蘇三慶，劉馨為，王 威，左付亮，鄧瑞澤，秦彥龍

西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，西安 710055

目前，鋼材因其具有輕質(zhì)高強(qiáng)、材質(zhì)均勻和加工方便等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在橋梁[1-3]、建筑[4]、機(jī)械[5]、電力[6]、管道[7]、航空[8]以及石油[9]等行業(yè)當(dāng)中.這些結(jié)構(gòu)或構(gòu)件因其復(fù)雜的構(gòu)造特點(diǎn)，加之在服役期間可能遭受的長(zhǎng)期循環(huán)荷載、自然災(zāi)害因素以及人為因素等諸多因素的影響，鋼構(gòu)件在服役的過(guò)程當(dāng)中會(huì)不可避免地出現(xiàn)一些早期隱性損傷[10]，這些早期損傷的不斷累積，會(huì)造成鋼結(jié)構(gòu)或構(gòu)件強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的降低.長(zhǎng)期以往，必然影響結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的正常運(yùn)行和安全使用[11].隱性損傷不同于顯性損傷，鋼材的表面并沒(méi)有形成明顯的物理不連續(xù)肉眼可見(jiàn)的宏觀缺陷，檢測(cè)人員難以及時(shí)發(fā)現(xiàn).但是，應(yīng)當(dāng)注意的是，在整個(gè)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的服役期間，隱性損傷的產(chǎn)生和累積幾乎全程貫穿其中，隱性損傷的不斷累積，微觀缺陷的不斷擴(kuò)展，很有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生突然性的脆性破壞[12]，對(duì)結(jié)構(gòu)造成致命的影響，嚴(yán)重威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展.因此，及時(shí)找到結(jié)構(gòu)或構(gòu)件潛在隱性損傷并進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，可以有效預(yù)防重大突發(fā)性災(zāi)難的發(fā)生[13].

鋼材作為一種常見(jiàn)的鐵磁材料，在外加應(yīng)力或附加磁場(chǎng)的作用下，在微觀上材料內(nèi)部會(huì)發(fā)生磁疇的轉(zhuǎn)動(dòng)和疇壁的移動(dòng)，宏觀上表現(xiàn)出材料表面周圍磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化[14-15].磁性無(wú)損檢測(cè)技術(shù)作為一種目前應(yīng)用于鐵磁材料最為廣泛的檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)測(cè)量鐵磁材料在外荷載和激勵(lì)磁場(chǎng)的共同作用下，內(nèi)部隱性損傷從萌生到不斷累積發(fā)展過(guò)程中由于其材料本身的物理和力學(xué)性能造成的材料表面磁信號(hào)的變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)其缺陷位置以及損傷狀態(tài)的評(píng)價(jià)[16].常用的無(wú)損檢測(cè)方法有磁聲發(fā)射法（MAE）、漏磁檢測(cè)法（MTL）、磁巴克豪森法（MBN）等[17-19].但是這些無(wú)損檢測(cè)方法必須在檢測(cè)對(duì)象的表面施加磁場(chǎng)激勵(lì)源，將被檢測(cè)對(duì)象磁化至磁飽和狀態(tài)，且只能檢測(cè)0.2 mm以上的宏觀缺陷[20]，因此，在實(shí)際工程應(yīng)用當(dāng)中具有很大的局限性.

1997年，金屬磁記憶檢測(cè)（Metal magnetic memory testing，簡(jiǎn)稱MMMT）技術(shù)由俄羅斯學(xué)者Dubov在第50屆國(guó)際焊接學(xué)術(shù)會(huì)議上首次公開(kāi)提出[21].該檢測(cè)技術(shù)不同于傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，無(wú)需外加激勵(lì)磁場(chǎng)，即在天然地磁場(chǎng)的激勵(lì)作用下，當(dāng)鐵磁材料承受工況荷載和地磁場(chǎng)的共同作用時(shí)，通過(guò)測(cè)量鐵磁材料表面的弱磁信號(hào)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鐵磁材料或構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力集中位置、早期損傷判別以及損傷程度評(píng)估，防止構(gòu)件發(fā)生突發(fā)性的脆性破壞.該檢測(cè)技術(shù)是迄今唯一能夠?qū)﹁F磁材料進(jìn)行早期隱性損傷判別的綠色無(wú)損檢測(cè)新方法[22-25]，自首次公開(kāi)提出以來(lái)，就受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注.然而，由于其發(fā)展時(shí)間短和影響檢測(cè)環(huán)境因素復(fù)雜，該項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)在機(jī)理研究和定量評(píng)估方面一直受限[26].近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了大量的理論分析、試驗(yàn)研究以及工程應(yīng)用，取得了豐碩的成果和長(zhǎng)足的進(jìn)展.本文概述了金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)近十余年的研究現(xiàn)狀，分析討論了該技術(shù)研究中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，包括磁記憶檢測(cè)技術(shù)的理論基礎(chǔ)，磁記憶檢測(cè)技術(shù)的研究新進(jìn)展，磁記憶檢測(cè)技術(shù)的損傷評(píng)判準(zhǔn)則以及影響磁記憶檢測(cè)信號(hào)的因素.在此基礎(chǔ)上，提出了磁記憶檢測(cè)技術(shù)目前亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題以及未來(lái)研究的發(fā)展方向.

1 金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)的理論基礎(chǔ)

金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)是一種涉及鐵磁學(xué)、力學(xué)以及物理學(xué)等多學(xué)科交叉融合的新興學(xué)科，其背后影響機(jī)制復(fù)雜，采集的磁信號(hào)相對(duì)較為弱小，長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)主要用于定性分析而很難準(zhǔn)確用于定量化研究，在科學(xué)研究和工程應(yīng)用方面十分受限.磁記憶檢測(cè)機(jī)理示意圖如圖1所示，在微觀上，鐵磁材料內(nèi)部是由許多個(gè)磁疇和磁疇壁組成，無(wú)外物理場(chǎng)作用下，鐵磁材料內(nèi)部的磁疇和磁疇壁處于無(wú)規(guī)律的自由狀態(tài)，宏觀上對(duì)外不顯磁性.當(dāng)鐵磁材料處于地磁場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的共同作下，由于力磁耦合效應(yīng)，微觀上材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生磁疇壁的轉(zhuǎn)動(dòng)和磁疇的定向移動(dòng)，宏觀上對(duì)外顯示磁性.目前，金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)經(jīng)典的理論基礎(chǔ)主要有3種，分別為：Jiles-Atherton磁機(jī)械效應(yīng)模型，能量守恒定律以及帶缺陷或應(yīng)力集中處的磁偶極子模型.

