磁记忆
基于相关性分析磁记忆信号处理
Ｋ ｙ ｒｄ Ｍ ｔ ｌ Ｍ ｇ ｅ ｉ ｅ ｏ ｙ Ｔ ｓ ｉ ｇ Ｔ ｃ ｎ ｑ ｅ Ｃ ｒ ｌ ｔ ｏ ； Ｃ ｒ ｅ ａ ｉ ｎ Ｃ ｅ ｆ ｃ ｎ ｅ ｗｏｋ ｓ： ｅ ａ ａ ｎ ｔ ｃ Ｍ ｍ ｒ ｅ ｔ ｎ ｅ ｈ ｉ ｕ ； ｏ ｅ ａ ｉ ｎ ｏｒ ｌｔ ｏ ｏ ｆ ｉ ｅ ｔ
ｍ ｎｅ ｃ ｉｅｌ ｉ ｉ ｔ ｐｉ ｍｅ ａ ａｇ ｔｉ ｆ ｄ ｎ ｓｏ ｒｏ ｃ ｄｉ ｍａ ｒｉ ｓ ｎｄ ｉ ｔ ｅ ａｔｅ ａｌ ｓ ｔｅ ａｌ ａ ｆ ｈ ｍ ｒｉ ｉ ｎｏ ｈａ ｉ ｉ Ｏ ｒｍ ｎ ｎｈ ｍｏｇ ｅＯ ｍｅ ａ， ｗ ｃａ ｅｎ ｕｓ ｄｉ ｅ ｈ
罗招 贤 虞文鹏
Ｌｕ Ｚ ａｏｘ ａｎ Ｙ Ｗｅ ｅ ｏ ｈ ｉ ｕ ｎｐ ｎｇ
（ 西经济管理干部学院，江西 南昌 ３０ ８） 江 ３０８
（ｉｎｘ ｎｔｔｔ ｆＥｏｏｉ Ａｍｎｓｒｔｒ ， ｉｎｘ ａ ｃａｇ３０８） ＪａｇｉＩｓｉｕｅｏ ｃｎｍｃ ｄｉｉｔａｏｓ Ｊａｇ ｉＮｎｈｎ ３０８
ｔ ｅ ｅ ｃｔ ｎ ｈ ｄ ｔｅ ｉｏ ｄａ ａ ｏ ｐ ｆａ ｉｃ ｅｄ ｔ ｔ ｆ ｒｅ ｂｒ ａｔ ｓ ｅｅｌ ｃｒ ｋ， ｗｅ ａｎ ｏｎ ｒ ｔｈ ｃｏ ｒｅｌ ｔｉ ｎ ｃ ｆ ｃｉ ｔ ａｃ ｃ ｃ ｆｉ ｍ ｅ ｒ ａ ｏ ｏｅ ｆｉ ｅｎ ｃａ ｓ ｗ ｎ ｈｏ ｃｌ ａｒｌ ｅ ｙ
Ｓｅ ｈ ｍａ ｅｔ ｆｉｅ ｄ ｏ ａｌ ｏ ｇｎ ｉｃ ｌ ｎ ｒｍ ｃ ｍｐｏ ｎｔ ｅ －ｃ ｓ ｎｇ ｏｉ ｔ ｎｅ ｚ ｒｏ ｒｏ ｓｉ ｐ ｎ ｗｉ ｎ ｓｉ ｎｉ ｃ ｔｈ ｏ ｇ ｆｉ ａｎｔ ｃｈ ｇｅ ｏ ｒ ａｎ ｔ ｇ ａｄｉ ｎｔ． Ｔｈｉ ｗｉ ｂ ｅ ｓ ｌ１ ｅ ｇｒ ｔｌ ｈｅ ｆ ｔ ｔ ｅ ｅａ ｙ ｌｐ ｕｌ ｏ ｈ ｍｅ ｔａｌ ｍａ ｎｅｔ ｃ ｇ ｉ ｍｅ ｒｙ ｍｏ ｔｅ ｉｎ ｔ ｈｎ ｑｕｅ． ｓｔ ｇ ｅｃ ｉ
无损检测-磁记忆技术文档
1 ．什么叫磁记忆效应?在具有外磁场（地球磁场）存在的条件下，承载的铁磁部件中会产生应力集中，并在应力集中部位出现导磁率减小，工件表面的漏磁场增大的现象，铁磁性金属部件所具有的这一特性称之为“磁机械效应”。
由于这一增强了的磁场“记忆”着部件的缺陷或应力集中的位置，故又称“磁记忆”效应。
2 ．什么叫金属磁记忆检测？金属的磁记忆检测（M MT ）是利用金属磁记忆效应来检测部件应力集中部位的一种快速无损检测方法。
该方法对铁磁性部件由于疲劳、形变、损伤而产生的微裂纹可进行早期诊断。
3 ．简述磁记忆检测的原理。
工程部件由于疲劳、形变而产生的微裂纹会导致出现应力集中，研究表明：承载铁磁性金属部件存在着磁记忆效应，其表面的磁场分布与部件应力载荷有一定的关系，因此可通过检测部件表面的磁场分布情况间接地对部件进行诊断。
x 理论与实践研究证明，铁磁性部件缺陷或应力集中区域磁场的切向分量Ｈｐ（）具有最大值，法向分量Ｈｐ(y) 改变符号且具有零值。
实践中，我们通过检测法向分量Ｈｐ (y) 来完成对部件的检测工作。
4 ．适合用磁记忆法（MMT ）检测的对象有哪些？金属磁记忆法（M MT ）检测仪器适用于对铁磁金属制件的早期快速诊断。
该仪器配备不同形式的探头，可对管道、容器、汽轮机和燃汽轮机叶片、转子、叶轮，飞机机体、起落架以及各种不同形状构件、焊接头进行检测。
MMT 检测方法不要求对被检测部件表面进行处理，可直接检测，方便操作。
5 ．金属磁记忆诊断法有哪些优点？金属磁记忆诊断方法和传统的检测方法相比，具有下列优点：①既可检测出宏观缺陷又可检测出微观缺陷，并能进行未来危险的预报。
②无需专门的磁化装置就能对铁磁性构件进行可靠的检测。
③不需对被检金属表面进行清理或其它预处理。
④提离效应影响很小。
⑤设备轻便、自带电源、有记录装置，操作简单、灵敏度高、重复性与可靠性好。
⑥在检测过程中确定零件的应力集中线，实现早期诊断。
6 ．简述《磁记忆检测数据分析软件》的用途。
磁记忆用于柱塞泵腔体检测的研究
在 一１ ５～２ Ａ ｍ 范 围 内 变 化 ， 值 较 小 ， 有 多 ５／ 幅 但 处过 零点 ； Ｋ值 在 过 零 点 处 有 极 大 值 ， 大 值 在 极 ３ ０～５ ０ ／ ． ．Ａ ｍ或 ｍ ｍ之 间变 化 。锈 蚀会 使腔 体表 面 产生 不 同程 度 的 微 观组 织 变 化 和损 伤 ， 些 变 这
体 的无损 检测方 法 ， 然而 由于 柱 塞 泵腔 体 几 何 结 构 的特殊 性 ， 材料 为高合 金钢 ， 化效果 并不 理 且 磁
想； 同时 磁粉 检测 只能发 现宏 观缺 陷 ， 能对 柱塞 不
图 １ 磁 记 忆 检 测 原 理
２ 柱 塞泵 腔体 三维有 限元仿 真分 析
泵 腔体进 行早 期诊 断 。因此 ， 需要提 出一 种方 便 、
头 体 内部腔体 很 容 易 产生 疲 劳 裂 纹 ， 造成 疲 劳 失 效 。疲 劳裂纹 源往 往位 于应 力集 中 区域 或有 缺陷
的漏磁 场 日 的变 化 。 即磁 场 的切 向分 量 日 （ 。 ）
具有 最大值 ， 法 向分 量 Ｈ （ ） 而 Ｙ 改变 符 号 且 具 有
ｗ ～ Ｍ一 、
＇ｏ１ｎＩ １ｃ● １。＇ ， ＇ ｏ １ ３ 艟 ｓ 毒ｏ ％ ∞
ｌ ． 菇 ＿阻
图 ６ 锈 蚀 腔 体 磁 记 忆 检 测 结 果
３ ３ 存在轴 向裂 纹缺 陷腔体 的 磁记忆 信号 分析 ． 存在轴 向裂纹缺 陷腔 体 的磁记忆 检测 结果 如 图 ７所 示 。 由图 ７可 以看 出 ： 轴 向裂纹 缺 陷 腔 有 体 的磁场 法 向分 量 Ｈ。 Ｙ 值 在 一１ （） ５～２ Ａ ｍ 范 ５／
龙 飞 飞 ， ，９ ８年 ６月 生 ， 教 授 ， 士生 导 师 。黑 龙 江 省 大 庆 市 ，６ ３ ８ 男 １７ 副 硕 １３ １ 。
磁记忆检测的力磁耦合型磁偶极子理论及解析解
磁记忆检测的力磁耦合型磁偶极子理论及解析解*时朋朋† 郝帅(西安建筑科技大学土木工程学院, 力学技术研究院, 西安 710055)(2020 年6 月18日收到; 2020 年9 月19日收到修改稿)磁偶极子理论在缺陷漏磁场解释中被成功广泛使用. 由于磁荷密度等参数不易定量, 磁偶极子理论在应用中常常进行归一化处理, 被认为不适用于对应力相关的磁记忆信号做量化分析. 本文通过建立力磁耦合型磁偶极子理论模型, 以适用于分析磁记忆检测中应力对磁信号的影响. 基于铁磁学理论确定应力和磁场联合作用下的等效场强度, 基于弱磁化状态的一阶近似, 获得了各向同性铁磁材料微弱环境磁场下的应力磁化解析解. 结合磁信号二维问题中矩形和V形磁荷分布假定, 建立了光滑与破坏试件表面磁信号、矩形和V形表面缺陷所诱导磁信号的力磁耦合型磁偶极子理论分析模型, 并获得其解析解. 基于力磁耦合型磁偶极子理论的解析解, 对拉伸实验中试件破坏前后的信号差异、矩形和V形表面缺陷诱导磁信号, 以及磁信号的影响因素和规律等进行了详细分析. 理论研究表明, 基于本文理论模型的解析解可实现对磁记忆检测中的一些基本实验现象和规律的解释.关键词：金属磁记忆, 力磁耦合, 磁偶极子, 解析解PACS：41.20.Gz, 51.60.+a, 75.50.Bb, 75.80.+q DOI: 10.7498/aps.70.202009371 引 言铁磁材料由于具有良好的力学以及机械性能,被广泛应用于航空航天、铁路、管道、压力容器以及石油化工等行业, 其在制备和使用过程中形成的损伤直接影响工程结构的使用安全, 甚至引发灾难性事故, 严重威胁着人民的生命财产安全, 对社会经济也造成了重大的损失. 如果能及时发现工程结构中损伤的位置以及程度, 采取诸如打磨、焊接、替换等补救措施, 避免由于疲劳损伤发展而引起的恶性事故, 对涉及国民经济的众多领域均有着十分重要的理论以及现实意义. 1997年, 俄罗斯学者Doubov[1]提出磁记忆检测技术, 被认为是有望实现铁磁材料早期损伤的检测方法. 磁记忆检测的基本原理是, 处于恒定环境磁场中的铁磁材料在受到外力作用时, 材料的磁特性由于力磁耦合效应将发生改变, 因此通过测量试件表面形成的自发磁场信号能确定材料应力集中和缺陷的位置及程度.明确应力、缺陷和磁记忆信号的定量关系, 是实现磁记忆检测工程应用必须面对的基础问题. 本文主要研究磁记忆信号的量化理论, 仅对该方面的研究进展进行回顾. 磁信号本质是力磁耦合效应影响了材料的磁特性, 进而改变了磁特性的铁磁材料在地磁场下产生表面磁信号. 学者早期用磁偶极子模型研究缺陷引起的磁记忆信号. Leng等[2]利用V形槽的磁偶极子模型解释了沟槽附近的磁记忆信号的非线性形貌. Huang等[3]利用磁荷模型研究了缺陷宽度、深度以及提离值等对表面附近磁记忆信号的影响规律. Minkov等[4]基于磁偶极子模型得到了三维缺陷表面磁信号的解析解. 