鐵磁構(gòu)件磁記憶檢測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展

冷建成,徐敏強(qiáng),邢海燕

(1大慶石油學(xué)院機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江大慶163318;2哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院,哈爾濱150001)

鐵磁構(gòu)件磁記憶檢測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展

冷建成1,2,徐敏強(qiáng)2,邢海燕1

(1大慶石油學(xué)院機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江大慶163318;2哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院,哈爾濱150001)

金屬磁記憶技術(shù)在檢測(cè)鐵磁構(gòu)件應(yīng)力集中和疲勞損傷等早期失效方面具有潛力。從磁記憶效應(yīng)的機(jī)理研究、基礎(chǔ)性試驗(yàn)探討到檢測(cè)信號(hào)的影響因素分析以及工程應(yīng)用,對(duì)該技術(shù)在近幾年來的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述,并討論了其在理論和實(shí)際應(yīng)用中存在的問題。在國內(nèi)外現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上,指出了磁記憶檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)和需要進(jìn)一步研究的發(fā)展方向。

早期失效;金屬磁記憶;力磁耦合;影響因素;判斷準(zhǔn)則

無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)保障設(shè)備在設(shè)計(jì)試驗(yàn)、生產(chǎn)制造、運(yùn)行使用等各個(gè)階段的可靠性和安全性起著重要的作用,但傳統(tǒng)的無損檢測(cè)方法僅能發(fā)現(xiàn)宏觀缺陷,而絕大多數(shù)宏觀缺陷都是由各種微缺陷發(fā)展而來的。微缺陷的形成常常與應(yīng)力集中有關(guān),構(gòu)件中的應(yīng)力集中區(qū)域在產(chǎn)生可檢測(cè)的裂紋或缺陷之前,已經(jīng)存在隱性損傷。構(gòu)件在服役過程中,承載能力會(huì)逐步降低,尤其是一些大幅值交變載荷作用下的機(jī)械設(shè)備,從微缺陷發(fā)展到宏觀缺陷具有突發(fā)性,有可能在毫無征兆的情況下導(dǎo)致構(gòu)件的突然失效,如飛機(jī)、壓力容器、蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)子葉片等設(shè)備。因此,對(duì)應(yīng)力集中狀態(tài)尤其是裂紋產(chǎn)生前的臨界應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行診斷,是對(duì)設(shè)備和構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與可靠性評(píng)價(jià)的重要依據(jù),但目前常規(guī)的無損檢測(cè)方法對(duì)于還未形成明顯的物理不連續(xù)如應(yīng)力集中,難以實(shí)施有效的評(píng)價(jià)。

20世紀(jì)七八十年代,前蘇聯(lián)金屬物理研究所、應(yīng)用物理研究所,西德費(fèi)爾什捷爾研究所等研究中心測(cè)量試件殘余磁場(chǎng)要預(yù)先磁化,試件的自然磁場(chǎng)被視為干擾因素。俄羅斯學(xué)者Dubov最早于1994年提出金屬磁記憶的概念[1]。1998年,在第50屆國際焊接學(xué)術(shù)會(huì)議上,Dubov提出了金屬應(yīng)力集中區(qū)-微觀變化-磁記憶檢測(cè)相關(guān)技術(shù)[2],能可靠檢測(cè)出以應(yīng)力集中為特征的鐵磁材料的危險(xiǎn)部位,是對(duì)鐵磁構(gòu)件進(jìn)行早期診斷的一種新的無損檢測(cè)方法。1999年汕頭召開的第7屆全國無損檢測(cè)學(xué)術(shù)年會(huì)暨國際學(xué)術(shù)研討會(huì)上,Dubov發(fā)表了一篇介紹磁記憶檢測(cè)基本原理及其在管道、壓力容器上應(yīng)用的文章[3],得到國內(nèi)學(xué)術(shù)界的普遍關(guān)注。

