磁记忆检测

• 既然磁致伸缩是由于材料内部磁化状态的 改变而引起的长度变化， 那么反过来，如 果对材料施加一个压力或张力（拉力）， 使材料的长度发生变化的话，则材料内部 的磁化状态亦随之变化。这是磁致伸缩的 逆效应，通常称为压磁效应。从实验结果 得知，磁致伸缩引起的长度变化Δl＝l-l0是 很小的，l和lo 分别表示磁场为零和不为零 时材料的长度，通常用长度的相对变化：
磁致伸缩系数
• 从实验结果得知，磁致伸缩引起的长度变 化Δl＝l-l0是很小的，l和lo 分别表示磁场为 零和不为零时材料的长度，通常用长度的 相对变化来表示磁致伸缩的大小。
磁弹性效应
• 当弹性应力作用于铁磁体时，铁磁体不但产生弹 性应变，还会产生磁致伸缩性质的应变，通常把 这种现象称为磁弹性效应或力致伸缩。产生磁弹 性效应是由于铁磁体内的磁畴结构与其应力状态 有密切关系。在应力作用下，畴壁将改变其位置， 同时， 自发磁化也将改变其方向。 • 当磁致伸缩系数λ为正时，畴壁趋向平行于张力的 方向，而当λ为负时， 则趋向垂直于张力的方向。
磁记忆无损检测的特点
• 上世纪九十年代后期，以杜波夫为代表的俄罗斯 学者率先提出了一种崭新的金属无损诊断方法-------金属磁记忆检测技术。该方法的原理是基于铁 磁性工件在运行时，受工作载荷和地球磁场的共 同作用，在应力和变形集中区域内会发生具有磁 致伸缩性质的磁畴组织定向和不可逆的重新取向， 而且这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后 不仅会保留， 还与最大应力有关系。 金属磁记忆 检测技术作为一种新兴的检测手段，与其它传统 的检测方法相比，有着其自身所特有的一些优点， 弥补了传统无损检测方法的一些不足:
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• (1) 可准确可靠地探测出被检对象上以应力 集中区为特征的危险部件和部位，是迄今 为止对金属部件进行早期诊断的唯一行之 有效的无损检测方法； • (2) 不需要专门的磁化设备，而是利用地磁 场这一天然磁场源对工件进行磁化，从而 能对铁制工件进行可靠的检测； • (3) 不需要对被检工件的表面进行清理或其 他预处理，对工件表面的检测可在线进行； • (4) 检测重复性和可靠性好； • (5) 能实现快速检测，提高了检测效率。
第2章与磁记忆检测有关的基础知识
• 磁记忆检测技术是一种专门用来诊断铁磁 性部件应力集中的新型无损检测技术，因 此深入理解铁磁性物质的基本特点和基本 现象以及其力学特性等对于研究磁记忆检 测的原理显得非常重要。
物质的磁性
• 磁性是物质的基本属性之一。 • 当外磁场发生改变时，系统的能量也随之改变， 这时就表现出系统的宏观磁性;从微观角度看，物 质中带电粒子的运动形成了物质的元磁矩，当元 磁矩取向为有序时，便形成了物质的磁性。 根据 物质磁化后对磁场的影响，可以把物质分为三大 类:使磁场减弱的物质称为抗磁性物质;使磁场略 有增强的物质称为顺磁性物质;使磁场剧烈增加的 物质称为铁磁性物质。抗磁性物质的磁化率x为负 （数量级约为-10-6～-10-3），顺磁性物质的磁 化率x为正（数量级约为-10-6～-10-2），而铁磁 性物质的磁化率x很大。
磁化曲线和磁滞回线
磁致伸缩
• 铁磁材料由于磁化状态的改变，其长度和 体积都要发生微小的变化， 这种现象就称 为磁致伸缩，其中长度的变化是1842年由 焦耳(Joule ) 发现，统称为焦耳效应或线性 磁致伸缩，而体积的变化则统称为体积磁 致伸缩 ,体积磁致伸缩比起线性磁致伸缩来 还要微弱得多，用途也少， 所以一般只讨 论长度变化的线性磁致伸缩，简称磁致伸 缩。
• 近年来兴起的磁记忆检测技术，利用铁磁 材料的磁弹性和磁机械效应，通过载体与 地磁场共同作用下产生的磁记忆现象的检 测来确定构件表面或近表面的应力集中部 位，可以准确可靠地探测铁磁构件上以应 力集中区为特征的危险部位，是对金属构 件进行早期诊断唯一行之有效的无损检测 方法。