1.1 Jiles-Atherton磁機(jī)械效應(yīng)模型

圖1 金屬磁記憶檢測(cè)原理示意圖[26]Fig.1 Schematic of the principle of metal magnetic memory testing[26]

1984年，Jiles和Atherton提出了接近原理，認(rèn)為在應(yīng)力的作用下，鐵磁材料的剩余磁化狀態(tài)會(huì)不可逆地?zé)o限趨近于無(wú)滯后磁化狀態(tài)[27]，并基于有效場(chǎng)理論在彈性應(yīng)力狀態(tài)下建立了單向應(yīng)力作用時(shí)鐵磁材料的磁力學(xué)模型— —Jiles-Atherton理論模型[28].Jiles-Atherton理論模型作為眾多的磁機(jī)械效應(yīng)模型之一，因其基于一階微分方程、模型參數(shù)較少、物理意義明確以及方便使用等特點(diǎn)，被譽(yù)為經(jīng)典的磁力學(xué)理論模型.其表達(dá)式為

式中，Man為非滯后磁化強(qiáng)度，Ms為飽和磁化強(qiáng)度，a為有效場(chǎng)系數(shù)，Heff為有效場(chǎng)，包括環(huán)境磁場(chǎng)H，應(yīng)力有效場(chǎng)Hσ以及磁疇壁相互作用產(chǎn)生的有效場(chǎng)αMan，α為磁疇耦合系數(shù)，μ0為真空磁導(dǎo)率，為磁滯伸縮應(yīng)變的擬合系數(shù)，σ為材料所受應(yīng)力，E為材料彈性模量，ξ為與單位體積能量有關(guān)的系數(shù)，M為材料的磁化強(qiáng)度，c為初始磁化率與初始無(wú)滯后磁化率之間的比值.參考文獻(xiàn)[29]定義參數(shù)：Ms=1.6×106A·m-1；a=1000；α=0.001；μ0=4π×10-7H·m-1；γ1=7×10-18m2·A-2；=-1×10-25m2·Pa·A-2；γ2=-3.3×10-30m2·A-4；=2.1×10-38m4·Pa·A-4；E=2.02×10-25Pa；ξ=2000 Pa；c=0.1.

上式即為鐵磁構(gòu)件在恒定外磁場(chǎng)作用下的磁化強(qiáng)度M與外加應(yīng)力σ之間的變化關(guān)系，即鐵磁材料的力磁效應(yīng)理論模型.但是Jiles-Atherton磁機(jī)械效應(yīng)理論模型只能用于彈性變形狀態(tài)下材料在單向應(yīng)力作用時(shí)的力磁效應(yīng)關(guān)系，無(wú)法適用于較為復(fù)雜的多向受力狀態(tài)和彈塑性或塑性變形階段，且無(wú)法解釋材料處于拉壓應(yīng)力作用下磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線的非對(duì)稱磁化行為.

1.2 能量守恒定律

目前，金屬磁記憶檢測(cè)的微觀機(jī)理普遍認(rèn)為遵循鐵磁學(xué)理論的“能量最小學(xué)說(shuō)”.即鐵磁材料產(chǎn)生磁記憶效應(yīng)的根本原因在于材料受外應(yīng)力的作用時(shí)在其內(nèi)部產(chǎn)生很高的應(yīng)力能，為抵消產(chǎn)生的應(yīng)力能，材料的磁能相應(yīng)地發(fā)生變化，以使材料總的能量達(dá)到最小狀態(tài).當(dāng)鐵磁材料處于外部環(huán)境磁場(chǎng)且無(wú)施加外荷載作用時(shí)，微觀上鐵磁材料磁疇的矢量和為零，宏觀上對(duì)外不顯磁性.當(dāng)在鐵磁構(gòu)件上施加外荷載作用時(shí)，材料內(nèi)部磁疇組織發(fā)生定向的移動(dòng)和不可逆的重新取向，這種微觀變化可以用磁導(dǎo)率來(lái)表現(xiàn).

西安建筑科技大學(xué)的王社良教授等[30]和空軍工程大學(xué)的李龍軍等[31-32]利用能量守恒定律給出了鐵磁材料的磁導(dǎo)率和應(yīng)力之間的力-磁耦合本構(gòu)模型，基本理論如下：

式中，λσ為應(yīng)力為σ時(shí)材料的磁滯伸縮系數(shù).

根據(jù)電磁場(chǎng)理論

式中，ΔEu為磁能變化量；Bσ為外應(yīng)力作用下鐵磁材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度；B為無(wú)外應(yīng)力作用下鐵磁材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度；H為地磁場(chǎng)強(qiáng)度.

根據(jù)能量守恒定律，聯(lián)系式（2）和（3），則有

式中，B= μ0μH；Bσ= μ0μσH；其中 μ為材料未受力狀態(tài)下的初始磁導(dǎo)率，μσ為材料承受外加應(yīng)力為σ時(shí)的磁導(dǎo)率.

將B= μ0μH和Bσ= μ0μσH代入上式可得

根據(jù)胡克定律，實(shí)心鐵磁材料在彈性變形階段有

式中，δx，δy分別為鋼構(gòu)件單元的長(zhǎng)和寬.當(dāng)鐵磁材料達(dá)到磁飽和狀態(tài)時(shí)，B=Bσ=Bm，則式（6）可以表示為

式中，λm代表飽和磁滯伸縮系數(shù)，Bm為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度.

聯(lián)系式（5）～（7）則有

上式即為金屬磁記憶檢測(cè)的力-磁耦合數(shù)學(xué)模型，也稱能量守恒定律（Energy conservation model）.能量守恒定律已被多位學(xué)者用于金屬磁記憶檢測(cè)領(lǐng)域理論研究和定量化評(píng)估試驗(yàn)研究當(dāng)中[33-34]，Bm，λm，μ的取值與材料相關(guān).目前，該理論模型的應(yīng)用仍舊有一定的局限性，僅適用于材料或構(gòu)件處于彈性變形階段應(yīng)力與磁導(dǎo)率之間的關(guān)系.

1.3 缺陷和應(yīng)力集中處的磁偶極子模型

在地磁場(chǎng)和外加應(yīng)力的共同作用下，鐵磁體中缺陷位置表面會(huì)產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，通過(guò)檢測(cè)材料表面的漏磁場(chǎng)信號(hào)來(lái)評(píng)估缺陷或應(yīng)力集中狀態(tài)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)稱為漏磁檢測(cè).漏磁檢測(cè)一般檢測(cè)漏磁場(chǎng)位置處垂直于鐵磁材料表面的法向磁信號(hào)和平行于鐵磁材料表面的切向磁信號(hào)，以達(dá)到缺陷的定量化評(píng)判.目前，漏磁檢測(cè)的研究方法主要是磁偶極子法[35]和有限元方法[36].磁偶極子模型利用靜磁學(xué)理論能夠簡(jiǎn)單、方便、直觀地計(jì)算缺陷兩側(cè)的磁偶極子對(duì)空間當(dāng)中任意點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小，是成功解釋缺陷漏磁場(chǎng)的理論模型之一，能夠準(zhǔn)確地描述裂紋缺陷位置的磁記憶分布特征.