由于磁記憶檢測(cè)源自工程實(shí)踐,目前尚缺乏完善的理論體系,影響弱磁信號(hào)的各種因素解釋不清,致使工程應(yīng)用中很難制定相應(yīng)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。不同于傳統(tǒng)的漏磁檢測(cè)方法,金屬磁記憶是一種檢測(cè)應(yīng)力狀態(tài)的方法,它利用的是工作載荷和地磁場(chǎng)共同作用下形成的位錯(cuò)穩(wěn)定滑移帶區(qū)域中出現(xiàn)的自有漏磁場(chǎng),而漏磁檢測(cè)測(cè)量的是外加磁場(chǎng)在缺陷處的漏磁場(chǎng),二者具有本質(zhì)的不同。該技術(shù)集無損檢測(cè)、斷裂力學(xué)、金屬學(xué)等學(xué)科于一體,不僅可以用來準(zhǔn)確確定在役運(yùn)行設(shè)備上正在形成或發(fā)展中的金屬缺陷區(qū)段,亦可以在設(shè)備或構(gòu)件的疲勞試驗(yàn)中準(zhǔn)確確定應(yīng)力集中的部位,為無損評(píng)估技術(shù)在構(gòu)件失效前的早期診斷提供了新的方向[2]。

1 磁記憶效應(yīng)的機(jī)理研究

構(gòu)建反映磁記憶效應(yīng)的機(jī)理模型,是無損檢測(cè)定量化的基礎(chǔ),也是工程應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化的要求,對(duì)于推廣和提高磁記憶技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

1.1 唯象本構(gòu)模型

金屬磁記憶方法的物理基礎(chǔ)源自磁彈性效應(yīng)和磁機(jī)械效應(yīng)、應(yīng)力集中區(qū)中位錯(cuò)壁上磁疇邊界的固鎖效應(yīng)以及金屬天然磁化強(qiáng)度條件下組織和機(jī)械強(qiáng)度不均勻性造成的漏磁場(chǎng)效應(yīng)[2],其實(shí)質(zhì)是鐵磁性構(gòu)件在恒定弱磁場(chǎng),如地磁場(chǎng)下的力-磁耦合作用。在金屬磁記憶理論提出之前,應(yīng)力與磁性能之間的關(guān)系早已受到各國學(xué)者的關(guān)注,并做了大量的試驗(yàn)來研究拉壓[4,5]、扭轉(zhuǎn)[6]等不同應(yīng)力下對(duì)磁化過程、磁滯回線、磁導(dǎo)率、矯頑力等參數(shù)的影響。

目前力-磁關(guān)系研究中較為系統(tǒng)的是磁機(jī)械效應(yīng)理論。早先Bozorth[7]基于磁化過程是可逆的假設(shè),探討了由于磁致伸縮而引起的磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化;Brown[8]在其提出的理論中,假設(shè)弱磁場(chǎng)下應(yīng)力對(duì)疇壁位移的作用遵循瑞利定律,但與后來的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[9]不相符合;無限小可逆條件下建立的熱動(dòng)力學(xué)關(guān)系方程與磁化過程本質(zhì)上是不可逆的相矛盾。Jiles和Atherton[10]提出了接近定律,并基于有效場(chǎng)理論建立了單向應(yīng)力作用下鐵磁性材料的磁機(jī)械效應(yīng)理論模型[11]。該模型認(rèn)為磁化過程包括可逆和不可逆磁化,材料磁化強(qiáng)度的變化不僅與應(yīng)力有關(guān),還與材料的非滯后磁化強(qiáng)度有關(guān);外加應(yīng)力對(duì)磁化強(qiáng)度的影響是一個(gè)剩余磁化強(qiáng)度不斷向非滯后磁化強(qiáng)度靠近的不可逆過程。隨后,Li[12]在原有模型的基礎(chǔ)上引入弱磁場(chǎng)中磁化的瑞利定律,提出了改進(jìn)的磁機(jī)械效應(yīng)模型。

