure閾值，然后對磁記憶信號進行處理，可使有用信號得以有效分離。原始信號中的無效部分會被剔除，削弱了原始信號中由于毛刺而引起的梯度變化，明顯改善了小波降噪后試件表面的漏磁場梯度信號，使結(jié)果更加貼近于真實信號。

3.3.2 李薩如圖判定方法

傳統(tǒng)的磁記憶檢測是單一研究法向分量特征值對應(yīng)力集中部位進行判斷，不僅容易出現(xiàn)漏檢及誤判現(xiàn)象，還不能對應(yīng)力集中程度進行定量分析。引入切向分量，采用磁記憶二維檢測方法對磁記憶檢測進行研究?？赏ㄟ^李薩如圖判定法對受載鐵磁構(gòu)件應(yīng)力集中以及應(yīng)力集中程度進行定量化評價分析。

李薩如圖判定法是在進行拉伸試驗時，用軸向探頭提取被測試件在不同應(yīng)力條件下的法向磁信號，再利用矢量合成原理將兩個垂直放置的探頭提取切向分量磁信號最大值，然后對法向分量磁信號與切向分量磁信號進行二維檢測分析。

在進行磁記憶信號二維分析時，以法向分量為縱坐標(biāo)及切向分量為橫坐標(biāo)繪制得到的二維檢測曲線會是一個不閉合的不穩(wěn)定類李薩如圖[18]。其產(chǎn)生原因是實際檢測過程中測得的法向分量分布值與理論上的法向分量,在非應(yīng)力集中區(qū)域的位置不能像理論中漏磁場法向分量一樣逐漸趨向于同一個穩(wěn)定值，導(dǎo)致二維檢測曲線圖中法向分量分布的橫坐標(biāo)軸上起始的磁信號值和終止的磁信號不為同一個值，因此，得到的二維檢測曲線是一個沒有閉合的不穩(wěn)定類李薩如圖(見圖9)，并難以為磁記憶二維檢測的定量化提供可靠的數(shù)值分析依據(jù)。而由磁偶極子模型理論磁場的計算方法得知，磁信號反映的是應(yīng)力集中區(qū)域自由漏磁場的積分場?？梢钥紤]引用微分算法，對法向分量及切向分量分別進行微分，得到自由漏磁場微分后的梯度曲線，微分算法同時消除了初始磁信號的影響。然后將不同應(yīng)力下法向分量微分后的梯度值K(y)作橫坐標(biāo)，切向分量微分后的梯度值K(x)作縱坐標(biāo)繪制二維檢測曲線，得到的圖形會是一個穩(wěn)定閉合的李薩如圖(見圖10)。分析不同載荷下的李薩如圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著拉伸載荷的增大，合成的穩(wěn)定閉合的李薩如圖面積也隨著增大，表明此時試件的應(yīng)力集中程度隨著載荷的增大而增大?？梢?，采用李薩如圖判定法，用法向分量及切向分量微分后的梯度值聯(lián)合繪制會得到封閉的李薩如圖，該李薩如圖面積的大小可為二維檢測的定量化評價分析提供依據(jù)。

圖9 磁信號法向切向分量合成的二維檢測曲線

圖10 不同應(yīng)力下梯度合成的二維檢測曲線

3.3.3 基于磁記憶檢測的應(yīng)力集中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial Neural Network,ANN)具有高度的非線性和容錯能力,并且具有并行和分布式的特點，在模式識別、數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。裝甲兵學(xué)院研究團隊[24]嘗試使用二維磁記憶信號特征參量構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來定量識別試樣的應(yīng)力集中程度。他們以42CrMo鋼為試驗材料，在疲勞試驗狀態(tài)下進行磁記憶檢測試驗，得到試塊切口處磁場法向分量Hp(y)信號的峰-峰值ΔHp(y)和梯度變化值K，切向分量Hp(x)信號的峰值Hp(x)M和峰寬W等參量，并以這四個特征參量作為輸入量搭建一個神經(jīng)元數(shù)較少且識別精度較高的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

對該BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層神經(jīng)元傳遞函數(shù)選擇一個S型正切函數(shù)：

(2)

并設(shè)輸出層神經(jīng)元的傳遞函數(shù)為S型對稱函數(shù)：

(3)

按照Kolmogorov定理，使用traingdx訓(xùn)練函數(shù)對具有對應(yīng)隱含層神經(jīng)元個數(shù)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，根據(jù)訓(xùn)練結(jié)果選擇隱含層神經(jīng)元個數(shù)，然后依據(jù)梯度下降動量法、Levenberg-Marquardt反傳算法和普通的梯度下降法三種算法進行訓(xùn)練，經(jīng)過對比得出合適的算法，再進行計算并得出結(jié)果，最后對試樣的應(yīng)力集中程度進行識別，則可得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練及檢測結(jié)果。