时朋朋[5]通过使用与环境地磁场相关的磁荷密度, 基于磁偶极子模型获得了四种不同形貌的表面缺陷引起的磁记忆信号解析表达式, 讨论了缺陷复杂形状对磁* 国家自然科学基金(批准号: 11802225)和陕西省自然科学基础研究计划(批准号: 2019JQ-261)资助的课题.† 通信作者. E-mail: shipengpeng@© 2021 中国物理学会 Chinese Physical Society 记忆信号的影响, 其模型预测的磁记忆信号幅值和实验信号量级相当. 此外, 学者试图建立应力与材料磁化状态的关系, 这对应了磁记忆信号形成的微观机理. 基于Jiles模型, Wang等[6]建立了考虑塑性钉扎效应的磁弹塑性耦合模型. Li和Xu[7]进一步考虑拉伸和压缩载荷下的应力磁化行为的不对称性, 提出了修正模型. Shi[8]在塑性等效场中考虑了磁化强度的影响, 建立了修正的磁弹塑性耦合模型. Avakian和Ricoeur [9]建立了多轴载荷状态下的力磁耦合模型, 可分析载荷加载方向对材料磁化强度的影响.为了有效地建立应力、缺陷等和磁记忆信号的关系, 学者借助应力磁化关系, 对磁记忆信号进行了理论模拟. Shi等[10]通过考虑弹塑性加载过程对磁化的影响, 并基于磁偶极子理论的解析表达式,解释了铁磁材料拉伸破坏导致的磁记忆信号突变现象. Zhong等[11]基于Jiles模型和有限元方法,对圆孔缺陷引起的微磁信号进行了理论分析, 理论结果和实验数据符合得很好. 上述提到的模拟工作均使用了反映应力对材料磁特性影响的力磁模型,力磁模型的选择将直接影响磁记忆检测的定量化水平. Shi等[12]从铁磁材料的Gibbs自由能出发,结合铁磁材料磁化的接近原理, 提出了新的非线性力磁耦合模型. 相比经典Jiles本构关系, 新建的本构关系的理论结果和经典的Crack和Wood的实验结果更加符合, 能够准确反映其在磁场与应力共同作用下的磁化强度的变化规律[12]. 通过与经典的能量守恒模型、Jiles磁滞模型和Jiles磁化模型等的理论结果进行对比, 确定了新建的本构关系在磁记忆信号定量化分析上具有显著优势. 该理论也得到进一步发展, 用于讨论磁记忆检测中的缺陷反演识别问题[13]、环境磁场方向效应[14]和磁热弹塑性耦合现象[15]等.上述提到的工作中, 常常需要借助复杂的有限元分析完成磁记忆信号的定量分析. 磁偶极子模拟方法[16]常用于解释缺陷漏磁场, 具有简洁方便的特点, 基于静磁学可以简单直观地计算磁偶极子在空间任意点的场强. 本文将建立发展力磁耦合型磁偶极子理论模型, 以适用于描述磁记忆方法中应力载荷对磁信号的影响, 并且使用简单的矩形或V形二维磁偶极子假定, 实现力磁耦合型磁偶极子理论模型的解析求解. 本文的理论分析表明,基于力磁耦合型磁偶极子理论模型的解析解, 可以对磁记忆检测中的一些基本实验现象和规律进行解释.2 微弱磁场下的应力磁化解析模型在恒定的磁场和等温环境下, 各向同性铁磁材料承受外部载荷作用下其磁化强度也将发生变化.在力磁效应平衡状态下, 铁磁棒材的磁化状态可以表示为M sH total式中M为非磁滞磁化强度, 为材料的饱和磁化强度, 为等效场强度, a为磁化模型参数(单位为A/m).H total为材料受外加载荷和磁场作用下的等效场强度, 表示为[10]H H H eσ其中, 为外加磁场部分诱导的等效场,为外加载荷由于力磁耦合效应诱导的等效场.磁畴中的外加磁场部分的等效场被表示为[10]α式中H0为外界环境磁场, 为反映磁畴间相互影响的材料参数.使用文献中的磁致伸缩表达式的简化形式[12],磁致伸缩可以表示为σσsβλsM s式中为应力, 为材料屈服应力, 为控制应力磁化效应程度的参数,为材料饱和磁致伸缩应变, 为材料的饱和磁化强度.对于各向同性的铁磁材料, 其内部由于磁弹性效应导致的磁弹性能密度函数可表示为磁弹性等效场可表示为磁弹性能密度函数关于磁化强度的微分, 计算结果为µ0其中为真空磁导率.综上, 等效场强度可以表示为对(1)式中的朗之万函数进行泰勒展开, 得到弱磁化状态下, 可以使用泰勒展开式的一阶近似取代朗之万函数, (1)式可以简化为将(7)式代入(9)式并进行整理, 得到进一步化简后, 可以得到材料磁化强度M 的表达式为至此, 得到弱磁化状态下, 磁化强度和外加磁场、应力之间的解析表达式.3 力磁耦合型磁偶极子理论及应用3.1 拉伸实验中磁信号的基本规律拉伸实验中, 在铁磁性试件破坏前, 由于应力度相等的磁荷分布在试件的两侧, 如图1(a)所示.建立如图1所示坐标系, 基于磁偶极子理论可以得到该磁荷分布下诱导的磁信号的解析解. 铁磁性试件破坏前, 由于应力磁化效应导致的沿x 方向和y 方向的磁信号分量分别为[5]H 0x H 0y P (x,y )ρs ρs =µ0M (σ,H 0)其中, 和 分别为破坏前在试件表面附近的 点处的磁信号的x 和y 分量, L 为试件的半长, H 为试件的厚度, 为磁荷密度. 基于磁荷理论, 磁荷密度满足 .根据磁偶极子理论, 当光滑的铁磁性试件出现近似为一对具有相反极性的磁荷面, 这对密度相等且极性相反的磁偶极子在试件表面产生磁信号, 如图1(b)所示. 依然基于磁偶极子理论可以得到该磁荷分布下诱导的磁信号的解析解. 这里假设试件出现裂纹的位置位于试件的中心处, 铁磁性试件破坏后, 沿x 方向和y 方向的磁信号分量分别为式中, l 为裂纹半长, 其他物理量含义与(12)式中物理量含义保持一致.图 1 拉伸实验中的试件破坏前后的磁荷分布 (a)破坏前磁荷分布; (b)破坏后磁荷分布Fig. 1. Magnetic charge distribution before and after failure in tensile experiments: (a) Magnetic charge distribution be-fore failure; (b) magnetic charge distribution after failure.10,12,15mm H =5mm 0.2mm M =1×105A /m L =100mm L =1000mm L =100mm L =1000mm 图2给出了拉伸实验中, 试件破坏前和破坏后的磁信号对比图, 其中磁信号的提离值分别设置为. 其中模型参数为 , l = , , 图2(a)中试件半长为 , 图2(b)中试件半长 . 从图2可以看出, 磁信号的y 方向分量在裂纹位置为零, 即存在过零点现象, 这是由于在裂纹两侧存在密度相等且极性相反的磁偶极子导致的. 从图2还可以看到缺陷诱导的磁信号随着提离值增大而减小, 这符合磁记忆观测实验揭示的磁信号随提离值的变化规律[17]. 图2(a)和图2(b)分别给出了试件半长 和 时磁偶极子模型的理论预测结果. 在试件破坏前, 可以看到试件表面y 方向分量的磁信号是线性变化的. 而在试件破坏后, 试件表面y 方向分量的磁信号是非线性变化的. 理论预测结果揭示出拉伸实验试件破坏前后磁信号形貌存在明显差异, 这与实验观察到的磁记忆信号规律保持一致[10]. 由图2可知, 当试件长度足够大时, 光滑铁磁材料试件在破坏前的磁信号几乎为零, 而破坏后缺陷诱导出明显的非线性信号, 并且关于裂纹中心呈现很好的对称. 这意味着实际应用于足够长( > 1 m)管道的检测信号常常和实验室拉伸试件(长度约200 mm)的检测信号存在较明显差异, 这很好地解释了为什么实际管道检测应用中的信号常常优于实验室信号. 这本质上是当结构尺寸较长时, 结构的端部干扰较小, 端部磁荷对缺陷信号的干扰可忽略.H =5mm L =100mm M s =2×106A /m λs =5×10−6a =500A /m β=0.5σs =250MPa H 0=40A /m 0—200MPa σ=200MPa 20—60A /m 磁记忆拉伸实验中常常发现磁信号随着应力及外磁场大小的变化而变化. 这里基于(12)式对拉伸实验中磁记忆信号进行了理论计算与分析, 结果如图3所示. 图3(a)和图3(b) 分别给出了在不同应力和外磁场作用下光滑铁磁试件的磁记忆信号变化. 其中模型参数为 , ,, , , , . 图3(a)中试件外磁场 , 应力的变动范围为 , 图3(b)中应力 , 采用的外磁场的变动范围为. 从图3可以看出: 试件表面附近的磁/(A S m -1)/(A S m -1)Position/mmPosition/mm图 2 拉伸实验中试件破坏前和后的磁信号差异 (a) L = 100 mm; (b) L = 1000 mmFig. 2. Difference of magnetic signals of the tensile specimen before and after failure: (a) L = 100 mm; (b) L = 1000 mm.