在上述磁機(jī)械效應(yīng)的研究中都存在外加磁場(chǎng),很少提及地磁場(chǎng)的任用;而磁記憶效應(yīng)強(qiáng)調(diào)了地磁場(chǎng)作為激勵(lì)源的作用。磁機(jī)械效應(yīng)主要描述應(yīng)力對(duì)磁化的關(guān)系模型,為磁性材料的各種應(yīng)用提供理論基礎(chǔ);而磁記憶效應(yīng)偏重于應(yīng)力集中及微損傷引起的磁信號(hào)畸變特征,并將其應(yīng)用于無損檢測(cè)領(lǐng)域。二者的本質(zhì)是一致的,其根源來自鐵磁性材料的自發(fā)磁化和能量平衡原理。目前磁機(jī)械效應(yīng)的研究主要局限于彈性范圍,其理論模型僅適用于彈性階段;磁記憶效應(yīng)中也只提到磁彈性效應(yīng),那么是不是也有相應(yīng)的“磁塑性效應(yīng)”?這些問題的深入研究都有助于解釋實(shí)驗(yàn)及檢測(cè)中出現(xiàn)的復(fù)雜現(xiàn)象。

1.2 微觀機(jī)制

上述唯象本構(gòu)模型并不涉及對(duì)材料的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的解釋,但從微觀角度分析,應(yīng)力的增加將導(dǎo)致磁疇的運(yùn)動(dòng)和變化。Fukawa[13]對(duì)Si-Fe單晶表面圓珠劃痕進(jìn)行了應(yīng)力分析和磁疇觀察,Sablik[14]建立了磁滯和應(yīng)力影響磁性能的微磁模型。Yamanoto[15]觀察了1A/m弱磁場(chǎng)下應(yīng)力產(chǎn)生的磁疇變化,Notoji[16]在塑性變形區(qū)發(fā)現(xiàn)了材料表面有楔形磁疇出現(xiàn)。Zhu[17]建立了應(yīng)力影響磁疇運(yùn)動(dòng)的微磁模型,并通過實(shí)驗(yàn)和仿真進(jìn)行了驗(yàn)證;Bulte[18]則從原子尺度上引入磁矩的自旋-自旋耦合和自旋-軌道耦合,對(duì)應(yīng)力致磁進(jìn)行了微觀解釋。任吉林[19]利用粉紋法來觀察受力程度不同的試件的磁疇結(jié)構(gòu),分析了不同殘余應(yīng)力對(duì)磁疇的影響。事實(shí)上,應(yīng)力將促使材料內(nèi)部的磁疇組織發(fā)生變化,疇壁產(chǎn)生不可逆偏轉(zhuǎn),并改變了磁導(dǎo)率,進(jìn)而改變?cè)嚰砻娴奈⒂^結(jié)構(gòu),從而使得所測(cè)磁場(chǎng)發(fā)生改變。

盡管對(duì)于鐵磁材料力磁耦合行為的細(xì)觀本構(gòu)已有一些探索,但目前還沒有較為成熟的模型。借助微磁學(xué)理論可以揭示磁性材料內(nèi)部的磁矩分布和疇壁演化過程,同時(shí)得到材料的宏觀磁參數(shù),有望建立微觀磁性和宏觀磁性之間的聯(lián)系。

2 磁記憶效應(yīng)的基礎(chǔ)性試驗(yàn)研究

在進(jìn)行磁記憶機(jī)理的研究中,國內(nèi)外學(xué)者更多的是開展試驗(yàn)研究。

2.1 靜載試驗(yàn)