表1是選擇L-M反傳算法，采用107組有效的檢測數(shù)據(jù)結(jié)果(其中分出53組作為訓(xùn)練樣本，余下的54組數(shù)據(jù)作為檢測樣本)，然后對試樣的應(yīng)力集中程度進行識別，得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練及檢測結(jié)果。結(jié)果表明:該方法精度較高，可以實現(xiàn)對應(yīng)力集中程度的判定，具有一定的參考價值。

表1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練及測試結(jié)果

3.3.4 基于GGA和NCPP平面波算法建立磁記憶檢測模型的研究

沈陽工業(yè)大學(xué)研究團隊[25]利用固體能帶理論建立磁記憶檢測模型。采用量子力學(xué)GGA(Generalized Gradient Approximation)算法，研究磁記憶自發(fā)漏磁信號與應(yīng)力集中的定量變化關(guān)系；并且在電子自旋體系中，計算不同摻雜元素對鐵磁性構(gòu)件磁特性的影響，進而分析不同構(gòu)件在相同應(yīng)力場作用下磁記憶信號的變化特征，對金屬磁記憶現(xiàn)象做出定量分析。

該方法基于GGA算法建立α-Fe的磁力學(xué)計算模型，分別施加壓力和拉力作用，使用GGA算法處理交換關(guān)聯(lián)能，計算原子間波函數(shù)交疊程度變化規(guī)律及外力場作用和參雜作用對晶體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)能量、磁性特性的影響，進而可分析磁記憶信號的特征。

劉斌等提出一種基于NCPP(Norm Conserving Pseudo-Potentiol)平面波算法磁記憶信號特征的研究方法[26]。該方法是利用量子力學(xué)的密度泛函理論，通過固體的能帶結(jié)構(gòu)建立磁記憶檢測模型，然后采用NCPP算法，在全電子勢情況下，研究磁記憶自發(fā)漏磁信號、外部載荷作用、晶體結(jié)構(gòu)、原子磁矩之間的定量變化關(guān)系，分析磁記憶信號與應(yīng)力的定量變化關(guān)系以及磁記憶信號在應(yīng)力達(dá)到固體屈服強度時的信號變化情況。

根據(jù)電子能帶理論，固體內(nèi)微觀粒子在不受力時排列具有嚴(yán)格的周期性，每一個晶格節(jié)點處于平衡狀態(tài)；當(dāng)外力作用時微觀粒子排列周期性被破壞失去平衡狀態(tài)，原子間由于彈性作用增強而產(chǎn)生相對位移，每個晶體節(jié)點的整體受力會使整體具有恢復(fù)到平衡狀態(tài)的趨勢，這時候的固體處于應(yīng)力集中狀態(tài)。固體能帶結(jié)構(gòu)和電子能量狀態(tài)決定了固體的磁力學(xué)耦合特性。對于確定的晶體結(jié)構(gòu)，可以通過計算能帶的總能量來求解晶體的晶格常數(shù)，電子態(tài)密度，原子磁矩，進而研究磁記憶信號的變化。

3.4 磁記憶檢測儀器的研究

隨著磁記憶檢測技術(shù)在理論基礎(chǔ)研究上獲得的突破,在檢測儀器方面，亦在目前普遍應(yīng)用的以判斷法向分量Hp(y)是否過零為依據(jù)的儀器的基礎(chǔ)上，開始依據(jù)二維磁記憶檢測原理開發(fā)研制出不少新型的檢測儀器，可望大大提高磁記憶檢測的檢測效率、準(zhǔn)確度及可靠性。

3.4.1 基于單一法向分量分析的磁記憶檢測儀器的開發(fā)

俄羅斯的TSC-IM4磁記憶檢測儀就是傳統(tǒng)的以判斷受載鐵磁構(gòu)件表面漏磁信號的法向分量Hp(y)是否過零為依據(jù)的磁記憶檢測儀,已在工程檢測中得到廣泛應(yīng)用。在國內(nèi)，目前比較成熟的有廈門愛德森公司的EMS系列磁記憶診斷儀。EEC/SMART-2005智能型電磁/超聲多功能檢測儀不僅能進行磁記憶檢測，還能同時進行超聲和其他電磁方法的檢測。

3.4.2 基于法向與切向分量二維分析的磁記憶檢測儀器的開發(fā)

南昌航空大學(xué)研究團隊[27]依據(jù)鐵磁構(gòu)件應(yīng)力集中部位存在漏磁信號切向分量最大與法向分量過零的原理，設(shè)計了以高靈敏弱磁傳感器為核心的磁記憶二維檢測儀，如圖11所示。該系統(tǒng)主要由傳感器、控制器、電源、附屬電路、顯示輸出系統(tǒng)等幾個部分組成。大量實踐檢驗結(jié)果證明:該儀器可同時分析法向與切向信號，更準(zhǔn)確地對構(gòu)件應(yīng)力集中部位進行診斷，可為進一步進行磁記憶二維檢測定量分析提供有效的方法與技術(shù)支撐。