-30-1501530-150-75075150(a)0 MPa 50 MPa 100 MPa 150 MPa 200 MPa-30-1501530-300-150150300(b)20 A/m 30 A/m 40 A/m 50 A/m 60 A/m/(A S m -1)Position/mm/(A S m -1)Position/mm图 3 应力和外磁场对磁信号的影响 (a)应力影响; (b)外磁场影响Fig. 3. Effects of stress and external magnetic field on magnetic signals: (a) Stress effect; (b) effect of external magnetic field.记忆信号y 方向分量沿着x 轴呈现几乎线性的变化规律; 反映磁记忆信号强度的特征量, 如y 方向分量的斜率值随应力的增大而增大, 这是由于应力诱导的材料内部磁化强度增加. 拉伸试件磁记忆测量实验结果[10]表明, 试件表面y 方向分量磁记忆信号的斜率值随应力的增大而增大, 本文理论分析结果与这一基本磁记忆实验现象保持一致.此外, 由于应力对材料磁化强度的影响随着外磁场的增加而增大, 这导致磁记忆信号y 方向分量的斜率值随外磁场的增加而增大. 地磁场模值约为50 A/m, 但是地球表面不同纬度的地磁场分量将存在明显差异, 例如北京地磁场垂直向下分量约为42.6 A/m, 而南昌的地磁场垂直向下分量约为32.4 A/m, 两者相差达到30%左右, 这可能是不3.2 局部缺陷诱导磁信号的基本规律此处针对矩形和V 形凹槽两种典型表面缺陷所诱导的磁记忆信号建立理论分析模型及解析解.根据磁偶极子理论, 表面缺陷的左右两侧形成新的磁极, 所形成的磁极可近似为一对具有相反极性的磁荷面, 进而在试件表面产生磁记忆信号, 如图4所示.假定表面缺陷的左右两侧的磁荷分布均匀, 不随缺陷深度变化, 如图4所示. 在该假定下, 基于磁偶极子理论可以得到矩形和V 形凹槽两种典型表面缺陷所诱导的磁记忆信号的解析解. 这里仍假设表面缺陷位于试件的中心处. 基于磁偶极子理论, 对于矩形凹槽表面缺陷, 沿x 方向和y 方向的磁记忆信号分量的解析表达式分别为[5](x,y )式中, l 为表面矩形凹槽的半长, h 为表面矩形凹槽的深度, 为磁信号的测量位置坐标.基于磁偶极子理论, 对于V 形凹槽表面缺陷,沿x 方向和y 方向的磁记忆信号分量的解析表达式分别为式中, l 为表面V 形凹槽的半长, h 为表面V 形凹槽的深度.图 4 两种典型表面缺陷的磁荷分布示意图 (a)矩形凹槽试件; (b) V 形凹槽试件Fig. 4. Schematic diagram of the magnetic charge distribu-tion for two typical surface defects: (a) Rectangular groove defect specimen; (b) V-groove defect specimen.5mm L =100mm l =0.2mm M s =2×106A /m λs =5×10−6a =500A /m β=0.5σs =250MPa H 0=40A /m σ=200MPa H 0=40A /m σ=200MPa 缺陷的形状类型也对磁信号的大小、分布产生影响. 图5描述了缺陷深度对具有不同形貌缺陷的试件表面磁记忆信号的影响. 其中模型参数为H =, , , , , , , .图5(a)中试件外磁场 , 应力为 , 采用的矩形凹槽缺陷深度分别为0.2, 0.5,1和2 mm. 图5(b)中试件外磁场 ,应力为 , 采用的V 形凹槽缺陷深度分别为0.2, 0.5, 1和2 mm. 图5(a)和图5(b) 分别给出具有矩形凹槽缺陷和V 形凹槽缺陷的试件表面磁记忆信号的理论分析结果. 从图5可以看出:对于不同形貌缺陷, 其诱导的磁记忆信号最大峰值均随着缺陷深度的增加而增加; 而且与试件中心距离相同的位置处的磁记忆信号正好满足幅值相同且符号相反. 理论预测结果中, 凹槽缺陷表面磁记忆信号沿着测量线呈现先减小后增大再减小的非线性变化, 这一非线性变化趋势符合V 形凹槽缺陷试件磁记忆信号的实验结果[2]. 此外, 对比不同形貌缺陷的试件表面磁记忆信号值, 可以看出相同的缺陷长度和深度下, 矩形凹槽缺陷诱导的磁记忆信号的幅值和变化程度更为明显, 这表明缺陷形貌等对磁记忆信号存在影响.5mm L =100mm h =1mm M s =2×106A /m λs =5×10−6a =500A /m β=0.5σs =250MPa H 0=40A /m σ=200MPa H 0=40A /m σ=200MPa 图6进一步分析了缺陷长度对不同缺陷形貌试件磁信号的影响规律. 其中模型参数为H =, , , , , , , .图6(a)中试件外磁场 , 应力为 , 采用的矩形凹槽缺陷半长分别为0.1,0.2, 0.3和0.5 mm. 图6(b)中试件外磁场 , 应力为 , 采用的V 形凹槽缺陷半长分别为0.1, 0.2, 0.3和0.5 mm. 图6(a)和图6(b)分别给出具有矩形凹槽缺陷和V 形凹槽缺陷的试件表面磁记忆信号的理论分析结果. 从图6-30-1501530-150-75075150(a)0.2 mm 0.5 mm 1.0 mm 2.0 mm/(A S m -1)Position/mm-30-1501530-150-7575150(b)0.2 mm 0.5 mm 1.0 mm 2.0 mm/(A S m -1)Position/mm图 5 缺陷深度对不同形貌缺陷诱导磁记忆信号的影响 (a)矩形凹槽; (b) V 形凹槽Fig. 5. Effects of defect depth on magnetic signals induced by different shape defects: (a) Rectangular groove defect; (b) V-groove defect.-30-1501530-150-50-100050100150(a)0.1 mm 0.2 mm 0.3 mm 0.5 mm/(A S m -1)Position/mm-30-1501530-150-7575150(b)0.1 mm 0.2 mm 0.3 mm 0.5 mm/(A S m -1)Position/mm图 6 缺陷长度对不同形貌缺陷诱导磁信号的影响 (a)矩形凹槽; (b) V 形凹槽Fig. 6. Effects of defect length on magnetic signals induced by different shape defects: (a) Rectangular groove defect; (b) V-groove defect.可以看出, 对于不同形貌缺陷, 其诱导的磁记忆信号的非线性变化程度均随着缺陷长度的增加而增强; 磁记忆信号的y 方向分量在缺陷附近存在先减小后增大的局部信号正负号翻转现象. 图6依然可以看到缺陷形貌等对磁记忆信号的影响, 即相同的缺陷尺寸参数下, 矩形凹槽缺陷诱导的磁记忆信号的幅值和变化程度相比V 形凹槽更为明显.H =5mm L =100mm l =0.2mm h =1mm M s =2×106A /m λs =5×10−6a =500A /m β=0.5σs =250MPa H 0=40A /m 0—200MPa σ=200MPa 20—60A /m 类似于图3对光滑铁磁试件表面磁信号的分析, 这里给出针对表面矩形凹槽缺陷诱导的磁记忆信号的理论分析, 如图7所示. 其中模型参数为, , , , , , , , . 图7(a)中试件外磁场 , 应力的变动范围为 . 图7(b)中试件的应力为 , 外磁场的变动范围. 图7(a)和图7(b) 分别为应力和外磁场对试件表面附近磁记忆信号的影响的理论分析结果. 从图7(a)可以看出, 由于材料内部磁化强度随着应力值的增加而增大, 这最终导致了缺陷诱导的磁记忆信号的非线性程度随着应力值的增加而增大. 拉伸试件磁记忆信号测量实验结果[10]表明,缺陷试件表面附近磁记忆信号呈非线性变化, 并且非线性程度随着应力值的增加而增大, 本文理论分析结果与拉伸试件磁记忆实验结果[10]保持一致.此外, 从图7(b)可以看出, 随着外磁场的增加, 缺陷诱导的磁记忆信号的非线性程度也随之增大, 这归因于外加环境磁场对材料磁化的贡献. 本文理论分析揭示的缺陷诱导磁记忆信号随外磁场的变化规律与已有的磁记忆实验结果保持一致[18]. 