金属磁记忆（MMM）检测方法

xin15 · 发表于 2011-7-13 23:58:25

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　　1 金属磁记忆检测原理［4］
　　为满足系统能量总是向着能量最小的方向发展的趋势，晶体中会产生磁致伸缩现象。磁致伸缩是指一切伴随着铁磁性物质的磁化状态而产生的大小和形状的变化，同时也包括由应力产生的磁化状态的变化。铁磁物质磁化时其长度发生变化的效应称为线性磁致伸缩，而体积发生变化时称为体积磁致伸缩。该效应的产生使单晶在晶轴方向磁化时发生线性磁致伸缩，大小可用磁致伸缩系数λ表示，即
　　(1)
　　式中， —晶体在某晶轴上的长度；
　　—由于磁致伸缩引起的该晶轴方向上长度变化量。
　　λ为正时表现为沿晶轴方向伸长，为负时则表现为缩短现象。通常磁致伸缩现象的产生会引起磁弹性能的改变，它的存在使得自发磁化强度的方向发生变化。
　　当弹性应力作用于铁磁体时，还会产生磁弹性效应，即由于应力作用，铁磁体不但会产生弹性效应，还会产生磁致伸缩性质的应变的现象，从而引起磁畴壁的位移，改变自发磁化的方向。其产生是因为铁磁物质受到外力作用后，会在磁晶体内增添应力能引起的。磁致伸缩系数λ为正时，畴壁趋向平行于张力的方向；λ为负时，将趋向垂直张力。
　　铁磁体在受到外应力作用下，磁晶体内总的自由能E比没有受到外力时多出了应力能部分，可以表述为：
　　(2)
　　其中，为磁晶各向异性能；为磁弹性能；为弹性能；为由应力引起的应力能。
　　由“能量最小”原则，只有减小应力能使其趋于最小，或改变原有的磁弹性能才能使E最小，从而使磁体处于稳定状态。
　　外力存在时，应力存在或残余应力会使应力能增加。应力引起的形变及其引起的磁体内的自发磁化方向的改变将会增加磁弹性能，来抵消应力能的增加。
　　以上即为外力作用会使铁磁体产生磁致伸缩性质的形变，从而磁畴壁发生位移，改变自发磁化方向的原因。
　　因此，铁制工件在运行时，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组织定向的和不可逆的重新取向，而且这种状态的不可逆变化在工作载荷消除后不仅会保留，还与最大作用力有关。工件由于受工作载荷的作用，其残余磁性会发生改变和重新分布，并在表面形成漏磁场，在应力与变形集中区形成最大的漏磁场Hp的变化。这种磁状态“记忆”着微观缺陷或应力集中的位置，即所谓的“磁记忆效应”。
　　此时，表面漏磁场的切向分量Hp(x)具有最大值，而法向分量Hp(y)改变符号且具有零值点。通过检测构件表面的宏观漏磁场即可以检测到焊接接头内部应力集中的存在及应力集中的程度。实际中通过漏磁场法向分量Hp(y)的测定，便可以准确的推断工件的应力集中区。
　　2 主要诊断设备
　　基于金属磁记忆原理，目前国内已经研制出了磁记忆检测仪器EMS—2000及其配套数据处理软件系统M3DPS［4～6］；而目前国外同类产品是由俄罗斯开发的TSC-1M型应力集中磁指示仪。该仪表采用金属磁记忆法检测结构应力—变形状态，配有专用四通道铁磁探测式传感器，能够根据检测得的磁场法向分量强度值和变化特性，对结构应力-变形状态进行评价。TSC-1M型技术磁记忆检测仪功能较强、灵敏度较高、适用性强。其配套数据处理软件MM-CYSTEM具有较丰富的图形显示和灵活的打印功能，目前该套仪器在多个国家得到推广和应用。
　　3 国内外发展现状
　　3.1国外研究现状[3～5]
　　金属磁记忆技术经俄罗斯Doubov教授20多年来的研究和开发，不仅在其物理原理上有了较深入的研究，开发出专门的检测仪器，制定了检测方法，而且还建立了相应的应力、变形集中区的判定准则和针对不同检测对象的十几个检测标准，并成立了动力诊断公司，向全世界推广该项技术。
　　目前，国际焊接学会批准执行的欧洲规划《ENRESS——应力和变形检测》中，已明确规定MMM法为切合实用的设备和结构应力变形状态的监测方法；在乌克兰、保加利亚等国家的国家标准一级上已进行了对该方法和仪器的鉴定；印度和澳大利亚等国也正在推广和应用该项技术。