大多數(shù)靜載拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:未退磁試件表面各點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度的法向分量,即磁信號(hào)在彈性和塑性階段具有不同的變化趨勢(shì),彈性階段由初始無規(guī)律分布逐漸向磁有序狀態(tài)轉(zhuǎn)變,而塑性階段磁信號(hào)幾乎不再隨載荷變化[20,21];退磁試件在彈性范圍內(nèi)近似為一斜直線分布,直線斜率的絕對(duì)值隨載荷的增加而變大,至屈服極限時(shí)達(dá)到最大,塑性變形后逐漸減小[22,23]。無論加載前試件是否經(jīng)過退磁處理,斷裂瞬間均有一致的表現(xiàn):斷口處磁信號(hào)激增,且兩端極性相反,呈明顯的漏磁缺陷信號(hào)曲線特征。在拉伸試驗(yàn)中,對(duì)彈性范圍內(nèi)磁信號(hào)與應(yīng)力之間的關(guān)系研究較多,基于磁機(jī)械效應(yīng)的等效場(chǎng)理論模型很好解釋了應(yīng)力導(dǎo)致畸變磁場(chǎng)反向的原因[24];塑性階段力磁關(guān)系變得更為復(fù)雜,大多是從位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的微觀角度進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。唯一的拉壓試驗(yàn)[25]表明壓應(yīng)力對(duì)材料磁化強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)小于拉應(yīng)力,這也許是文獻(xiàn)中很少利用壓縮試驗(yàn)來探討磁記憶效應(yīng)的原因。

但不管怎樣,試件本身的剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生明顯不同的影響;由于某些人為的預(yù)制缺口位置也會(huì)出現(xiàn)磁信號(hào)過零現(xiàn)象,但這實(shí)際上并不一定是應(yīng)力集中區(qū),所以僅僅借助過零點(diǎn)特征不能完全表征試件的潛在危險(xiǎn)部位。

相比拉伸實(shí)驗(yàn),扭轉(zhuǎn)和彎曲實(shí)驗(yàn)做得較少。在扭轉(zhuǎn)載荷作用下,磁信號(hào)在彈性區(qū)呈單調(diào)遞增而塑性區(qū)呈緩慢下降趨勢(shì)[26];但也有試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)試件屈服后磁信號(hào)會(huì)產(chǎn)生較大幅度的提高[27]。在三點(diǎn)彎曲復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下[28],磁信號(hào)在受拉層和受壓層表現(xiàn)為不同的極性,中性層中心處的磁場(chǎng)梯度值與切應(yīng)力相對(duì)應(yīng)。

可見,鐵磁性材料中機(jī)械應(yīng)力和由它引起的漏磁場(chǎng)間有著相當(dāng)復(fù)雜的關(guān)系,并無期望的單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于缺乏相應(yīng)的理論模型,對(duì)磁信號(hào)與應(yīng)力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系解釋很籠統(tǒng),沒有提出試件達(dá)到屈服或頸縮臨界狀態(tài)時(shí)的磁記憶敏感參數(shù);當(dāng)然,塑性階段的應(yīng)力或應(yīng)變與磁信號(hào)之間的定量關(guān)系更無從說起。

2.2 疲勞試驗(yàn)

拉-拉疲勞被廣泛用于疲勞試驗(yàn)研究,未退磁試件表面各點(diǎn)的磁信號(hào)在前幾輪加載循環(huán)后迅速改變,達(dá)到一定次數(shù)后逐漸趨于穩(wěn)定并保持至試件斷裂[29],同時(shí)表明磁記憶信號(hào)對(duì)高載疲勞和含缺陷試件的損傷判別能力更強(qiáng)[30];退磁含缺口試件在應(yīng)力集中部位磁信號(hào)出現(xiàn)異?；?且峰峰值和疲勞裂紋長(zhǎng)度具有線性相關(guān)性[31,32]。與拉伸斷裂時(shí)相似,在疲勞破壞前瞬間也產(chǎn)生磁場(chǎng)突變現(xiàn)象。由于散射磁場(chǎng)法向分量和切向分量的物理意義并不明確,切向分量被嘗試用于拉壓疲勞試驗(yàn)分析中,結(jié)果表明在整個(gè)疲勞過程中表現(xiàn)出振蕩、突變和收斂的規(guī)律[33]。