综上,基于本文提出的力磁耦合型磁偶极子理论分析模型可以初步解释磁记忆的多个实验现象, 分析现象的产生机理.3.3 磁信号的其他影响因素及规律H =5mm L =100mm M s =2×106A /m λs =5×10−6a =500A /m β=0.5σs =250MPa H 0=40A /m σ=200MPa 10,12,15mm H 0=40A /m σ=200MPa l =0.2mm h =1mm 10,12,15mm 图8分析了磁记忆检测中的提离效应. 图8(a)和图8(b) 分别分析了提离效应对光滑试件和具有缺陷试件表面磁记忆信号的影响规律. 其中模型参数为 , , ,, , , .图8(a)中光滑试件外磁场 , 应力为, 提离分别为 . 图8(b)中矩形凹槽缺陷试件外磁场 , 应力为, 缺陷半长为 , 缺陷深度为 , 提离分别为 . 从图8(a)可以看出, 光滑试件表面的磁信号随位置呈线性变化. 从图8(b)可以看出缺陷诱导的磁记忆信号的非线性程度随着提离值的增加而减小. 本文理论分析揭示的不同提离值下缺陷诱导的磁记忆信号变化规律与磁记忆实验中信号随提离值的变化规律保持一致[17]. 比较图8(a)和图8(b) 可以发现, 缺陷的存在导致试件中心位置附近的磁记忆信号存在非线性变动. 随着提离值的减小, 缺陷的存在导致试件中心位置附近的磁记忆信号峰值更显著.H =5mm l =0.2mm h =1mm M s =2×106A /m λs =5×10−6a =500A /m β=0.5σs =250MPa H 0=40A /m 图9分析了试件尺寸对磁记忆信号的影响规律. 图9(a)和图9((b)分别描述了试件的长度和厚度对试件表面磁记忆磁信号的影响. 其中模型参数为 , , , , , , , . 图9(a)中试件外磁场 , 应-30-1501530-150-75075150(a)/(A S m -1)Position/mm0 MPa 50 MPa 100 MPa 150 MPa 200 MPa-30-1501530-260-130130260(b)/(A S m -1)Position/mm20 A/m 30 A/m 40 A/m 50 A/m 60 A/m图 7 应力和外磁场对矩形凹槽缺陷诱导磁信号的影响 (a)应力影响; (b)外磁场影响Fig. 7. Effects of stress and external magnetic field on magnetic signals induced by rectangular groove defects: (a) Stress effect;(b) effect of external magnetic field.σ=200MPa 80—500mm H 0=40A /m σ=200MPa 1—5mm 300mm 力为 , 试件长度的变动范围为 . 图9(b)中试件外磁场 , 应力为 , 试件厚度分别为 . 从图9(a)和图9(b)可以看出: 当试件长度超过时, 缺陷诱导产生的磁记忆信号几乎不再随着试件长度的增大而变化; 试件长度越大, 在试件中心位置两侧, 缺陷诱导磁记忆信号的局部变化影响越大, 这是因为较长试件的端部距离缺陷较远, 对缺陷附近的磁记忆信号干扰较小; 随着试件厚度的增大, 试件中心位置处缺陷诱导磁记忆信号的局部非线性变化减弱.4 结 论磁记忆检测技术具有省时、低成本和易操作的优点, 被广泛应用于铁磁性金属结构和材料的应力与缺陷的检测评价. 然而, 关于磁记忆的理论研究多限于对检测机理的定性分析, 直接面向磁记忆信号的定性和定量分析模型的相关研究较为匮乏, 现有的磁偶极子解析模型也无法适用于对磁记忆方法中所关心的应力载荷影响等问题进行刻画. 本文建立力磁耦合型磁偶极子理论模型, 并基于二维磁偶极子简化, 实现理论模型的解析求解, 用于对磁记忆信号进行理论分析. 获得了光滑和具不同形貌缺陷的铁磁材料表面磁记忆信号的解析解, 完成了对磁记忆检测中的一些基本实验现象和规律的解释, 特别地, 可以描述应力、环境磁场、缺陷形貌及尺寸、提离效应、试件尺寸等因素对磁记忆信号的影响规律. 本文的解析解模型简洁易用, 可以初步实现对磁记忆检测基本实验现象和规律的解释, 但是针对磁记忆检测实验信号的精确定量分析, 还是需要借助复杂的力磁耦合模型[19]结合复杂静磁场的有限元分析方法[20]去实现.参考文献D ubov A A 1997 Met. Sci. Heat Treat. 39 401[1]-30-1501530-200-1000100200(a)/(A S m -1)Position/mm10 mm 12 mm 15 mm-30-1501530-200-100100200(b)/(A S m -1)Position/mm10 mm 12 mm 15 mm图 8 提离效应对试件磁信号的影响 (a)光滑试件; (b)具有矩形凹槽缺陷的试件Fig. 8. Effects of lift off on magnetic signals of specimen: (a) Smooth specimen; (b) specimen with rectangular groove defect.-15.0-7.507.515.0-150-75075150(a)/(A S m -1)Position/mm-15.0-7.507.515.0-50-252550(b)/(A S m -1)Position/mm80 mm 100 mm 200 mm 300 mm 500 mm1 mm2 mm3 mm 5 mm图 9 试件尺寸对矩形凹槽缺陷试件磁信号的影响 (a)试件长度; (b)试件厚度Fig. 9. Effects of specimen size on magnetic signals with rectangular groove defect: (a) Effect of specimen length; (b) effect of speci-men depth.L eng J C, Xu M Q, Li J W, et al. 2010 Chin. J. Mech. Eng.23 532[2]H uang H H, Jiang S L, Yang C, et al. 2014 Nondestr. Test.Eval. 29 377[3]M inkov D, Lee J, Shoji T 2000 J. Magn. Magn. Mater. 217 [4]S hi P P 2015 Nondestr. Test. 37 1 (in Chinese) [时朋朋 2015无损检测 37 1][5]W ang Z D, Deng B, Yao K 2011 J. Appl. Phys. 109 083928 [6]L i J W, Xu M Q 2011 J. Appl. Phys. 110 063918[7]S hi P P 2020 J. Magn. Magn. Mater. 512 166980[8]A vakian A, Ricoeur A 2017 J. Appl. Phys. 121 053901[9]S hi P P, Bai P G, Chen H E, et al. 2020 J. Magn. Magn.Mater. 504 166669[10]Z hong L Q, Li L M, Chen X 2013 IEEE Trans. Magn. 49 [11]1128S hi P P, Jin K, Zheng X J 2016 J. Appl. Phys. 119 145103 [12]S hi P P, Jin K, Zhang P C, et al. 2018 IEEE Trans. Magn.54 6202011[13]Z hang P C, Shi P P, Jin K, et al. 2019 J. Appl. Phys. 125 233901[14]S hi P P, Zhang P C, Jin K, et al. 2018 J. Appl. Phys. 123 145102[15]S hi P P, Zheng X J 2016 Nondestr. Test. Eval. 31 45[16]S hi P P, Su S Q, Chen Z M 2020 J. Nondestr. Eval. 39 [17]Z hong L Q, Li L L, Chen X 2010 Nondestr. Test. Eval 25 161 [18]S hi P P 2020 J. Appl. Phys. 128 115102[19]S hi P P, Jin K, Zheng X J 2017 Int. J. Mech. Sci. 124–125 229[20]Analytical solution of magneto-mechanical magnetic dipole model for metal magnetic memory method*Shi Peng -Peng † Hao