磁偶極子模型理論認(rèn)為鐵磁材料缺陷位置的漏磁場(chǎng)是由極性相反的磁偶極子產(chǎn)生，磁偶極子指的是鐵磁體在地磁場(chǎng)和外荷載共同作用下缺陷兩側(cè)出現(xiàn)的等量異種電荷的磁性體系.在缺陷位置處會(huì)出現(xiàn)磁力線的泄露，從缺陷一側(cè)位置到缺陷另一側(cè)位置處，形成一個(gè)極性相反磁性較小的磁極，可用等效偶極子模型進(jìn)行模擬.

圖2 磁偶極子模型示意圖Fig.2 Schematic of magnetic dipole model

圖2即為磁偶極子模型示意圖.假設(shè)磁荷面密度為ρms，矩形槽寬度為2b，深度為h，則槽壁上寬度為dy的面元在空間處任意一點(diǎn)p（xp,yp）處的磁場(chǎng)強(qiáng)度可以表示為：

空間處任意一點(diǎn)p處的磁場(chǎng)強(qiáng)度在x，y方向的場(chǎng)分量可表示為

對(duì)上式的磁場(chǎng)強(qiáng)度分量沿缺陷深度方向進(jìn)行數(shù)值積分并對(duì)積分后相應(yīng)方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行疊加則有

上述就是缺陷及應(yīng)力集中處的磁偶極子理論模型，通過(guò)對(duì)此數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值積分即可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域缺陷位置鐵磁材料表面漏磁場(chǎng)處法向磁信號(hào)和切向磁信號(hào)的定量化研究，是能夠成功定量化解釋缺陷漏磁場(chǎng)表面的漏磁場(chǎng)分布模型.但是磁偶極子模型也存在一些不足[38]：（1）無(wú)法定量磁荷密度的分布形式；（2）只適用于宏觀缺陷，不適用于位錯(cuò)、夾雜、滑移剪切帶等微觀隱性損傷；（3）無(wú)法考慮材料磁導(dǎo)率的非均勻性[39].

2 金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)的研究新進(jìn)展

磁記憶檢測(cè)技術(shù)作為一種新型的綠色無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，自提出以來(lái)就受到了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注.特別是近十來(lái)年，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)金屬磁記憶檢測(cè)領(lǐng)域進(jìn)行了大量的理論研究和試驗(yàn)研究，并將此新型檢測(cè)技術(shù)率先應(yīng)用在一些行業(yè)當(dāng)中，均取得了豐碩的研究成果.

2.1 理論研究

Jiles-Atherton磁力學(xué)理論模型因其具有一階微分方程、物理意義明確和穩(wěn)定方便等特點(diǎn)被譽(yù)為經(jīng)典的磁記憶理論模型.但是該模型也存在一些局限和不足，主要表現(xiàn)在：（1）只能用于單軸應(yīng)力狀態(tài)下材料處于彈性變形階段，不適用于多種復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下彈塑性或塑性階段的磁記憶檢測(cè)；（2）模型能夠非常成功的解釋磁記憶檢測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)的反轉(zhuǎn)和接近現(xiàn)象，但是從名義上無(wú)法定量解釋拉壓應(yīng)力下的非對(duì)稱磁行為.近十多年來(lái)，針對(duì)上述問(wèn)題，相關(guān)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究.李思岐等[40]針對(duì)焊縫缺陷磁記憶檢測(cè)過(guò)程中存在定量化反演的問(wèn)題，建立了基于改進(jìn)的支持向量回歸機(jī)定量反演模型.Wang等[41]提出的塑性變形會(huì)對(duì)有效場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)額外分量，推導(dǎo)出塑性應(yīng)變與非滯后磁化強(qiáng)度之間的簡(jiǎn)單線性關(guān)系.冷建成[42-43]基于Jiles-Atherton理論模型，考慮塑性變形階段位錯(cuò)對(duì)磁化的影響，建立磁化強(qiáng)度與塑性變形階段的關(guān)系模型，通過(guò)進(jìn)行光滑退磁板件的靜載拉伸試驗(yàn)，驗(yàn)證了改進(jìn)模型的正確性.并基于改進(jìn)的理論模型，提出了一種新的彈塑性區(qū)早期診斷方法，擴(kuò)展和豐富了磁記憶效應(yīng)的研究?jī)?nèi)容.并且引入拉壓應(yīng)力所產(chǎn)生的不同應(yīng)力退磁項(xiàng)，對(duì)Jiles-Atherton理論模型進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn).研究表明：模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，能夠用于拉壓應(yīng)力不同狀態(tài)下力磁機(jī)理的理論解釋.李建偉[44]從考慮塑性變形對(duì)有效場(chǎng)和模型參數(shù)兩方面出發(fā)，進(jìn)行了塑性變形下磁化模型的構(gòu)建，并進(jìn)行不同材質(zhì)鋼板件的拉伸試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果具有非常契合的吻合性，進(jìn)一步驗(yàn)證了改進(jìn)模型的正確性.Xu等[45]在Jiles-Atherton理論模型的基礎(chǔ)上分析了圓棒鐵磁體的彎曲試驗(yàn).Li[46-47]在現(xiàn)有的Jiles-Atherton模型的基礎(chǔ)上綜合考慮應(yīng)力退磁項(xiàng)，釘扎系數(shù)，磁疇耦合系數(shù)以及飽和磁滯伸縮系數(shù)，提出改進(jìn)的Jiles-Atherton理論模型，該模型能夠很好的解釋拉壓應(yīng)力作用下的非對(duì)稱磁化行為.值得注意到的是，Shi等[48]基于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律，考慮溫度、應(yīng)力和環(huán)境磁場(chǎng)的共同影響，率先提出了一種熱磁彈塑性非線性磁記憶檢測(cè)理論模型，通過(guò)與現(xiàn)有的磁記憶檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，研究表明提出的熱磁彈塑性非線性磁記憶檢測(cè)理論模型具有很好的相關(guān)性，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)多物理場(chǎng)作用下磁記憶信號(hào)的變化規(guī)律，如圖3所示.