　　金属磁记忆法在很多领域都得到了成功应用，其中之一是对管件特别是锅炉管道的检测。采用MMM法检测可以在管道在线工作时进行，也可在管道停用时进行，可以检测管道外表面和金属内部的应力状态以达到早期诊断的目的。动力诊断公司研究人员第一次提出了被测管段上漏磁场Hp与机械应力变化△σ的关系。
　　磁记忆检测技术在汽轮机叶片的检测方面也得到了成功应用。利用该技术，可以准确可靠的查出在较大应力状态下运行的叶片，以防止意外事故的发生。
　　此外，在对金属性能、金属焊接件的质量评价中以及金属腐蚀检测中也十分有效。
　　3.2国内研究状况
　　我国引入MMM检测方法虽然才有短短几年，但它在NDT学术界已经引起了广大研究者的强烈兴趣。目前，在机理研究、检测设备和技术推广应用方面都取得了不少成果。
　　目前，国内已有不少论著从不同角度对磁记忆效应的产生机理进行了解释，如从电磁学角度出发的电磁感应学说以及基于铁磁学基本理论的能量平衡说等。对于铁磁材料在应力集中处磁场切向分量有最大值、法向为零值的现象，已有研究利用铁磁性的唯像理论对磁致伸缩为正的铁磁材料加以解释；有的学者对磁记忆现象和地磁场间的关系进行了研究；也有文章对磁致伸缩和磁记忆问题进行了研究［3］［7～9］。
　　在检测设备方面，针对弱磁测量的传感器的研制，是磁记忆技术研究的一个重要方面，主要表现在磁敏传感器的研制。目前国内已经相继推出了基于霍尔元件的磁记忆传感器和基于磁敏电阻的磁记忆传感器。厦门爱德森公司已开发出相应的检测仪器EMS—2000智能金属诊断仪及相关软件系统。近来，又研制出金属磁记忆诊断与涡流、漏磁检测技术相结合的新型仪器EMS—2003［4～8］。
　　在磁记忆技术应用研究方面，南昌航空工业学院任吉林等对电站高温再热集汽联箱输水管(即柱壳开孔接管)进行了分析和实测，在对其残余应力进行有限元分析的基础上作了磁记忆检测，研究表明，MMM技术适用于电站锅炉及压力容器管道的检测。北京理工大学张卫民等以低碳管线钢试件为研究对象，使之拉伸或折弯后利用MMM法进行检测对应力腐蚀进行研究［10］［11］。
　　4 金属磁记忆技术的发展
　　作为一门问世不久的崭新检测技术，磁记忆检测还面临许多有待解决的问题。在机理研究方面，尚未达到十分透彻和系统的程度，且未形成较完整严密的理论体系。在工程应用中，该方法只能用于一般性的普查，找到可疑的缺陷位置，而不能确定是否有缺陷、缺陷的种类以及对缺陷进行定量描述，不能独立的用于工业检验。
　　为了进一步发展和推广该项技术，使之在工业检测领域充分发挥作用，本文认为还可以从以下几个方面进行进一步的研究。
　　首先，必须加强对该技术基础理论的研究。利用磁性物理学、铁磁学等多学科知识，建立不同金属材料在不同外界条件作用下的磁记忆机理、不同形状构件在不同约束和受热条件下应力场和磁记忆场之间的对应关系、铁磁性材料表面缺陷和应力分布之间的关系等。
　　其次，在缺陷的定量化方面，可以在缺陷的大小、形状和磁记忆参数之间的关系方面做更深入的研究。可以针对裂纹的萌生、扩展和形成宏观裂纹过程中的应力场的变化，研究裂纹的漏磁场与应力场的关系。开发出不同形状裂纹的磁记忆数据库，建立关系模型，实现裂纹检测的智能化。
　　再次，在检测设备上还需要进一步完善，包括传感器探头、主机和信号识别与分析软件。
　　此外，由于影响磁信号的因素很多(如材质、表面粗糙度、外激励或残余应力场的大小和方向等)，故采用单参数Hp(y)诊断很难给出令人信服的答案。因此，发展多通道、多参量诊断技术是可能解决这一问题的有效途径。
　　我们还需要建立磁记忆检测法的技术标准。为使金属磁记忆法能用于定量判断并能方便应用于工程实际，在此基础上开发相关的弱磁检测方法，形成系统的特色检测技术体系也是很有必要的。
　　对于MMM法的未来，要努力提高磁场测量精度，对现场检测数据进行有效修正，并使之朝着多通道、多参量检测方向发展。随着金属磁记忆技术和其他弱磁检测技术的发展，这项集无损检测、断裂力学、金属学等学科于一体的无损检测技术必将在石油、化工、航空航天、冶金、建筑等领域，在承压及特种设备和重要金属部件的质量检验、寿命和安全性评价等方面得到广泛的普及与应用。【MechNet】
文章关键词：金属磁

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