无损检测概述
• 在工业生产检验中，目前应用最广泛的无损检测的方法主 要有涡流检测法、液体渗透法、磁粉检测法、射线检测法 和超声波检测法，它们被称作为五大常规无损检测方法。 这些传统的检测方法技术成熟，在质量控制、安全保障、 事故预防等方面发挥了重要作用，但仍存在以下一些不足 之处: • ⑴ 均是寻找己经存在的缺陷，不能发现和预测将要发生 缺陷的部位，无法解决设备突发性破坏问题； • ⑵ 需要对被检对象表面进行清理和一些预处理； • ⑶ 一般需要被检测对象停止工作； • ⑷检测易受工件形状、结构和检测人员技术水平等因素的 制约， 检测结果的可靠性受到影响； • ⑸ 检测效率低。
国外研究现状
• 金属磁记忆无损检测技术是于1996年左右从俄罗 斯传入我国的。目前该技术在俄罗斯己得到了一 定程度的发展。俄罗斯动力诊断公司己研制和批 量生产了专用的磁记忆仪表及软件，它们有应力 集中磁记忆仪TSCM-2FP、带微处理器记录装置 的应力集中磁测仪TSC-IM4（4通道）和在DOS 或Windows操作系统下使用的磁记忆方法检测结 果的计算机处理软件。目前，在俄罗斯电力、石 油化工、天然气和其它工业部门，己经制定了一 些以金属磁记忆方法为基础的应用指导性文件和 检测方法，建立了相应的应力、变形集中区的判 定准则和十多个针对不同检测对象的技术标准， 并己颁布了两个国家标准：
金属磁记忆无损检测方法应用现状
• 早在1842年，焦耳(Joule)就发现了线性磁致伸缩 现象。铁磁材料由于磁化状态的改变，其长度和 体积都要发生微小变化，这种现象称为磁致伸缩 现象。其中长度发生变化的磁致伸缩现象又称为 焦耳效应。磁致伸缩效应的逆效应称作压磁效应， 即强磁材料在受到外应力作用时， 其内部的磁化 状态也发生变化，这一现象是由维拉里(Villari. ) 于1865 年发现的，故亦称作为维拉里效应。金属 磁记忆检测技术正是基于对维拉里效应的应用， 通过检测工件外部漏磁场的状况来判断工件自身 的应力集中情况，从而能做到对被测工件的工作 寿命等情况的正确评估。
铁磁性的基本特点
• 铁磁性的基本特点是自发磁化和磁畴。 • 由于物质内部目身的力量，使任一小区域内的所 有原子磁矩，都按一定的规则排列起来的现象， 称为自发磁化。自发磁化的原因是由于相邻原子 中电子之间的交换作用。当原子相互接近时， 它 们的电子就要发生相互的交换，并由于电子的交 换作用而产生一定的交换能，从而使小区域内的 所有原子磁矩按一定的规则排列。电子间的这一 交换作用直接与电子自旋之间的相对取向有关。
国外研究现状
• 金属磁记忆方法、术语、定义和代表符号；以及 采用金属磁记忆的机械试验、金属组织试验和工 艺试验用代表试样选取方法。该技术已在俄罗斯 250多个企业得到推广，除俄罗斯外，还在乌克 兰、波兰、保加利亚、奥地利、南斯拉夫、澳大 利亚、中国和印度的一些企业得到了应用。然而， 当前俄罗斯在使用磁记忆方法对应力的定量评价 时，需要在受检对象的一两个基准点上用传统方 法（X射线、超声、应变片等）预先标定的条件 才有可能实现。目前，俄罗斯有关专家正在开发 以直接测量漏磁场为基础的应力定量评价方法
磁畴
• 这是因为铁磁物质内部存在磁畴。在铁磁物质的 内部，分成了许多小的区域，这些小的区域就称 为磁畴。虽然每一个小区域内的原子磁矩都整齐 地排列起来了，但这些小区域的磁矩分别取不同 的方向，因此， 所有小区域的磁矩叠加起来仍然 为零，即总磁矩为零。所以，从铁磁性的整体来 看，磁化强度为零，对外不显示磁性。 磁畴与磁 畴之间有一过渡层，称为畴壁，其厚度约等于几 百个原子间距。磁畴的形状、大小及它们之间的 搭配方式，统称为磁畴结构。从稳定性的角度来 看，实际上存在的磁畴结构，一定是能量最小的。 磁畴结构的运动变化是磁性好坏的内因。
国内研究现状