在磁力學(xué)耦合數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建與優(yōu)化方面，Shi等[49-50]基于熱力學(xué)關(guān)系和不可逆磁化強(qiáng)度的接近原理，提出了一種適用于恒定弱磁場(chǎng)下鐵磁材料的非線性磁力學(xué)耦合模型.經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比試驗(yàn)研究，提出的非線性磁力學(xué)模型與試驗(yàn)結(jié)果有著很高的契合度.并與前人提出的較好的理論模型進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)提出的理論模型在定量研究力-磁耦合機(jī)制方面有著很大的提高，研究表明，該磁力學(xué)模型能夠解釋多個(gè)因素（荷載等級(jí)、缺陷程度大小、結(jié)構(gòu)尺寸以及提離值大?。?duì)于含單個(gè)孔洞的鐵磁構(gòu)件的磁記憶信號(hào)的變化規(guī)律.提出的磁力學(xué)模型能夠準(zhǔn)確描述鐵磁構(gòu)件表面磁記憶信號(hào)與缺陷大小以及應(yīng)力集中程度之間的關(guān)系，該理論模型的構(gòu)建對(duì)磁記憶檢測(cè)技術(shù)定量化研究和實(shí)際工程應(yīng)用研究奠定了很好的理論基礎(chǔ).

圖3 不同溫度和拉伸載荷下信號(hào)特征值模型的理論預(yù)測(cè)[48].（a）彈性狀態(tài)下法向磁信號(hào)平均值，；（b）彈性狀態(tài)下切向磁信號(hào)的斜率值，k(x)；（c）塑性狀態(tài)下法向磁信號(hào)平均值，；（d）塑性狀態(tài)下切向磁信號(hào)的斜率值，k(x)Fig.3 Theoretical prediction of signal eigenvalue model under different temperatures and tensile loads[48]: (a) average of normal magnetic signals in elastic state; (b) slope value of tangential magnetic signal in elastic state; (c) average of normal magnetic signals in plastic state; (d) slope value of tangential magnetic signal in plastic state

在漏磁檢測(cè)方面，缺陷形狀將直接影響漏磁檢測(cè)信號(hào)，目前，磁偶極子模型檢測(cè)當(dāng)中常將缺陷簡(jiǎn)化成為矩形或者環(huán)形，無(wú)法對(duì)其他特殊的缺陷形貌進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于此類問(wèn)題，時(shí)朋朋[40]以磁偶極子模型為理論基礎(chǔ)，針對(duì)4種不同端面形狀（矩形、V形、梯形和組合形）的凹槽缺陷，給出了每種凹槽缺陷所對(duì)應(yīng)的帶缺陷漏磁場(chǎng)信號(hào)的解析表達(dá)式，得到的矩形缺陷解析表達(dá)式與現(xiàn)有文獻(xiàn)一致，首次提出梯形和組合形凹槽缺陷的漏磁場(chǎng)解析表達(dá)式，提出的V形缺陷漏磁場(chǎng)解析表達(dá)式糾正了無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域?qū)Ｖ鳾39]中基本公式的錯(cuò)誤，通過(guò)對(duì)解析解和數(shù)值積分解進(jìn)行對(duì)比，證實(shí)了給出的不同凹槽缺陷解析表達(dá)式的正確性.不同于傳統(tǒng)的漏磁檢測(cè)方法，Shi和Zheng[51]將體積磁荷密度作為一種重要的變量并且考慮缺陷寬度對(duì)磁記憶信號(hào)的影響，提出了一種適用于三維缺陷的磁記憶信號(hào)定量化分析的磁荷模型，數(shù)值模擬曲線如圖4所示.將提出的磁荷模型進(jìn)行數(shù)值模擬并與前期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，研究表明提出的定量化分析磁記憶信號(hào)的磁荷模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一定的相似性.這些理論模型的提出和改進(jìn)都為磁記憶檢測(cè)技術(shù)定量化研究和實(shí)際工程應(yīng)用奠定了很好的基礎(chǔ).

2.2 試驗(yàn)研究

2.2.1 磁記憶檢測(cè)技術(shù)在建筑鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的試驗(yàn)研究

近年來(lái)，越來(lái)越多的大跨空間鋼結(jié)構(gòu)、高層空間鋼結(jié)構(gòu)、大型廠房鋼結(jié)構(gòu)等一大批鋼結(jié)構(gòu)建筑相繼落成并投入使用，這些重大工程早期損傷的健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)定技術(shù)正成為土木工程領(lǐng)域所面臨的瓶頸問(wèn)題.

圖4 理論模型預(yù)測(cè)不同因素對(duì)磁記憶信號(hào)法向分量的影響[51].（a）缺陷長(zhǎng)度；（b）缺陷寬度；（c）缺陷深度；（d）檢測(cè)提離值Fig.4 Influence of different factors on the normal components of magnetic memory signals[51]: (a) length of defects; (b) defect width; (c) defect depth;(d) lift-off value

圖5 Q345B建筑鋼板件拉伸斷裂后形貌圖[25].（a）缺口試件；（b）光滑試件Fig.5 Morphologies of structural steel sheet after tensile fracture[25]:(a) notched specimen; (b) smooth specimen