Shuai(Institute of Mechanics and Technology, School of Civil Engineering, Xi’an University ofArchitecture and Technology, Xi’an 710055, China)( Received 18 June 2020; revised manuscript received 19 September 2020 )AbstractMagnetic dipole theory has been widely and successfully used to explain the leakage magnetic field signals. Because the model parameter such as magnetic dipole density is not easy to quantify, magnetic dipole theory often needs normalizing in application, which is considered to be unsuitable for quantitatively analyzing the magnetic memory signals with the stress effect. In this paper, the theoretical model of magneto-mechanical coupling magnetic dipole is established, which is suitable for analyzing the stress effect on magnetic signals in magnetic memory testing method. Based on the ferromagnetic theory, the equivalent field under the combined action of the applied load and the magnetic field is determined. And then, the magneto-mechanical analytical model is obtained for the isotropic ferromagnetic material under the weak magnetic field based on the first-order magnetization approximation in the weak magnetization state. Under the assumptions of rectangular and V-shaped magnetic charge distribution for the two-dimensional magnetic signal problem, the theoretical analytical models of the magnetic memory signals from the smooth and cracked specimens, and the analytical models of the magnetic memory signal induced by the rectangular and V-shaped surface defect are established. Based on the analytical solution of the proposed magneto-mechanical magnetic dipole theory, the difference in signal between before and after the failure of the specimen, the signal from the rectangular and V-shaped defect, and other influencing factors and laws of the magnetic signal are analyzed in detail. In particular, the influence of stress, environmental magnetic field, defect morphology and size, lift-off effect, specimen size and other factors on magnetic memory signals can be described based on the analytical solution of magneto-mechanical magnetic dipole models proposed in this paper. The proposed analytical model of magneto-mechanical magnetic dipole in this paper is simple and easy to use, and the present research shows that the proposed analytical solution in this paper can explain some basic experimental phenomena and laws in magnetic memory testing experiments. In addition, the precise magneto-mechanical coupling quantitative model combined with the finite element analysis method is still needed for accurately analyzing the magnetic memory signals in experiment.Keywords: metal magnetic memory, magneto-mechanical coupling, magnetic dipole, analytical solution PACS: 41.20.Gz, 51.60.+a, 75.50.Bb, 75.80.+q DOI: 10.7498/aps.70.20200937* Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 11802225) and the Natural Science Basic Research Plan of Shaanxi Province, China (Grant No. 2019JQ-261).† Corresponding author. E-mail: shipengpeng@。
铁磁构件磁记忆检测技术的研究进展
ｔ ｖ ｌ ｐ ｅ ｔ ｆｍａ ｎｅ ｉ ｅ ｈｅ ｄｅ ｅ ｏ ｍ ｎ ｓ ｏ ｇ ｔｃ ｍ ｍｏｒ ｅ ｈｎ ｑ ｅ，ｆｏｍ ｅ ｈａ ｓ ｓ ｕｄ ｙ ｔｃ ｉ ｕ ｒ ｍ ｃ ｎｉｍ ｔ ｙ，ｂａ ｉ ｘ ｒｍｅ ｔ ｏ ｉ ｆｕ— ｓｃ ｅ ｐｅ ｉ ｎ ｓ ｔ ｎ ｌ ｅ ｃ ａ ｔ ｒ ｔ ｃ ｉ ｎ ｓｇｎ ｌ ｎｄ ｉｓｅ ｇｉ ｅ ｒｎ ｐｐ ｉａ ｉ ｎ，ａ ｓ ｕｓ ｅ ｏｍｅ ｑ ｓ ｉ ｓ ｉ ｈｅ ｎ ｅ ｆ ｃ ｏ ｓｏｎ ｄｅ ｅ ｔｏ ｉ ａ ｓａ ｔ ｎ ｎ ｅ ｉ ｇ ａ ｌｃ ｔｏ ｎｄ ｄｉｃ ｓ ｓｓ ｕｅ ｔｏｎ ｎ ｔ ｏ— ｒ ｎｄ ｙ ａ ｐｒ ｃ ｉａ ａ ｐｌｃ ｔｏｎ ． Ｔｈｅ ｈａ ａ ｔ ｒｓ ｉｓ ｎｄ ｕｔ ｒ ｒ ｓ ａ ｃ ｄｉｅ ｔｏｎ ｏ ｍｅ ａ ｍａ ｎｅ ｉ ａ ｔｃ ｌ ｐ ｉａ ｉ ｓ ｃ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ａ ｆ ｕ ｅ ｅ ｅ ｒ ｈ ｒｃ ｉ ｓ ｆ ｔｌ ｇ ｔｃ
（ ｐ ｒ ｍｅ ｔ ｏ ｅ ｈａ ｃ ｌＳｃｅ ｅ ａ ｇ ｎｅ ｒｎｇ，Ｄａ ｉ １ Ｄｅ ａ ｔ ｎ ｆＭ ｃ ｎｉａ ｉ ｎｃ ｎｄ Ｅｎ ｉ ｅ ｉ ｑ ｎｇ
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８ ８
材ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ料 工 程 ／２ １ ０ ０年 １ 期 １
铁 磁 构 件 磁 记 忆 检 测 技 术 的 研 究 进 展