• 金属磁记忆检测技术是于最近几年才传入我国的。目前， 国内关于金属磁记忆检测技术的研究还刚刚起步，相关内 容的研究还比较少， 专门介绍该项新技术的书籍也很少， 有关基于该项技术的检测仪器的研制和生产的单位还不多。 • 关于金属磁记忆检测技术，我国与国外先进国家尚有一定 的差距， 有关基础性理论研究才刚刚起步，其检测机理 研究不够深入。就当前的技术水平而言，目前已生产出的 金属磁记忆检测仪还不能用于生产实践，只能和其他传统 的无损检测方法结合作为参考方法使用。作为一种先导检 测手段，利用金属磁记忆检测技术来探查在役设备构件的 应力集中位置，现在只能作定性的检测， 即当被测工件 表面的漏磁场法向分量过零值点而同时切向分量出现最大 值时，表示在该点处有应力集中存在，但不能从中得出应 力集中的程度， 只能借助于其它检测手段作进一步的探 查。
• 铁磁构件在使用过程中局部所承受的应力常常高 达名义应力的数倍或数十倍，极易发生位错滑移 变形，导致蠕变、疲劳、腐蚀的加速，甚至发展 成宏观裂纹等，从而使其破裂和失效的可能性增 大，不仅会造成设备停止运行的事故发生和重大 经济损失，而且也对操作人员的人身安全产生威 胁，产生不良的社会影响。现在常用的对设备进 行无损检测的方法有超声、射线、涡流和声发射 检测等，受检的构件有的因为检测时表面要做较 高要求的清理，工作量大；有的因为工作条件恶 劣，一旦发生宏观缺陷，极易爆破或断裂，引发 事故，所以有必要开发新的无损检测方法对构件 在役和大修时缺陷进行预诊断的检测，以确定构 件的应力集中部位和设备的早期损伤区域，为常 规无损检测提供参考技术资料，从而确保关键设 备的可靠运行。
• 美国爱荷华州立大学(Iowa State University)无损评估中心的D. C. Jiles等 人以及加拿大女王大学(Queen‘s University)物理系的D. L. Atherton等人于 上世纪八十年代初开始，在铁磁性材料的 磁机械效应、磁滞特性、磁化特性、应力 对一些磁特性（磁滞现象、磁化特性和磁 致伸缩效应等）的影响以及对铁磁性物质 的磁无损检测方面做了大量的研究工作从 大约10年。
• 物质的磁性是由电子循轨和自旋运动产生的。众所周知， 物质是由原子组成的，而原子则是由原子核和电子构成。 近代物理证明，每个电子都参与两种运动，即环绕原子核 的运动和电子本身的自旋运动。这两种运动都可看作为形 成了一个个闭合电流，由此产生了一个个磁矩，形成了磁 效应。电子绕核运动产生的磁矩称为轨道磁矩，而电子的 自旋运动产生的磁矩称作为自旋磁矩。那么原子有没有磁 矩呢?理论证明，当原子中一个电子层已经排满时，这个 层电子磁矩的总和就等于零，该原子就没有磁矩:若一个 原子的电子层未被排满，电子磁矩的总和就不为零，该原 子就有了磁矩。当原子结合成分子时，它们的外层电子磁 矩就发生变化，所以分子磁矩并不是各单个原子磁矩的总 和。由于不同的原子具有不同的磁矩，故当由这些原子组 成不同的物质时，物质就表现出不同的磁性。
与磁记忆有关的力学性质
• 在连续介质中，作用于物体的机械力一般 可以分为三种类型，即外部体载荷、外部 面载荷和内部载荷。 • 外部体载荷又称为外部体积力或简称为体 力 • 外部面载荷又称为外部表面力或简称为面 力。 • 内部载荷是物体内部各粒子对相互作用的 结果，因此是一种内力
磁记忆检测
黑龙江省电力科学研究院 池永斌
第1章 绪 论
• 锅炉、压力容器、压力管道、汽轮机、铁路、桥梁及其它 特种设备的安全直接影响国家的经济运行和人民的生命财 产安全，采用无损检测方法，对这些设备进行质量鉴别、 工作安全性和寿命评价，防止重大事故发生，具有重大的 社会效益和经济效益。随着现代工业和科学技术的发展， 无损检测的重要性越来越被各个部门所重视。在工业生产 和工程建设中多次发生的锅炉容器爆炸、桥梁断裂等重大 安全生产事故对无损检测的技术进步和快速、便捷、准确 的无损检测新技术的开发提出了迫切要求。近年来，随着 电磁理论的不断发展，测量工艺和测量精度的不断提高， 电磁无损检测技术得到了较快发展。上世纪末，金属磁记 忆检测方法的出现为电磁无损检测领域提供了一个崭新的 方向。