金屬磁記憶無(wú)損檢測(cè)技術(shù)作為目前唯一能夠?qū)﹁F磁材料進(jìn)行早期損傷探測(cè)的綠色檢測(cè)技術(shù)，將此應(yīng)用于建筑鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的危險(xiǎn)預(yù)警和健康監(jiān)測(cè)當(dāng)中，將會(huì)對(duì)國(guó)家和人民具有重大的實(shí)際意義.為此，西安建筑科技大學(xué)的蘇三慶、王威教授團(tuán)隊(duì)對(duì)此做了大量的工作.文獻(xiàn)[12，24]選用典型建筑用鋼Q235鋼為研究對(duì)象，對(duì)Q235鋼試件進(jìn)行靜載拉伸試驗(yàn)，證實(shí)磁記憶檢測(cè)方法是應(yīng)用于建筑鋼結(jié)構(gòu)早期損傷檢測(cè)的一種行之有效的方法.利用建筑鋼材Q235鋼對(duì)接焊縫試件為研究對(duì)象，對(duì)無(wú)缺陷焊縫試件和有缺陷焊縫試件均施加拉伸及彎曲荷載，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)漏磁場(chǎng)峰值處梯度信號(hào)ΔHP的迅猛增強(qiáng)時(shí)刻為焊縫構(gòu)件即將破壞的依據(jù).文獻(xiàn)[25]對(duì)建筑鋼Q345B小孔缺陷試件和無(wú)缺陷試件施加軸向拉伸荷載，試件斷裂后形貌圖如圖5所示，發(fā)現(xiàn)法向磁場(chǎng)強(qiáng)度可用來(lái)對(duì)試件的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行定位.文獻(xiàn)[52-55]對(duì)無(wú)缺陷鋼板件進(jìn)行靜載拉伸試驗(yàn)，建立了磁場(chǎng)梯度指數(shù) ε和應(yīng)力σ的量化關(guān)系，提出磁場(chǎng)梯度指數(shù) ε可以表征構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài).并分析了鋼板件在三點(diǎn)受彎狀態(tài)下的磁記憶信號(hào)曲線，研究發(fā)現(xiàn)，在初始梯度曲線中出現(xiàn)具有最大幅值的畸變位置能夠用來(lái)準(zhǔn)確地判別初始缺陷的位置.對(duì)比了光滑鋼板試件和人工預(yù)制淺槽缺陷鋼板試件在靜載拉伸荷載下的磁信號(hào)變化規(guī)律，分析了磁信號(hào)變化量K′隨著應(yīng)力σ的變化特征，提出將磁信號(hào)特征參量K′作為評(píng)判構(gòu)件是否進(jìn)入塑性階段的依據(jù).并且采用了ANSYS有限元分析軟件，進(jìn)行地磁場(chǎng)下拉伸荷載的力磁效應(yīng)二維模擬，研究了Q345建筑用鋼早期損傷和金屬磁記憶信號(hào)的相關(guān)關(guān)系，得到人工淺槽缺陷試件在不同荷載下法向分量與梯度值的變化規(guī)律，并將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，證實(shí)了模擬結(jié)果的可行性和可靠性.文獻(xiàn)[13, 56]從應(yīng)變和磁疇反轉(zhuǎn)的角度入手，通過(guò)對(duì)Q235鋼梁四點(diǎn)受彎試驗(yàn)中應(yīng)變與磁信號(hào)的變化曲線分析，提出了應(yīng)變與磁信號(hào)之間具有一定的相關(guān)關(guān)系.建立了磁信號(hào)平均值與應(yīng)力之間的關(guān)系，定量化地研究了磁記憶信號(hào)表征鐵磁構(gòu)件的損傷程度.目前，現(xiàn)有的磁記憶試驗(yàn)研究主要集中于鋼構(gòu)件的單軸拉伸，對(duì)鋼構(gòu)件的受彎研究卻很少.而鋼結(jié)構(gòu)中梁板等主要構(gòu)件的受力均是以受彎和受剪為主，因此，研究構(gòu)件在受彎、受剪狀態(tài)下的磁信號(hào)變化規(guī)律，是將磁記憶檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)必不可少的過(guò)程.

2.2.2 磁記憶檢測(cè)技術(shù)在鋼絲繩領(lǐng)域的試驗(yàn)研究

鋼絲繩作為一種柔性承載構(gòu)件，由多根鋼絲捻制而成，其承載強(qiáng)度高，過(guò)載及變形能力強(qiáng)，自重輕，工作狀態(tài)下噪聲小，被廣泛應(yīng)用于煤礦、冶金、建筑、石油等領(lǐng)域.同時(shí)，鋼絲繩在長(zhǎng)期的工作下還面臨著磨損、斷絲、銹蝕等損害情況，因此，對(duì)鋼絲繩的檢測(cè)技術(shù)的研究勢(shì)在必行.文獻(xiàn)[57]研究了帶缺陷鋼絲繩單根鋼絲受拉破壞時(shí)的磁記憶信號(hào)變化規(guī)律全過(guò)程，由于鋼絲加載方向和放置方向均為豎向，這就不同于水平放置的鐵磁材料在地磁場(chǎng)作用下的力磁規(guī)律，不僅將磁記憶檢測(cè)技術(shù)引入到鋼絲繩領(lǐng)域，更有利于研究復(fù)雜力磁環(huán)境下的磁信號(hào)規(guī)律.文獻(xiàn)[23]同樣以鋼絲繩帶缺陷的單根鋼絲為試驗(yàn)研究對(duì)象，提出可將波峰波谷差值曲線作為磁記憶檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于鋼絲的判別手段.文獻(xiàn)[58]利用ANSYS有限元模擬軟件，對(duì)具有預(yù)制缺陷的50Mn鋼絲繩分別進(jìn)行靜力場(chǎng)計(jì)算和受環(huán)境磁場(chǎng)及自身剩磁場(chǎng)共同作用下的三維靜磁場(chǎng)磁標(biāo)量計(jì)算，并對(duì)其進(jìn)行力-磁耦合分析，將試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步證明了金屬磁記憶信號(hào)與有缺陷鋼絲繩早期損傷的內(nèi)在聯(lián)系規(guī)律.Su等[59]基于傳統(tǒng)的磁荷模型和Jiles提出的力-磁本構(gòu)模型，提出了一種新的應(yīng)力依賴性磁荷模型用來(lái)計(jì)算鋼絲繩表面微缺陷處的磁記憶信號(hào).通過(guò)對(duì)不同預(yù)制缺陷的單根鋼絲繩進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)研究分析，如圖6所示，表明提出的該應(yīng)力依賴性磁荷模型不僅能夠很好地反應(yīng)鋼絲繩表面缺陷周圍法向磁記憶信號(hào)Hy的變化規(guī)律，而且也可用于鋼絲繩表面磁記憶信號(hào)的數(shù)值分析.

圖6 鋼絲繩單根鋼絲的磁記憶檢測(cè)[59]Fig.6 Magnetic memory detection of single wire rope[59]

2.2.3 磁記憶檢測(cè)技術(shù)在高速鐵路領(lǐng)域的試驗(yàn)研究

高速鐵路是現(xiàn)代化的標(biāo)志，在國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到了關(guān)鍵作用.高速列車車輪對(duì)在開(kāi)行中承受著越來(lái)越大的動(dòng)荷載、靜荷載、組裝應(yīng)力.在車輪踏面、輪輞、輪輻及輻板孔附近容易出現(xiàn)局部應(yīng)力集中和疲勞裂紋萌生，造成輪軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能惡化，出現(xiàn)劇烈的振動(dòng)、噪音.嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致車輪破碎，造成重大的安全事故.因此，檢測(cè)高速列車輪對(duì)和輪軌的異常應(yīng)力集中，預(yù)報(bào)輪對(duì)早期故障具有重要的實(shí)際意義.為此，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院的范振中[60]對(duì)高鐵中的常用材料U71Mn鋼進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，根據(jù)小波包不同空間能量譜中能量的大小及分布判斷試件的應(yīng)力集中部位及應(yīng)力集中程度.江蘇大學(xué)的張軍等[61]通過(guò)自適應(yīng)閾值消噪提高磁記憶的信噪比，提出新的法向分量相軌跡方法半定量評(píng)估高鐵輪對(duì)的無(wú)應(yīng)力集中、彈性形變、塑性形變、斷裂狀態(tài).最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性和可行性.南京航空航天大學(xué)劉瑞等[62]研究設(shè)計(jì)一種帶有兩種檢測(cè)模式的磁記憶檢測(cè)系統(tǒng)，分析研究了兩種檢測(cè)方法的臨界使用條件，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)，動(dòng)態(tài)測(cè)量.