在三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)中,不同循環(huán)次數(shù)下應(yīng)力集中區(qū)的磁場(chǎng)峰峰值與疲勞過程的三個(gè)階段相對(duì)應(yīng),表明磁記憶技術(shù)可用于疲勞損傷評(píng)估[34]。如何提取表征疲勞損傷的特征參數(shù),以及建立特定鐵磁材料的剩余壽命預(yù)測(cè)模型還需要很多工作要做。

綜上所述,磁記憶效應(yīng)的基礎(chǔ)性試驗(yàn)研究常見于對(duì)特定實(shí)驗(yàn)條件下的現(xiàn)象進(jìn)行定性分析和解釋,試驗(yàn)結(jié)果沒有比較的標(biāo)準(zhǔn),致使不同學(xué)者做的相同試驗(yàn)可能會(huì)得到不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,其中的原因還有待澄清,不同材料、形狀、熱處理?xiàng)l件以及環(huán)境磁場(chǎng)等初始參數(shù)對(duì)磁記憶檢測(cè)的影響有待明確,只有找出不同應(yīng)力作用下磁記憶效應(yīng)適用的一般性規(guī)律,才能對(duì)檢測(cè)結(jié)果作出準(zhǔn)確、科學(xué)的評(píng)價(jià)。

3 磁記憶檢測(cè)信號(hào)的影響因素分析

除了基礎(chǔ)性試驗(yàn)研究中涉及的鐵磁材料的化學(xué)成分、試件形狀和人為缺口、熱處理工藝、環(huán)境磁場(chǎng)等原始參數(shù)對(duì)磁記憶信號(hào)具有明顯的影響之外,人為因素如檢測(cè)方法及分析手段也會(huì)影響到檢測(cè)信號(hào)中特征量的提取,從而影響最終診斷結(jié)果。

3.1 檢測(cè)過程

構(gòu)件的放置方向會(huì)影響所測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小,但磁場(chǎng)的分布規(guī)律沒有改變,即對(duì)應(yīng)力集中區(qū)的判斷不會(huì)影響[35];但也有研究建議檢測(cè)時(shí)試件東西水平放置可減小地磁場(chǎng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾[36]?？梢?雖然地磁場(chǎng)是磁記憶效應(yīng)的激勵(lì)源已被基本公認(rèn),但表征磁記憶現(xiàn)象的磁場(chǎng)與地磁場(chǎng)之間的關(guān)系尚缺乏一致的結(jié)論。

另外,提離值對(duì)所測(cè)磁信號(hào)的影響類似漏磁檢測(cè):隨著提離值的增加,磁信號(hào)值越來越小,但整個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線并沒改變[35]。所以,為了減小人為測(cè)量誤差,可采用自動(dòng)掃描裝置進(jìn)行信號(hào)采集。

在工程實(shí)際中,由于被檢對(duì)象的安裝位置和放置方向一般來說都是固定的,所以盡可能在方便的方位進(jìn)行檢測(cè),但探頭與檢測(cè)面的提離值應(yīng)盡量保持相同。

當(dāng)試件在加載和卸載不同條件下進(jìn)行磁記憶檢測(cè)時(shí),得到的磁信號(hào)差別顯著[37]:當(dāng)試驗(yàn)機(jī)夾具由鐵磁性材料制成時(shí)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng),這就相當(dāng)于在試件兩端有一個(gè)變化的外加磁場(chǎng)干擾,因而在線檢測(cè)結(jié)果就會(huì)受到較大影響,從而使診斷判據(jù)失效;相比之下,對(duì)應(yīng)的離線檢測(cè)效果良好,能夠捕捉到應(yīng)力集中區(qū)或危險(xiǎn)部位。