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ Ｐｒ ｇｒ ｓ ｆＭ ｅ ａ ａ ｅ ｉ ｅ ｏｒ ｓ ｉ ｇ ｓ ａ ｃ ｏ ｅ ｓｏ ｔ ｌＭ ｇｎ ｔｃＭ ｍ ｙ Ｔｅ ｔｎ Ｔｅ ｈ ｑｕ ｎ Ｆｅ ｒ ｍ ａ ｅ ｉ ｍ ｐｏ ｅ ｔ ｃ ｎｉ ｅ ｉ ｒ ｏ ｇｎ ｔｃ Ｃｏ ｎ ｎｓ
金属磁记忆检测技术机理
金属磁记忆检测技术机理、概况及应用2006年6月2日摘要：介绍金属磁记忆检测技术的机理、发展、现状、目的和意义，用一个应用实例初步评价了磁记忆检测技术的有效性，提出了磁记忆技术发展的近期和远期目标，展望了应用前景。
金属磁记忆检测技术可以准确可靠地探测出铁磁构件以应力集中为特征的危险部位，是迄今为止对金属构件进行早期诊断的唯一可行的无损检测方法。
金属磁记忆检测法利用处于地球磁场中的铁磁性金属的磁性能在应力和变形集中区内产生不可逆变化，在金属与空气边界出现磁导率跃变，其表面产生漏磁场，测试该漏磁场便可无损、快速、便捷、准确地确定铁磁性金属结构上的应力和变形集中区即设备上最危险的区段和部位，进行强度和寿命的诊断。
这种技术弥补了传统无损检测方法的不足，具有以下显著的特点，①是一种能以高准确度确定检测对象上以应力和变形集中区为标志的最危险区域的唯一无损检测方法，可以通过早期诊断较为准确地评价设备的安全性。
②对设备外露部分的检测无需设备停止工作。
③无需对被检测对象表面进行去除涂层、打磨等预处理，降低了成本。
④原理可靠，特征信号明显，去除人为因素，结果准确性高。
⑤能够实现快速检测 (1OOm／h)和检测自动化，以便对设备进行 i00 快速扫查，提高效率，避免漏检。
⑥利用地球磁场，无需专门的磁化装置，从而使检测设备体积小、重量轻、成本低，同时能改善劳动条件，降低劳动强度。
金属磁记忆检测技术的机理磁记忆原理可以表述为：处于地磁环境下的铁构件受工作载荷的作用，其内部会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向的和不可逆的重新取向，并在应力与变形集中区形成最大的漏磁场 H的变化。
即磁场的切向分量 H (z)具有最大值．而法向分量 H (y)改变符号且具有零值点。
这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后继续保留。
从而通过漏磁场法向分量 H (y)的测定，便可准确推断工件的应力集中部位。
磁记忆检测原理可以由拉伸试验得到验证。
研究证明，产生金属磁记忆的原理是磁弹性效应。
俄罗斯金属磁记忆标准
附录1ΓOCT P 52081-2003俄罗斯联邦国家标准无损检测金属磁记忆方法术语与定义正式出版物俄罗斯国家标准委员会莫斯科提供标准：俄罗斯《动力诊断技术》公司翻译：《技术刺激仪检测技术》专家组ΓOCT P 52081-2003前言1. 本标准由TK 132《技术诊断》标准化技术委员会制定。
2．本标准根据俄罗斯国家标准委员会2003年6月10日No_191-ST决定实施。
3.本标准系第一次实施。
引言本标准中规定的术语系按金属磁记忆无损检测方法领域的概念系统排序。
每一概念规定一个标准术语。
所列定义必要时可以改动，引入衍生的特征，扩展其所使用的术语涵义，指明与一定概念相关的对象。
但是这种改动不应违背本标准确定的概念范畴和内容。
标准术语用黑体字排印，而缩写用一般字体。
内容1.适用范围2.术语与定义3.术语的字母索引ΓOCT P 52081-2003俄罗斯联邦国家标准无损检测金属磁记忆方法术语与定义Non-destructive testingMethod of metal magnetic memoryTerms and definitions实施日期：2003年6月10日1．适用范围本标准规定金属磁记忆无损检测方法的术语和概念定义。
本标准所规定的术语强制适用于金属磁记忆无损检测方法领域有关标准化工作和(或)使用其工作成果的一切类型的文件和文献2.术语与定义1.金属磁记忆；MMM：表现为制品和焊接接头金属残余磁性的一种后效，形成于在弱磁场中制造和冷却的过程，或者表现为制品由于工作载荷造成的在应力集中和损坏区磁性的不可逆变化。
注：弱磁场-地磁场和其他外部磁场。
2.制品的自有漏磁场；SMLF：由于工作应力或者残余应力的作用产生于制品表面的位错滑移稳定带区或金属组织最大不均匀区域的漏磁场。
注-SMLF为MMM的表征。
3.金属磁记忆方法；MMM方法：以对制品表面的SMLF进行分析为基础确定金属和焊接接头的应力、缺陷及组织不均匀集中区为目的的一种无损检测方法。
磁记忆发展史
金属磁记忆方法——设备和金属结构技术诊断的新方向金属磁记忆方法——这是一种新型无损检测方法，其基本原理是记录在工作载荷作用下设备和金属结构局部应力集中区域中产生的漏磁场。
这时，被检测对象漏磁场的量值反映导磁率张量，而这一张相当于荼载荷作用下形成的变形和应力张量单个零件、制品和焊接接头的漏磁场，相当于它们在地球磁场中制造和冷却后的残余应力张量。
零件、制品和焊接接头磁化强度沿着工作载荷造成的主应力作用方向的不可逆变化以及它们在地球磁场中制造和冷却后的残余磁化强度，我们称之谓金属的磁记忆。
而基于利用这一记忆功能的新型检测方法，我们冠以金属磁记忆方法的名称。
“磁记忆”这一术语以往就曾得到应用和普及，例如在矿石原始磁性研究方面。
在实验室和工业试验中都已提示出金属对于拉伸、压缩、扭曲和周期载茶的磁记忆效应。
磁记忆方法的特殊之点在于，其原理是基于利用在工作戴荷作用下形成之金属稳定位错滑移带区域中所产生的自有漏磁场。
自有漏磁场作为铁磁材料各向异性的外部条件下对工作结构进行人工磁化，都不可能得到像自有漏磁场这样的信息源。
只有在地球磁场这样的小强度外部磁场中，随受载荷结构的奕形能量才能大幅度超过外部磁场能量，也才能形成并获得这样的信息。
我们认为，金属磁记忆方法是技术诊断领域的全新方向。
这是继场发射之后第二次利用结构自身发射信息的方法。
同时，除可早期发现已发展缺陷之外，金属磁记忆方法还能补充提供关于被检测对象实际应力——变形状况的信息，并找出应力集中区域——损伤发展根源的形成原因。
金属磁记忆方法兼有无损检测功能和断裂力学所提供的潜力。
因此，在对工业对象进行检测时，这一方法同其他方法相比较具有一系列重要优点。
它不要求对被检测对象表面做专门准备（清理、打磨等），也不需要专门的人工磁化装置，因为可以利用设备和金属结构在制造和使用过程中的自磁化现象；可实现早期诊断，防患于未然；可完成大体积、大长度结构的检测。
人们知道，工作结构发生损坏的根源是应力集中区域，在这时腐蚀、疲劳和蠕交的发展最为剧烈。
利用金属磁记忆法检测应力集中
利用金属磁记忆法检测应力集中1、前言金属磁记忆检测法是俄罗斯动力诊断公司的杜波夫教授于1994年提出的，并于近期发展起来的用来检测材料应力集中和疲劳损伤的崭新的无损检测方法。
其原理是利用铁磁工件在受载工作过程中，在应力和变形区域内产生的磁场状态的不可逆变化。
在该区域内发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向的和不可逆的重新取向，而且这种磁场状态的不可逆变化在工作载荷消除后不仅会被保留，还与最大作用应力具有某种联系。
采用专门的仪器测量工件表面的磁场，即可发现工件上存在的高应力集中部位，而往往在这些部位容易产生应力腐蚀开裂和疲劳损伤，对于高温设备还容易产生蠕变损伤。
金属磁记忆检测法于1998年由杜波夫教授介绍到我国，并于1999年开始在电力部门开展应用。
目前国内一些大学和研究所已经开展了关于检测机理方面的研究工作，并有许多检验单位使用俄罗斯动力诊断公司研制的磁记忆应力集中检测仪器在锅炉、压力容器、压力管道、飞机、气轮机和一些金属结构构件上开展了大量的检测应用，并取得了很多成果。
2、金属磁记忆法的物理原理金属磁记忆法利用的是自然磁性和金属制件的实际变形或组织变化表现出来的自身磁场的变化。
其主要依据为：磁弹性效应和磁机械效应；在应力集中区中在位错壁上磁畴边界形成和增长的效应；在金属自然磁化条件下，组织和机械不均匀性散射（漏）磁场的效应。
3、金属磁记忆法检测中主要采用的参数1）自有漏磁场Hp的法向和（或）切向分量；dHp2）在长度X上的磁场梯度)(dx4、判断金属制件是否存在应力集中的主要依据。
铁磁制件的自然残磁是在其制造过程(熔炼，锻造，热处理)中形成的。
制件实际磁组织产生机制，是结晶后在低于居里点时，并且一般是在地球磁场中冷却时出现的。
同时，实际制件的冷却过程一般是不均匀的，金属表层比内层冷却更快。
制件体积上形成热应力，由其形成晶格和磁组织。
在晶格缺陷和组织不均匀性最集中的部位(如位错滑移部位)产生磁畴边界固结点并以漏磁场法向分量符号变更线(Hp=0线)的形式表现到制件表面。
焊接接头金属磁记忆法检测国际标准解读