圖11 磁記憶二維檢測系統(tǒng)

3.4.3 基于嵌入式系統(tǒng)的磁記憶檢測系統(tǒng)平臺的開發(fā)

太原理工大學(xué)研究團隊亦依據(jù)磁記憶二維檢測原理,設(shè)計了可以實現(xiàn)觸模屏和遠(yuǎn)程控制等多用途的新型嵌入式金屬磁記憶檢測儀器[28]。檢測儀磁場信號數(shù)據(jù)采集界面如圖12所示，橫軸為切向分量Hp(x)，縱軸為法相分量Hp(y)，當(dāng)被檢測的鐵磁構(gòu)件存在缺陷時，曲線就會發(fā)生閉合。

圖12 檢測儀數(shù)據(jù)采集界面

儀器工作時，傳感探頭采集磁記憶信號后，可通過三種不同的方式反饋給用戶，如圖13所示。第一種是在現(xiàn)場，工作人員通過觸摸屏直接獲得所測的數(shù)據(jù)圖像；第二種是通過GPRS模塊DTU進行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送，然后經(jīng)由遠(yuǎn)程接收數(shù)據(jù)；第三種是通過嵌入式服務(wù)器，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)，由智能手機或者PC機，通過網(wǎng)頁獲取現(xiàn)場采集的信號進行現(xiàn)場控制。

圖13 檢測儀電路框圖

4 展望

近年來興起的金屬磁記憶檢測技術(shù)，雖然問世時間不長，并且已經(jīng)在理論分析、試驗研究、儀器開發(fā)與工程應(yīng)用中取得了階段性的成果，但該項技術(shù)仍然存在不少問題有待解決，主要有：

(1) 地磁場的存在是否是誘發(fā)鐵磁構(gòu)件應(yīng)力集中區(qū)形成表面漏磁場的必要條件。

(2) 影響磁記憶檢測的主要因素有哪些,如何消除干擾提取有用信息。

(3) 磁記憶檢測是判斷應(yīng)力集中部位的預(yù)診斷手段還是檢測宏觀缺陷的檢測方法。

(4) 磁記憶檢測如何對被檢測對象的損傷情況進行定量化評價分析。

(5) 如何制定并完善能應(yīng)用于工程實踐的磁記憶檢測的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范。

也正是因為該技術(shù)發(fā)展時間不長，還不成熟，其理論基礎(chǔ)與應(yīng)用還有待進一步深入研究。綜合來說，磁記憶檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢主要有：

(1) 在已有的理論研究基礎(chǔ)上，多學(xué)科、多角度地綜合探討研究磁記憶檢測機理。并在大量試驗研究的基礎(chǔ)上，建立并獲得共識的理論分析模型，在微觀與宏觀兩方面建立起系統(tǒng)的磁記憶檢測理論體系。

(2) 為全面評價磁記憶信號特征，研制開發(fā)三維高精度、多參量、多功能、智能化及與其他檢測方法，如超聲、渦流、漏磁等相結(jié)合的集成無損檢測儀器。

(3) 通過對多維磁記憶信號與應(yīng)力集中部位及應(yīng)力集中程度之間的對應(yīng)關(guān)系進行探討分析，研究合理有效的多維磁記憶信號的數(shù)據(jù)處理分析模式，探索出表征應(yīng)力集中程度的磁記憶信號特征量，為磁記憶檢測的工程定量評價分析應(yīng)用提供可靠的理論依據(jù)。

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The Rise and Development of Metal Magnetic Memory Testing Technology

REN Ji-lin, LIU Hai-chao, SONG Kai

(Key Laboratory of Nondestructive Testing, Ministry of Education, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China)

Metal magnetic memory testing technology can detect the danger zone characterized by the stress concentration in a ferromagnetic metal member. It can thus implement an early diagnosis of the damage for the ferromagnetic member and prevent disaster accidents. This article outlines the metal magnetic memory testing principles and characteristics, analyzes the research status of magnetic memory testing, introduces a quantitative problem of stress concentration on several computational algorithms and several new types of magnetic memory testing instruments and systems currently emerging, and presents the current research in magnetic memory testing key issues to be studied and the magnetic memory testing technology in the future development direction.

Magnetic memory testing; Ferromagnetic member;Stress concentration;Early diagnosis

2016-01-07

任吉林(1945-),男，教授，主要從事電磁無損檢測技術(shù)的研究工作。

任吉林，E-mail: jlren@tom.com。

10.11973/wsjc201611002

TG115.28

A

1000-6656(2016)11-0007-09