實(shí)質(zhì)上,在線加載檢測(cè)對(duì)應(yīng)工作應(yīng)力下的磁信號(hào)變化,而離線卸載檢測(cè)對(duì)應(yīng)殘余應(yīng)力下的磁信號(hào)變化。如果沒有外加磁場(chǎng)的干擾,在線檢測(cè)可用于確定局部應(yīng)力集中區(qū)的位置并評(píng)價(jià)其性質(zhì);離線檢測(cè)可反映制件和焊接接頭的組織的不均勻性。不管哪種檢測(cè)都可以發(fā)現(xiàn)早期缺陷,從而找到構(gòu)件損壞發(fā)展的主要根源。

3.2 結(jié)果分析

為了評(píng)價(jià)應(yīng)力集中區(qū),常用的診斷參數(shù)是磁場(chǎng)法向分量符號(hào)變換線(Hy=0線)及其梯度最大;要定量評(píng)估應(yīng)力集中水平,需要確定通過應(yīng)力集中線磁場(chǎng)法向分量Hy的梯度值,即應(yīng)力集中區(qū)漏磁場(chǎng)梯度值;定義磁指標(biāo),即可用來確定被檢金屬是否瀕臨損傷的極限狀態(tài)[38]。在焊接裂紋的磁記憶檢測(cè)中,曾提出用6個(gè)信號(hào)特征來判別[39],但所提參數(shù)在工程中是否可靠或通用,還有待實(shí)踐的檢驗(yàn)。

磁記憶信號(hào)屬于弱磁信號(hào),所以很容易受外界環(huán)境及探頭抖動(dòng)等其他因素干擾,對(duì)噪聲很敏感。確切地說,磁記憶檢測(cè)信號(hào)屬于低頻空間域信號(hào),具有非平穩(wěn)特性。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),磁記憶信號(hào)由于是鐵磁工件自然散射的漏磁場(chǎng),受探頭移動(dòng)速度影響不大,所以可直接應(yīng)用時(shí)間域信號(hào)的處理方法。對(duì)于這種含有噪聲非平穩(wěn)性的磁記憶信號(hào),將指數(shù)小波去噪技術(shù)和 Hilbert變換[40]、數(shù)字平滑和小波去噪方法[41]引入到磁記憶檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)處理中,可以提高信噪比。

在分析危險(xiǎn)部位磁記憶異常信號(hào)的基礎(chǔ)上,利用現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行特征提取,并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能方法進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別,還有很長(zhǎng)的一段路要走;但明確這些人為因素對(duì)磁記憶檢測(cè)精度的影響將有助于指導(dǎo)工程應(yīng)用時(shí)的檢測(cè)過程和結(jié)果分析,從而為檢測(cè)報(bào)告及標(biāo)準(zhǔn)的制定提供依據(jù)。

4 工程應(yīng)用

俄羅斯動(dòng)力診斷公司最先開發(fā)了專門的檢測(cè)儀器TSCM-2FM,TSC-1M-4型應(yīng)力集中磁指示儀和EMIC-1型裂紋電磁指示儀。目前國內(nèi)已相繼推出了基于霍爾元件的磁記憶傳感器和基于磁敏電阻的磁記憶傳感器,廈門愛德森電子有限公司開發(fā)出 EMS-2000智能磁記憶金屬診斷儀及相關(guān)軟件系統(tǒng),近年西安永安檢測(cè)設(shè)備有限公司亦開發(fā)出ZWJ-A型智能微磁檢測(cè)儀。此外,清華大學(xué)、北京理工大學(xué)等高校也開發(fā)了相應(yīng)的磁記憶檢測(cè)設(shè)備。

磁記憶檢測(cè)技術(shù)能否得到有效應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵就是檢測(cè)設(shè)備,而檢測(cè)設(shè)備的核心則是磁敏傳感器的研制?？臻g中磁場(chǎng)強(qiáng)度有3個(gè)方向,而目前的磁記憶儀多為檢測(cè)法向分量,這樣就丟失了2個(gè)切向信息,因此研制3個(gè)方向的微磁傳感器是有必要的;另外,對(duì)于重要設(shè)備的在線監(jiān)測(cè),需要開發(fā)能連續(xù)自動(dòng)采集的磁測(cè)系統(tǒng)。