焊接接头金属磁记忆法检测国际标准解读李衍（无锡市锅炉压力容器学会无损检测专委会，江苏无锡214026）摘要：解读用金属磁记忆（MMM）法检测焊接接头质量的国际标准（ISO24497-3）。
重点：检测配置、布置、方式、方法，读图，数据评析。
意在为MMM法对承压设备在制在用检测提供国际准则。
关键词：金属磁记忆（MMM）;焊接接头检测；ISO标准ISO24497《金属磁记忆无损检测》，是由国际焊接学会第V委员会（焊接产品质量控制与质量保证）制定的。
该学会是公认的焊接领域的国际标准化组织。
该标准由以下三部分组成：（1）术语；（2）—般要求；（3）焊接接头检测。
本文解读第三部分即ISO24497-3《焊接接头的MMM检测》的内容（正文+三附录）。
1.适用范围（1）本标准规定用MMM法（金属磁记忆法）对承压设备作NDT（无损检测）的一般要求。
（2）本标准可用于任何类型的产品、管道、容器、设备和金属结构件的焊接接头。
（3）MMM检测所用术语和定义可参阅ISO 24497-1,检测工艺一般要求可参阅ISO 24497—2Z。
2.基本原理2.1MMM法基于焊缝金属自泄漏磁场（SMLF）分布的测量和分析。
焊接过程中在地磁场中引起的自然磁化，用于检测[3]»2.2MMM法可检出机械应力集中区（SCZ）,并对容器、管道、设备及结构件焊接接头临界区，提出作附加NDT的建议。
2.3MMM法与其他常用NDT法（UT、MT、PT、硬度测试）性能有互补性。
2.4MMM法可检测任何尺寸和型式的焊接接头（包括对接、T型、角接、搭接、端接等），且适于检测各种铁磁体和奥氏体钢及其合金、铸铁，各种厚度的焊缝金属。
2.5MMM法可在施工后、施工中或返修后的原始焊缝上进行（即表面不作清理或打磨）。
2.6MMM法检测过程中可发现以下状态⑴由焊接弓I起的残余应力集中区，及其沿焊缝的分布；（2）有可能存在各种微观、宏观缺陷的区域（气孔、夹渣、不连续、裂纹、断裂）；（3）对某一特定焊接接头，采用特殊检测技术后,按磁性参数对缺陷作表征。
金属磁记忆检测技术简介
1金属磁记忆检测技术简介------21世纪的诊断方法赵传明（云天化股份有限公司，云南水富657800）摘要：简要介绍了金属磁记忆检测技术的基本原理、应用范围及用前景。
关键词：金属；磁记忆；检测众所周知，机械应力集中是各种不同用途的金属承力结构件产生疲劳破坏的主要原因之一。
因此，结构件应力的测量、应力状态的评估和早期损伤区域的确定一直是人们十分关心的问题。
如何应用检测仪器，尽早发现结构件的应力集中和早期损伤区域，并进行有针对性的探伤检查和状态监测，对于早期预防结构件断裂故障、防止发生重大事故具有重要意义。
为此，云天化集团压力容器检测站专门从俄罗斯动力诊断公司进口了一整套金属磁记忆检测仪和配套软件，以解决金属承力结构件早期损伤区域全面、快速、准确的诊断问题，并取得了很好的应用效果，从而保证了合成氨、尿素生产装置的长周期安全运行。
1 金属磁记忆基本检测原理当弹性应力作用于铁磁体时，铁磁体会产生磁致伸缩性质的应变，同时也会产生弹性应变，这种现象称为磁弹性效应。
磁记忆检测技术是基于铁磁体的磁弹性效应，是漏磁检测的一种特殊形式。
它是利用地磁场作为磁化场，而不是利用人为外加的磁化场。
铁磁结构件在运行时会受到载荷和地球磁场的共同作用，在应力和变形集中区的磁畴组织会在一定方向重新取向，局部区域产生漏磁场，而且由于内应力和变形，这种磁场是不可逆的，即在外加载荷消失后仍能够保持。
漏磁场的这种“不可逆”效应就成为磁记忆效应。
此外，在地球磁场存在的条件下，金属结构件中缺陷和夹杂物最集中的地方会出现磁畴变化，并也在表面出现漏磁场。
通过检测这种漏磁场，即可发现微小缺陷和应力集中区域。
理论分析可知，在缺陷或内应力集中的地方，金属的磁导率最小，而在表面形成最大的漏磁场。
在应力集中区内，该磁场的切向分量HP(x)具有最大值，而法向分量HP(y)改变符号（过零点）。
因此，应力集中线可根据HP(y)值的符号变化进行判断，而应力集中程度可根据HP(x) 值的大小或HP(y)值在变方向处的变化剃度来计算。
基于磁记忆检测技术的应力磁效应仿真分析
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近年 来 兴 起 的 磁 记 忆 检 测 技 术 是 一 种 新 型 铁
规 律 ，即试 件 的 磁 化 强 度 随 应 力 的变 化 关 系 。本 文以 ２ ０号钢 试样 为 例 进 行 有 限元 仿 真 ，分 析 构 件
摘
要 ：金属磁记忆检测技术是近年来发展起 来 的可预先 检测铁 磁试件 应力集 中、疲劳 损伤程度 的评价 方
磁记忆检测基本原理-涡流探伤仪
20：磁记忆检测基本原理（1）磁记忆原理金属磁记忆方法(MMM)–是一种无损检测方法，其基本原理是记录和分析产生在制件和设备应力集中区中的自有漏磁场的分布情况。
这时，自有漏磁场反映着磁化强度朝着工作载荷主应力作用方向上的不可逆变化，以及零件和焊缝在其制造和于地球磁场中冷却后，其金属组织和制造工艺的遗传性。
金属磁记忆方法在检测中，使用的是天然磁化强度，和制件及设备金属中对实际变形和金属组织变化的以金属磁记忆形式表现出来的后果。
（2）磁记忆效应机械零部件和金属构件发生损坏的主要根源，是各种微观和宏观机械应力集中。
在应力集中区域，腐蚀、疲劳和蠕变过程的发展最为激烈。
机械应力同铁磁材料的自磁化现象和残磁状况有直接的联系，在地磁作用的条件下，缺陷处的导磁率减小，工件表面的漏磁场增大，铁磁性材料的这一特性称为磁机械效应。
磁机械效应的存在使得铁磁性金属工件的表面磁场增强，这一增强了的磁场“记忆”着部件的缺陷或应力集中的位置，这就是“磁记忆”效应。
（3）检测原理众所周知，铁磁性构件加工冷却硬化过程中，冷却硬化比较激烈的地方可能形成颈变，在构件形成颈变处（Hp=0的断面）会发生位错的快速趋近，并引起微裂纹──形成后来构件损坏的发源点或应力集中线。
当应力集中线与外部负荷作用力的方向垂直时，颈变引发构件断裂必定发生在应力集中线上，如果应力集中线沿构件的轴线分布或应力集中（Hp值变化强度）很小时，颈变的位置与构件的断裂往往不重合；虽然如此，但是随着负荷作用力的增加，可出现应力集中线向颈变处偏移。
因此，及时地揭露在役金属构件的应力集中线是非常重要的。
工程部件由于疲劳、蠕变而产生的微裂纹会导致缺陷处出现应力集中，实验研究表明：铁磁性金属部件存在着磁机械效应，其表面上的磁场分布与部件应力载荷有一定的关系，因此可通过检测部件表面的磁场分布情况间接地对部件缺陷和/或应力集中位置进行诊断。
铁磁性部件缺陷或应力集中区域磁场的切向分量Ｈｐ（x）具有最大值，法向分量Ｈｐ(y)改变符号且具有零值。
金属磁记忆方法在压力容器检验中的应用
金属磁记忆方法在压力容器检验中的应用发布时间：2022-12-05T03:44:49.805Z 来源：《工程建设标准化》2022年第15期第8月作者：宋扬[导读] 由于压力容器的特殊性，宋扬37060219901004****摘要：由于压力容器的特殊性，如果在使用中出现了磨损、开裂等问题，很容易发生内部的巨大压力，从而导致安全事故，从而对人身和财产造成威胁，所以，压力容器的检测是各个行业的重点。
本文首先介绍了金属磁性存储器和磁性存储器的基本知识，并对其在压力容器的测试中的具体应用进行了深入的探讨，以期明确其具体的使用方法，从而提高整个压力容器的质量。
?关键词：金属磁记忆；压力容器；实验原理；应用?引言金属磁记忆法是一种新型的非破坏性测试技术，它的基本原理是通过对内部的磁场进行探测，明确部件的缺陷和潜在的风险，具有早期诊断和不需要特殊的磁化设备等特点，在实际中的应用更加突出。
压力容器大多携带有气体和液体，一旦发生裂纹或磨损，在承受较大的内压时，将会增加发生安全事故的危险。
根据国家有关法规和要求，定期进行压力容器的检查，其中，金属磁性记忆法具有很多优点，可以在压力容器检查中及时发现相应的应力集中点，从而大大提高了整个压力容器的质量。
1金属磁记忆检测技术原理和特征分析1.1金属磁记忆检测技术原理铁磁材料处于应力作用下拥有磁机械、磁弹性效应，金属处于实际应力作用下，内部形成位错运动，形成相应的滑移。
错位运动受相应阻碍时，会发生汇集的应力，即便将外力予以去除，仍具有存留的应力，残留应力的存在导致结构内自由可显著增加，结合实际相关规范和要求分析，体系内自发进行的过程是降低整个体系自由能的过程，所以对铁磁整个构件而言，为从本质层面降低整个体系的自由能，实际应力集中区处于地球磁场作用下，产生磁范围内的自发转动，形成相应的磁极，充分依托磁能形式将部分集中应力引发的弹性能抵消。
其结果处于金属表面产生特定的漏磁场，进而产生磁记忆，检测该漏磁场分布基本特征，可精准获取构件应力集中部位及大小分布，检测造成应力集中的区域和存在缺陷的主要部位。