2.2.4 磁記憶檢測(cè)技術(shù)在壓力容器及壓力管道方面的試驗(yàn)研究

壓力容器的運(yùn)行環(huán)境和使用材料具有高溫高壓、易燃易爆的特性，因此加強(qiáng)對(duì)壓力容器的無(wú)損檢測(cè)也就變得尤為重要[63].安徽省特種設(shè)備檢測(cè)院的張俊斌[64]針對(duì)預(yù)制帶有焊接缺陷管道進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)信號(hào)采用向量疊加方法進(jìn)行處理，進(jìn)一步得到裂紋缺陷信號(hào)特征，達(dá)到定量定性檢測(cè)壓力管道焊縫裂紋缺陷目的.Shen等[65]針對(duì)具有焊接傷痕的壓力容器進(jìn)行了金屬磁記憶技術(shù)的檢測(cè)研究.Liu等[66]將金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于油井套管領(lǐng)域，驗(yàn)證了磁記憶檢測(cè)技術(shù)能夠有效地判別油井套管的應(yīng)力集中區(qū)域.Gong等[67]對(duì)石油管道裂縫進(jìn)行了磁記憶檢測(cè)定量研究，提出采用回歸分析模型來(lái)預(yù)測(cè)管道表面裂縫的長(zhǎng)度、寬度和深度，為金屬磁記憶技術(shù)應(yīng)用于管道裂縫的預(yù)測(cè)提供了一種有效的方法.

2.3 工程應(yīng)用

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已在諸多工程領(lǐng)域開(kāi)展了金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用研究.在國(guó)外，俄羅斯學(xué)者Dubov等率先將金屬磁記憶技術(shù)應(yīng)用于熱水鍋爐[68]、發(fā)電機(jī)護(hù)環(huán)[69]等工程領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)；波蘭學(xué)者Roskose等[70]將磁記憶技術(shù)應(yīng)用到動(dòng)力設(shè)備和機(jī)械設(shè)備的檢測(cè).

在國(guó)內(nèi)，磁記憶檢測(cè)技術(shù)已應(yīng)用于電力（如汽輪機(jī)葉片[71]，火力發(fā)電機(jī)組[72]）、管道（如蒸汽發(fā)生器管道[73]、輸油管道[74]）、鐵路（如無(wú)縫鋼軌[75]）、壓力容器（如天然氣儲(chǔ)氣瓶[76]）、機(jī)械（如起重機(jī)軌道[77]）、石油（如井下套管[78]、鋼絲繩[79]）、汽車（如汽車曲軸連桿軸頸[80]）等各行業(yè).

3 磁記憶檢測(cè)技術(shù)的損傷評(píng)判

3.1 應(yīng)力集中

圖7 鐵磁構(gòu)件磁信號(hào)隨缺陷寬度b變化規(guī)律（缺陷深度h=1 mm）.（a）法向分量；（b）切向分量Fig.7 Variation in magnetic signal of ferromagnetic component with defect width b (defect depth h = 1 mm): (a) normal component; (b) tangential component

金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)主要用來(lái)診斷應(yīng)力集中發(fā)生的位置.磁偶極子模型理論認(rèn)為，在漏磁場(chǎng)處法向磁記憶信號(hào)過(guò)零點(diǎn)，切向磁記憶信號(hào)具有極值現(xiàn)象，可以準(zhǔn)確定位缺陷或應(yīng)力集中位置[81].如圖7所示，對(duì)以寬度變化為參變量的缺陷，可以利用切向分量極值大小來(lái)反應(yīng)缺陷深度變化規(guī)律；對(duì)以深度變化為參變量的缺陷可以用法向分量的峰谷差值和切向分量的峰值大小來(lái)定位缺陷深度.張靜和周克印[82]，任吉林等[83]，和戴光等[84]的試驗(yàn)結(jié)果均表明磁記憶信號(hào)與鐵磁構(gòu)件的損傷有著明顯的關(guān)系，可以用來(lái)檢測(cè)鐵磁材料的隱性損傷.但是，并不是在所有的應(yīng)力集中位置磁記憶信號(hào)的法向分量都過(guò)零點(diǎn).因此，僅僅考慮法向磁信號(hào)過(guò)零點(diǎn)來(lái)診斷應(yīng)力集中位置是不完全準(zhǔn)確的[85-86]，尤其是在在線加載試驗(yàn)研究當(dāng)中[87].針對(duì)此類問(wèn)題，相關(guān)學(xué)者提出利用磁記憶信號(hào)評(píng)判應(yīng)力集中位置的新方法.陳星等[88]認(rèn)為法向磁信號(hào)曲線的最大值位置范圍即為應(yīng)力集中位置.張軍與王彪[89]認(rèn)為綜合磁信號(hào)梯度值和峰-峰值可以用來(lái)確定應(yīng)力集中區(qū)域.陳海龍等[90]認(rèn)為通過(guò)分析磁信號(hào)梯度張量模量和局部磁信號(hào)梯度波數(shù)分布特征可以確定材料應(yīng)力集中位置.

3.2 應(yīng)力狀態(tài)