在工程應(yīng)用方面,Dubov等證明了金屬磁記憶方法用于早期診斷的可行性[2,3],將磁記憶技術(shù)應(yīng)用于化工設(shè)備、鍋爐、渦輪葉片、管道的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),并提出了用金屬磁記憶技術(shù)來判斷金屬性能的方法;通過對(duì)帶有缺陷的鐵磁性管件受力時(shí)散射磁場(chǎng)特點(diǎn)的研究,提出了確定鐵磁性材料產(chǎn)品中殘余應(yīng)力的方法[42],并利用金屬磁記憶方法來控制焊接質(zhì)量[43];總結(jié)了傳統(tǒng)無損檢測(cè)方法在剩余壽命評(píng)估上的局限性,對(duì)比論證了磁記憶技術(shù)探測(cè)應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行壽命評(píng)估的可行性[44]。

波蘭學(xué)者Lesiak等將神經(jīng)元分類器應(yīng)用于鐵軌的磁記憶檢測(cè)[45],英國學(xué)者Wilson等通過拉伸試驗(yàn)研究用磁記憶技術(shù)測(cè)量應(yīng)力[46]。國內(nèi)對(duì)磁記憶技術(shù)的應(yīng)用也進(jìn)行了大量研究,李午申等對(duì)焊接裂紋磁記憶信號(hào)的零點(diǎn)特征[47]及特征提取[48]、定量化[49]進(jìn)行了比較深入的研究;張衛(wèi)民等將磁記憶技術(shù)應(yīng)用到應(yīng)力腐蝕[50]、壓力容器[51]、承載鐵磁性連接件[52]等金屬零部件。目前,磁記憶檢測(cè)技術(shù)已應(yīng)用于航空[53]、電力[54]、石油[55]、化工[56]、機(jī)械[57]等各行業(yè)。

可見,磁記憶技術(shù)在壓力容器、管道等領(lǐng)域應(yīng)用較多,有研究表明塊狀構(gòu)件并不適于磁記憶檢測(cè)[58];因此該技術(shù)對(duì)檢測(cè)對(duì)象是否有局限性或其適用范圍,還有待于理論和實(shí)踐來證實(shí)。

在行業(yè)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)制訂和推廣方面,俄羅斯國家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)正式出版三個(gè)無損檢測(cè)金屬磁記憶方法的標(biāo)準(zhǔn):術(shù)語與定義、基本要求、工業(yè)和運(yùn)輸項(xiàng)目應(yīng)力-變形狀態(tài)檢測(cè)基本要求,俄羅斯焊接科學(xué)技術(shù)學(xué)會(huì)批準(zhǔn)了設(shè)備和結(jié)構(gòu)焊接接頭金屬磁記憶方法(磁記憶方法-檢測(cè))標(biāo)準(zhǔn),但這些標(biāo)準(zhǔn)多為指導(dǎo)性的,只是作為實(shí)際檢測(cè)的參考。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織頒布了三個(gè)金屬磁記憶技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn),包括詞匯、一般要求、焊接接頭檢測(cè)。在國內(nèi),磁記憶技術(shù)雖然在不同領(lǐng)域得到了應(yīng)用,但檢測(cè)的可靠性還需得到驗(yàn)證,目前還未在任何行業(yè)領(lǐng)域建立相應(yīng)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),尚缺乏統(tǒng)一的指導(dǎo)性建議。

5 展望

雖然早在1900年就發(fā)現(xiàn)了拉應(yīng)力作用下鐵制工件磁化強(qiáng)度會(huì)發(fā)生改變,1982年應(yīng)力致磁化改變現(xiàn)象用于無損檢測(cè)應(yīng)用,但直到磁記憶概念的提出,一種確定金屬結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)力-變形狀態(tài)的新無損檢測(cè)方法才得到大家的關(guān)注。作為一門問世不久的嶄新技術(shù),磁記憶檢測(cè)還面臨許多有待解決的問題,尤其在以下幾個(gè)方面需要開展進(jìn)一步研究。