金属磁记忆检测原理
金属磁记忆检测原理1金属磁记忆检测技术概述 (1)2 铁磁性物质的磁性 (2)2.1物质的磁性 (2)①宏观物质磁性 (2)②微观物质磁性 (2)2.2铁磁性物质的磁性 (2)①铁磁性材料的基本现象 (2)②铁磁性物质磁性 (3)3 磁记忆检测原理 (4)3.1 磁机械效应 (4)3.2磁弹性效应 (5)3.3 磁记忆效应 (6)1金属磁记忆检测技术概述传统的无损检测手段，如射线检测、超声波检测、磁力检测、涡流检测及渗透检测等，虽然在质量控制、安全保障、事故预防等方面发挥着重要作用，但是每一种检测方法都有其局限性，并且它们只能有效地检测出业己成形的宏观缺陷（如裂纹、腐蚀坑等），对于在役金属设备及构件的早期损伤，特别是对于裂纹的萌生阶段，难以实施有效的评价，从而无法避免设备检修后由于意外的疲劳损伤发展而引发的恶性事故。
虽然随着新材料、新结构和新工艺的不断涌现，无损检测新技术也层出不穷，如红外热成像无损检测、激光全息无损检测、声振检测、微波检测等。
但是这些新的检测手段依然不能解决传统的无损检测手段的缺陷。
1997年美国旧金山举行的第50届国际焊接学术会议上，以杜波夫教授为代表的俄罗斯科学家首次提出了金属应力集中区——金属微观变化——磁记忆效应相关学说。
这一被誉为21世纪NDT新技术的检测法，是集常规无损检测、断裂力学和金相学诸多潜在功能于一身的崭新诊断技术，是当前唯一可行的能够无损、快速、便捷、准确地确定铁磁性金属结构上的应力变形集中区，即工件上最危险的部位，以进行早期的结构强度和寿命诊断的诊断方法。
相对于传统的无损检测技术所存在的不足之处，金属磁记忆检测技术有如下一些突出优点：①不需要采用专门的磁化和磁化装置，而是利用构件在地磁场中的自磁化现象；②不需要对构件表面进行专门清理，可在保持金属原始状态下和设备服役情况下进行检测；③不需要采用藕合技术，特别适合外场使用；④仪器轻便、操作简单，检测速度可达100耐h或更高，在诊断过程中可快速确定应力集中点（线）；⑤检测灵敏度高于其它磁检测法，探头和零件表面的小范围间隙变化不影响检测结果。
金属磁记忆法检测
金属磁记忆法检测中国热电站设备部件杜波夫考罗考利尼克夫（《动力诊断》公司俄罗斯莫斯科）《动力诊断》公司在1999-2000年，培训中国专家，演示金属磁记忆法原理和仪表使用方法时，对锅炉和汽轮机的某些部件进行了检测。
检测非过热弯头图1a是某钢铁公司电厂，No.1锅炉，沿No.5弯头（Ø168×16）拉伸母线H P场的分布情况，同时标出最大应力集中区，其特点是场符号变换且有最大梯度dH/dx值。
图1b是H P场在最大应力集中区沿弯头一周的分布。
H P场的梯度值说明，最大应力集中区的金属工作在塑性变形条件下，弯头倾向于发展破损。
图2a是在No.5弯头应力集中区部位H P场分布的立体展开图，该展开图是用12条封闭母线（从中性线到中性线经拉伸侧）的数据做成的。
H P场分布的立体展开图清楚地表明，场的零值区组成封闭的椭圆线-应力集中线。
图2b是所检测的No.5弯头在锅炉结构中的位置。
图2c是检测时在拉伸母线最大应力集中区记录下的某些应力集中线(H P=0) 的位置。
H P=0线具有椭圆的形状，且椭圆的尺寸是管壁厚度的倍数。
最大应力集中区沿H P=0线所作的金相组织分析表明金属内表面层已有损伤。
最大应力集中区а)中性线 中性线 最大应力集中区压缩侧b)图1 某钢铁公司电厂，No.5弯头检测结果a- H P 场沿拉伸母线的分布；b-最大应力集中区H P 场沿弯头一周的分布。
a)b)c) 图2 某钢铁公司电厂，No.5弯头检测结果检测蒸汽轮机转子中心孔图3 是检测时记录下来的最大应力集中区，其特点是H P场符号变换且四个通道上都有最大梯度dH/dx值。
按检测结果得出结论，最大应力集中区有很高的残余应力，是不正确的制造或修理工艺的结果，在应力集中区用内窥镜检查查明了金属损伤。
图3是某电厂CC140N200-127-535型蒸汽轮机中压转子中心孔H P场的分布情况。
依照电厂人员提供的信息，转子从厂家供货后未投入生产使用。
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被检测构件表面不需要进行预处理 ;分别区分塑性变形区 和出弹性变形区。
操作简单快速,可重复性好和可靠性高;确定金属层滑动面 位置和产生疲劳裂纹的具体位置。 可以准确可靠地探测出被检测对象的应力集中部位或微 观缺陷部位 ,可以将裂纹在金属组织中的走向和是否继续 发展显示出来。 是迄今为止唯一有效的铁磁构件早期诊断方法。
发展方向
深入研究磁记忆检测机理
发展磁记忆检测方法的不同组合
建立裂纹的几何形状与应力值之间的数据库
研发磁记忆检测机器人
问题
做疲劳试验没有考虑到所用仪器的磁化作用，导 致测的数据有偏差，是不是制定量化标准的一大 障碍？ 地磁场的存在是否是诱发铁磁构件应力集中区形 成漏磁场的必要条件？ 什么样的材料围起来的空间没有磁场？ 管道表面的磁场信号强度在垂直面上随着远离管 道是否成线性变化？（先从条形磁铁下手）
俄罗斯学者杜波夫1997年公开提出金属磁记忆检测技术。
1999年来到我国参加了中国第七届无损检测年会时介绍 了该种无损检测方法 ,由此金属记忆检测技术在我国兴起 研究浪潮。 2002年俄罗斯焊接协会制定了焊接接头磁记忆检测标准。
磁记忆技术的国内外现状
DOUBOV教授提出了磁记忆效应学说, 基于磁机械效应、自发 磁化及磁致伸缩效应，认为磁记忆是利用构件载荷作用下形成 的位错滑移带区域而出现自由漏磁场。国内对磁记忆检测机理 研究有两个主要的观点: 任吉林等从能量平衡角度来解释了铁 磁体内部磁畴的畴壁发生不可逆的重新取向排列, 形成漏磁场, 提出了基于铁磁学基本理论的能量平衡说。仲维畅从电磁学角 度解释了在电磁感应作用下, 铁磁性材料的非对称弹塑性应变, 进而解释了金属磁记忆的磁机械效应。
磁记忆检测技术的流程图
流程小结
磁记忆检测信号的影响因素、检测信号的降噪、应力集中区判 别的研究、缺陷模式识别及尺寸量化、金属剩余寿命预测是一 个检测过程必须考虑的过程，环环相扣。
磁记忆检测技术的展望
磁记忆检测技术作为一种新型无损检测技术,目前,巳在基 础理论研究、仪器设备的研发、基础试验研究、信号处 理研究、定量化及损伤评估方面研究及工程检测应用等 方面取得了不少研究成果。但是,仍然在机理研究、影响 因素分析、检测重复性与可靠性、定量化评价等方面存 在不少亟待解决的问题。 通过建立缺陷几何尺寸与磁荷的数学模型，考虑参数分 散性与不确定性，对金属构件磁记忆检测中的缺陷模式 的识别及尺寸量化和金属构件剩余寿命进行预测。 发展的方向：量化
磁记忆检测基础理论
应力的磁导率效应理论一即机械应力的不均匀性 导致磁导率分布的不均匀性,进而在地磁场的作用 下引起漏磁场,漏磁场的量值取决于磁导率的不均 匀程度。 Nhomakorabea
应力磁效应的电磁感应理论一即应变引起通过金 属试件的磁通量发生变化 , 产生感生电流 , 进而引 起试件磁化。
磁记忆技术的国内外现状
磁记忆技术的国内外现状
李建伟对单向拉压应力、循环应力及铁磁性材料断裂状态下的 磁机械效应理论模型等研究取得了很大进展，并对磁记忆检测 技术机理模型进行了研究。
邢海燕对临界应力下铁磁性材料早期临界损伤、疲劳损伤评估 及寿命预测等进行了大量尝试，得出一些重要结论。
徐明秀对循环应力下疲劳损伤的磁记忆现象，疲劳阶段的磁机 械效应理论模型，弹性变形中的力磁理论模型、高载荷作用下 的弯曲疲劳损伤中的磁记忆检测、强载荷作用下的疲劳损伤和 影响疲劳过程中的力磁效应，为复杂应力状态下的磁记忆理论 研究奠定了基础。 马松山总结了影响铁磁性材料的力磁机理，并在J-A力-磁理论 模型基础上构建了静载荷和循环载荷下的力磁关系模型并用实 验验证了所建的关系模型。
常用的无损检测方法
射线法（RT）
超声法（UT）
涡流法
磁粉检测法（MT）
渗透检测法（PT）
磁记忆检测基础理论
应力和外磁场共同作用理论一即应力的磁效应是 在应力和外磁场 ( 如地磁场 ) 的共同作用下产生的。 能量最小原理的应力磁化理论一即在外应力的作 用下 , 试件产生磁致伸缩引起磁畴壁移动 , 改变其 自发磁化的方向以增加磁弹性能,来抵消应力能的 增加,从而影响试件在外磁场中的磁化状态。 应力的等效磁场理论一即应力的作用等效于外磁 场,应力改变试件的微观特性和磁畴结构在环境磁 场作用下金属试件表现出磁化特性。
对磁记忆技术的概述
孙晓军
磁记忆检测技术的原理
受地磁场和工作载荷的作用，磁性体内部 微观单元受力不均匀的位置产生应力集中 和变形，磁畴组织会产生逆磁致伸缩性质 转向，重建磁畴结点。在撤销外部载荷之 后，这种磁畴重新取向会以漏磁场的形式 保留在应力与形变集中区。
磁记忆技术的优点
不需要对铁磁材料专门进行磁化 ,就能对铁磁材料进行可 靠的检测。