目前的研究表明，鐵磁材料表面的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度可以用來(lái)表征應(yīng)力狀態(tài).Su等[91]通過(guò)對(duì)Q345鋼制成的有缺陷對(duì)接焊縫試件和無(wú)缺陷對(duì)接焊縫試件進(jìn)行單軸拉伸和三點(diǎn)受彎磁記憶檢測(cè)試驗(yàn)，研究表明，（1）在拉伸試驗(yàn)中，屈服階段可由磁信號(hào)曲線形狀（特征）進(jìn)行判別；（2）在三點(diǎn)受彎試驗(yàn)中磁信號(hào)曲線發(fā)生反轉(zhuǎn)現(xiàn)象能夠成為評(píng)判試件是否失效的標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)光滑試件進(jìn)行退火或退磁作用后，材料表面的法向磁記憶信號(hào)沿著檢測(cè)線呈線性分布，其斜率的變化可以被用來(lái)評(píng)判材料所處的應(yīng)力狀態(tài)[92-93].Dong 等[94]，王丹等[95]，Guo 等[96]和Bao等[97-99]的試驗(yàn)結(jié)果也表明法向磁信號(hào)曲線的斜率在彈性階段隨著外加應(yīng)力的增大而線性增大，在接近屈服極限狀態(tài)時(shí)達(dá)到最大值，在塑性階段斜率下降.然而，與前述研究結(jié)果不同的是，Shi等[100]的研究表明，在材料進(jìn)入塑性階段，法向磁場(chǎng)曲線的斜率仍舊隨之增加.這些研究都聚焦于磁記憶信號(hào)的法向分量，究竟磁記憶信號(hào)的哪一法向的分量與施加的外應(yīng)力有著更加密切的相關(guān)性，對(duì)于這一問(wèn)題仍舊沒(méi)有清晰的結(jié)論.Roskoze與Gawrilenko[101]對(duì)鐵磁材料表面3種不同的剩磁場(chǎng)信號(hào)分量（垂直于加載方向的磁信號(hào)切向分量Hx1，平行于加載方向的磁信號(hào)切向分量Hx2以及法向磁信號(hào)分量Hy）進(jìn)行測(cè)量，研究表明，相比其他2種磁信號(hào)分量，平行于加載方向的切向磁信號(hào)與材料所處的應(yīng)力水平有著很好的相關(guān)性，其研究結(jié)果與Wilson等[102]的研究結(jié)果一致.此外，Roskoze等[103-105]提出，無(wú)論是在定性分析還是定量分析上，殘余應(yīng)力磁場(chǎng)梯度值和分布都與殘余應(yīng)力有著很好的相關(guān)性.

3.3 損傷評(píng)判參數(shù)

近年來(lái)，針對(duì)金屬磁記憶檢測(cè)的損傷評(píng)判參數(shù)有著大量的研究.胡先龍與池永濱[106]和Dong等[107]研究發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)梯度K隨著應(yīng)力集中因子的增大而增大，磁場(chǎng)強(qiáng)度K能夠用來(lái)表征鐵磁材料表面的應(yīng)力集中程度.Huang等[108]提出法向磁信號(hào)梯度最大值Kmax與平均磁信號(hào)梯度值Kstd的比值可用來(lái)定量描述應(yīng)力集中程度.王威等[109]基于金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)對(duì)波紋直腹板橋鋼箱梁進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，研究分析中引入磁信號(hào)特征參數(shù)Kh（磁信號(hào)沿梁高方向自上而下的變化率），建立磁信號(hào)特征參數(shù)（磁信號(hào)平均變化率），通過(guò)建立（P為箱梁承受的集中荷載）之間的函數(shù)關(guān)系式來(lái)定量描述鋼箱梁腹板磁信號(hào)與荷載之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系.Bao等[110]提出磁記憶檢測(cè)新的損傷評(píng)判參數(shù)——磁集中因子αm，所謂磁集中因子指的是缺陷附近的磁異常梯度值與遠(yuǎn)離缺陷的磁場(chǎng)梯度值的比值.磁集中因子αm有著很好的數(shù)值穩(wěn)定性并且與應(yīng)力集中因子數(shù)學(xué)關(guān)系密切.無(wú)需確定鐵磁構(gòu)件所處的特殊受力狀態(tài)，磁集中因子就可以用來(lái)表征應(yīng)力集中狀態(tài).Yao等[111]提出可利用局部磁信號(hào)的法向梯度曲線波峰-波谷幅值s(y)p-v、波谷-波谷水平距離w(y)v-v、切向梯度曲線波峰-波峰幅值s(x)p-p、波峰-波峰水平距離w(y)p-p用來(lái)表征塑性變形程度和塑性區(qū)作用范圍.這一點(diǎn)也被蘇三慶與王威[112]在鋼絲繩磁記憶檢測(cè)研究當(dāng)中證實(shí).邢海燕等[113-115]對(duì)損傷評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行了大量的研究，提出可以利用法向梯度極限狀態(tài)系數(shù)m=Kmax/Kstd、正交矢量合成梯度比即焊縫損傷位置應(yīng)力集中程度與整體平均應(yīng)力集中程度的比值Kr和對(duì)應(yīng)不同損傷等級(jí)的信息熵實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件損傷等級(jí)的磁記憶定量評(píng)估.

可以看出，上述磁記憶損傷評(píng)判參數(shù)只是提取了磁信號(hào)的某些特征，用來(lái)評(píng)判材料損傷程度方面仍舊具有局限性.磁記憶損傷評(píng)判定量化參數(shù)仍需進(jìn)一步更為深入的研究.

4 影響磁記憶檢測(cè)信號(hào)的因素分析

金屬磁記憶檢測(cè)是一種地磁場(chǎng)作用下的微磁檢測(cè)方法，磁記憶信號(hào)是鐵磁材料在應(yīng)力和天然地磁場(chǎng)作用下所產(chǎn)生的弱磁信號(hào)，極容易受到外界環(huán)境因素和人為因素等諸多因素的影響.磁信號(hào)的準(zhǔn)確提取是磁記憶檢測(cè)技術(shù)定量化檢測(cè)的關(guān)鍵問(wèn)題.近年來(lái)，眾多學(xué)者對(duì)影響磁記憶信號(hào)的影響因素進(jìn)行了深入的研究分析，主要可以分為主觀可控因素和客觀不可控因素兩大類.

4.1 主觀可控因素

加載類型是影響磁記憶信號(hào)的一種因素.針對(duì)此問(wèn)題，Li等[116-117]和邢海燕等[118]做了一系列試驗(yàn)來(lái)觀察不同類型荷載作用（靜載拉伸試驗(yàn)、旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)和三點(diǎn)受彎試驗(yàn)）鐵磁材料表面磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化情況，研究結(jié)果表明不同類型荷載作用下磁信號(hào)也會(huì)隨之不同.在研究在線測(cè)量和離線測(cè)量對(duì)磁信號(hào)的影響方面，Jian等[119]做了一系列的拉伸試驗(yàn)，其研究結(jié)果表明在線測(cè)量時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度和拉伸應(yīng)力之間沒(méi)有明顯的關(guān)聯(lián).然而，如果將試件從測(cè)試機(jī)上取下進(jìn)行離線測(cè)量，測(cè)量的磁場(chǎng)梯度會(huì)隨著之前最大應(yīng)力線性增大.任吉林等[120]和尹大偉等[87]的研究結(jié)果也表明離線測(cè)量比在線測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果更好.磁記憶檢測(cè)探頭提離值的大小也是影響磁記憶信號(hào)的另一種關(guān)鍵因素.于鳳云等[121]的研究發(fā)現(xiàn)磁記憶檢測(cè)提離值的大小能夠影響磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)梯度值，但是磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線的峰值位置沒(méi)有改變，這一點(diǎn)也被Shi等[50]和Yao等[111]的數(shù)值研究所證實(shí).針對(duì)磁記憶信號(hào)是否會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而改變這一問(wèn)題，梁志芳等[122]對(duì)焊接裂紋的時(shí)間有效性進(jìn)行研究，認(rèn)為當(dāng)檢測(cè)環(huán)境溫度低于100 ℃時(shí)，被測(cè)構(gòu)件磁記憶檢測(cè)結(jié)果不隨時(shí)間的延長(zhǎng)而改變.于風(fēng)云[123]認(rèn)為無(wú)論是從磁場(chǎng)強(qiáng)度分布規(guī)律還是數(shù)值方面，檢測(cè)時(shí)間對(duì)塑性變形階段殘余磁感應(yīng)強(qiáng)度沒(méi)有影響.因此在定性研究方面，可不考慮時(shí)間效應(yīng)對(duì)磁信號(hào)的影響.