(1)磁記憶效應(yīng)的宏微觀機(jī)理研究

磁記憶檢測(cè)機(jī)理的研究涉及鐵磁學(xué)、磁性物理學(xué)、金屬學(xué)、彈塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)等多個(gè)學(xué)科,借助磁彈性和熱磁彈性理論可研究應(yīng)力場(chǎng)和磁場(chǎng)之間的關(guān)系,尤其是磁場(chǎng)畸變與結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形、細(xì)觀損傷以及宏觀缺陷之間的定量關(guān)系;借助鐵磁學(xué)和磁性物理學(xué)從微觀角度可研究應(yīng)力作用時(shí)磁疇、疇壁的可逆與不可逆轉(zhuǎn)向,分析組織的微觀變化與宏觀磁化之間的對(duì)應(yīng)。磁記憶技術(shù)宏觀規(guī)律和微觀機(jī)制理論體系的建立,無疑會(huì)大大促進(jìn)磁無損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。

(2)磁記憶信號(hào)的影響因素分析

影響力-磁效應(yīng)的因素很多,包括前文提到的原始參數(shù)和人為干擾,只有找到各種因素之間的關(guān)聯(lián),并確定在不同初始條件下應(yīng)力集中區(qū)損傷程度與磁信號(hào)之間的定量對(duì)應(yīng)關(guān)系,才能用于鐵磁制件早期損傷的準(zhǔn)確診斷。研究如何去除諸多因素對(duì)磁記憶檢測(cè)方法的干擾,為確定可靠的診斷參數(shù)提供依據(jù)。

(3)檢測(cè)手段的提高與判斷準(zhǔn)則的制定

目前的磁記憶檢測(cè)儀大多只提供散射磁場(chǎng)的法向分量,這樣就很難精確描述應(yīng)力引起的磁場(chǎng)變化,因此發(fā)展和完善多通道、多參量診斷系統(tǒng)具有重要的應(yīng)用意義;并在此基礎(chǔ)上確定特定條件下的檢測(cè)過程和損傷判斷準(zhǔn)則。另外,任何一種無損檢測(cè)方法都不是萬能的,磁記憶技術(shù)也不例外,在工程應(yīng)用中應(yīng)注意和其他方法相結(jié)合,在充分發(fā)揮其早期發(fā)現(xiàn)缺陷的優(yōu)勢(shì)的同時(shí),利用傳統(tǒng)無損檢測(cè)方法如漏磁檢測(cè)可更好地實(shí)現(xiàn)宏觀缺陷定量化。

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Research Progress of Metal Magnetic Memory Testing Technique in Ferromagnetic Components

L ENGJian-cheng1,2,XU Min-qiang2,XING Hai-yan1
(1 Department of Mechanical Science and Engineering,Daqing Petroleum Institute,Daqing 163318,Heilongjiang,China;2 School of Astronautics,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

Metal magnetic memory technique has potentials to detect early failure,such as stress concentration and fatigue damage of ferromagnetic components.The paper summarizes recent advances in the developments of magnetic memory technique,from mechanism study,basic experiments to influence factors on detection signals and its engineering application,and discusses some questions in theory and practical applications.The characteristics and future research directions of metal magnetic memory technique are also presented on the basis of the current research status at home and abroad.

early failure;metal magnetic memory;magnetic-mechanical coupling;influence factor;failure criteria

TG115.28

A

1001-4381(2010)11-0088-06

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(10772061);博士點(diǎn)青年教師基金(20092322120001);黑龍江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(A200907)

2009-05-08;

2010-04-08

冷建成(1977—),男,博士研究生,從事電磁無損檢測(cè)方面研究工作,聯(lián)系地址:哈爾濱工業(yè)大學(xué)飛行器動(dòng)力學(xué)與控制研究所137#信箱(150001),E-mail:lbyljc@163.com