4.2 客觀不可控因素

材料的初始?xì)堄酄顟B(tài)是影響磁記憶檢測(cè)信號(hào)的一個(gè)關(guān)鍵因素.鐵磁構(gòu)件在加工和運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷多道工序，如切割，磨削和吊裝等.在這些過(guò)程中會(huì)不可避免地引入不同的力、熱、磁等因素，這些因素會(huì)直接或間接影響鐵磁構(gòu)件的初始磁特性，影響磁記憶檢測(cè)的結(jié)果.董麗虹等[124]研究了鐵磁構(gòu)件在加工過(guò)程中各工序?qū)ζ浔砻娲庞洃浶盘?hào)的影響，認(rèn)為各工序引入不同的外荷載，導(dǎo)致磁記憶信號(hào)呈無(wú)規(guī)律雜亂分布.磨削工序引入外加激勵(lì)磁場(chǎng)，使其產(chǎn)生強(qiáng)烈的初始磁信號(hào)，干擾鐵磁材料在變形和破壞過(guò)程中自發(fā)生成的弱磁信號(hào).Leng等[125]對(duì)退磁試件和未退磁試件進(jìn)行磁記憶檢測(cè)研究，研究發(fā)現(xiàn)退磁試件在產(chǎn)生局部損失時(shí)磁信號(hào)曲線出現(xiàn)明顯的畸變特征，而退磁試件在產(chǎn)生較大塑性變形時(shí)也未出現(xiàn)明顯的畸變特征，這說(shuō)明初始磁場(chǎng)對(duì)磁信號(hào)變化規(guī)律有著較大影響.外部環(huán)境因素也是影響磁記憶檢測(cè)信號(hào)的一個(gè)關(guān)鍵因素.Hu等[126]認(rèn)為，當(dāng)環(huán)境磁場(chǎng)足夠大時(shí)，環(huán)境磁場(chǎng)對(duì)磁記憶檢測(cè)信號(hào)的激勵(lì)作用大于應(yīng)力對(duì)其激勵(lì)作用，合適的環(huán)境磁場(chǎng)將放大應(yīng)力集中產(chǎn)生的磁信號(hào).Huang與Qian[127]提出了鐵磁材料外加應(yīng)力、溫度和自發(fā)磁信號(hào)之間的定量關(guān)系式，認(rèn)為磁信號(hào)的平均值與溫度值呈反比關(guān)系.劉琳等[128]認(rèn)為，當(dāng)環(huán)境磁場(chǎng)較強(qiáng)時(shí)，磁記憶信號(hào)受其影響較大.當(dāng)環(huán)境磁場(chǎng)較弱時(shí)，可以忽略環(huán)境磁場(chǎng)對(duì)磁信號(hào)的影響.因此，在工程實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于不同的測(cè)試環(huán)境，應(yīng)當(dāng)考慮環(huán)境磁場(chǎng)對(duì)磁信號(hào)特征的影響.

5 結(jié)論與展望

金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)作為一種新興的綠色無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，因其操作簡(jiǎn)單快捷，無(wú)需人工磁化，能夠進(jìn)行隱性損傷探測(cè)等優(yōu)勢(shì)，在近十余年中取得了豐碩的研究成果.本文概述了過(guò)去十余年金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)的研究新進(jìn)展，包括磁記憶檢測(cè)技術(shù)的理論基礎(chǔ)，總結(jié)了磁記憶檢測(cè)技術(shù)理論研究新進(jìn)展、試驗(yàn)研究新進(jìn)展以及工程應(yīng)用新進(jìn)展，探討了磁記憶檢測(cè)技術(shù)的損傷評(píng)判準(zhǔn)則，分析了影響磁記憶檢測(cè)信號(hào)的因素等方面.但是，磁記憶檢測(cè)技術(shù)作為一門新興的交叉學(xué)科，仍舊有一些問(wèn)題有待解決.

（1）金屬磁記憶檢測(cè)在彈塑性及塑性階段的理論機(jī)理有待進(jìn)一步研究.目前，金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)的力磁耦合模型基本上僅適用于單軸拉伸應(yīng)力狀態(tài)下彈性變形階段，很難解釋復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下彈塑性或塑性變形對(duì)材料磁特性的影響.而結(jié)構(gòu)發(fā)生失效往往處于彈塑性或塑性變形階段，磁記憶檢測(cè)技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于破壞預(yù)警評(píng)估.因此，彈塑性和塑性變形階段力磁耦合理論模型的構(gòu)建是磁記憶檢測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題.

（2）金屬磁記憶檢測(cè)試驗(yàn)研究目前主要集中在不同材料的靜載拉伸和疲勞荷載，受載形式比較單一.而橋梁鋼結(jié)構(gòu)中的梁、板會(huì)受到彎矩、剪力和軸力的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)，顯然，要將磁記憶檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于橋梁鋼結(jié)構(gòu)當(dāng)中，必須進(jìn)行彎剪復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下的磁記憶檢測(cè)研究.

（3）金屬磁記憶檢測(cè)信號(hào)的準(zhǔn)確性和影響因素有待完善.磁記憶檢測(cè)技術(shù)的損傷評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)就是磁信號(hào)以及特征值的變化規(guī)律，因此，磁信號(hào)的準(zhǔn)確性是磁記憶檢測(cè)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題.而磁信號(hào)又是一種弱磁信號(hào)，受外界環(huán)境因素和人為因素干預(yù)影響較大，因此需要逐一明確磁信號(hào)的干擾因素以及影響程度，以確保提取的檢測(cè)信號(hào)的準(zhǔn)確性.