關于磁記憶檢測機理的分析與討論

黎連修

(中國鐵道科學研究院 金化所，北京 100081)

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關于磁記憶檢測機理的分析與討論

黎連修

(中國鐵道科學研究院 金化所，北京 100081)

從鐵磁性材料的基本特性出發，利用熱力學準則和磁致伸縮方程，研究了金屬磁記憶檢測技術的原理和激發磁記憶的條件，分析了漏磁場的形成原因及其分布規律，討論了應力、極化場和材料性能對磁記憶現象的不同影響，解釋了地磁場的作用和漏磁場垂直分量過零點的物理原因，提出了從磁記憶磁場中提取缺陷或潛在缺陷信息的方法，強調了磁場分布的相對差別或相對變化對磁記憶檢測的重要性。

鐵磁體；多晶體；壓磁效應； 磁記憶

金屬磁記憶檢測是利用應力在材料中激發的磁場進行檢測的，自出現之日起便一直受到我國廣大無損檢測人員的普遍關注，并成為近年來最具活力的科研題材之一[1-11]。其中任吉林、黃松嶺、周俊華、李路明、黎連修等從不同角度對磁記憶現象的機理開展了研究；李路明、鐘力強等還對地磁場的影響進行了深入探討，仲維暢特別關注了材料斷裂時磁場的瞬態變化情況;耿榮生、沈功田等則分別對航空飛行器和特種設備開展了磁記憶檢測技術應用方面的研究。

磁記憶是鐵磁材料在應力和外磁場作用下所產生的一種磁現象，其實質是一種力磁效應或磁致伸縮的逆效應，亦即壓磁效應。在應力和外磁場的作用下，磁疇會產生定向和不可逆的重新取向，甚至在載荷消除后這種磁狀態還依然存在或部分存在，形成磁記憶磁場。通過對這種磁記憶磁場的檢測，可發現應力集中區域或其他潛在危險缺陷，是一種非接觸式的無損檢測新方法。

經過十幾年的研究和觀察，我國對磁記憶的認識取得了重大進展，并且繼國際標準(ISO 24497《無損檢測 金屬磁記憶》)后，也制定了相關的國內標準(GB/T 26641《無損檢測 磁記憶檢測總則》、JB/T11605《無損檢測儀器 金屬磁記憶檢測儀 技術條件》等)，有力地促進了該技術的推廣和應用。但該技術目前還存在諸多問題沒達成共識，例如： ① 磁記憶現象是如何產生的，規律如何；② 磁記憶與哪些因素有關,如何有關;③ 磁記憶磁場為何在交變應力的反復作用下會逐漸增強;④ 磁記憶為何與地磁場有關，如何有關;⑤ 磁記憶磁場為何有法向分量過零點的現象;⑥ 磁記憶磁場的分布狀態與哪些因素有關,如何有關;⑦ 材料的性能和狀態能否影響磁記憶,如何影響;⑧ 如何從磁記憶磁場中提取有用信息,磁場中的哪些量與應力集中或潛在危險密切相關等。

上述問題的全部解決，可能需要一個漫長而復雜的研究過程，筆者試圖尋找解決上述問題的研究可行方向。

作為一個物理現象，磁記憶也應有它的始點、終點和變化過程。這里的終點是指應力造成了材料破裂，文中并不涉及破裂時的瞬態變化，而只是對磁記憶現象產生的初始時刻和之后的發展變化過程進行討論。除特別注明處外，文中研究對象為多晶鐵磁性材料，壓磁效應和壓磁性分別特指材料在應力作用下能產生凈磁場的一種力磁現象和磁性能。

1 磁記憶現象的產生

1.1 熱力學分析

鐵磁性材料從高溫狀態降至居里溫度以下時，會產生自發磁化而形成磁疇。磁疇是鐵磁材料一切磁特性的基礎，而磁疇的形成則是各種能量共同作用的結果。其中與磁記憶有關的能量主要為外磁場能、應力能和退磁場能等。根據熱力學準則，在平衡條件下，磁疇或磁矩的實際存在狀態，應是使總自由能取最小值的狀態。

(1) 外磁場能EH

外磁場能EH與外磁場強度H和晶體的磁化強度MS有關：

(1)

式中：θ為外磁場H和磁化強度MS間的夾角。

EH∝cosθ，與余弦函數的一次方成正比，外磁場能取最小值的方向只有θ=0的方向，因此磁化強度只能靠向外磁場，對外可產生一個剩余磁場，即凈磁場。

(2) 應力能ET

應力能ET取如下形式[12]：

(2)

式中：T0為應力幅度；λs為飽和磁致伸縮常數。

ET∝cos2θ，與余弦函數的偶次方成正比。當某個θ方向是應力能取最小值的方向時，那么這個方向的反方向(θ+180°)也必然是應力能取最小值的方向，磁化強度在這兩個相反方向上的分布是等價、隨機的。對于多晶材料來說，原來在三維空間隨機分布的磁化強度，在應力作用下會變成二維(應力的垂直平面上)隨機分布或一維(應力的正反方向)隨機分布，但都可相互抵消，不會產生剩余磁場，因而對外不顯示磁性。即應力可改變材料的某些磁性，但卻不能產生磁記憶現象。

1.2 壓磁方程

為了描述磁記憶現象的規律，解釋各因素的作用，筆者者曾用磁致伸縮方程組進行過分析[6,11]，其中與磁場和應力直接有關的方程為[13-14]：

(3)

對于多晶材料，壓磁常數d=0，即其中各元素全都為零。從公式(3)可看出，即使有應力也不會產生出磁場，與從熱力學分析得出的結論相同。

1.3 材料的極化和壓磁常數

為產生磁記憶現象，需要改變材料的磁各向同性，使d不等于0。最簡單的方法是對材料施加一極化場進行極化，類似于壓電材料的電極化。極化后的材料不再是各向同性，d中的各元素也不再全為零。若將極化方向取作z方向(即33方向)，則d具有如下簡單形式[14]：

(4)

可見，極化場改變了材料的壓磁性，使d不等于0。對于線性磁致伸縮，d31=d32=-0.5d33。

1.4 磁記憶磁場

公式(3)中的B由兩部分組成，前一部分由壓磁效應產生，記作BT，可稱為壓磁磁場，或磁記憶磁場；后一部分則由外磁場(如地磁場)磁化產生，為常規的鐵磁體的磁化，記為BH。

(5)

(6)

由式(5)可以看出，當T和d都不為0時，BT不等于0，該壓磁磁場或其剩磁場(應力消失后)泄漏到材料外面，就成了可測量的磁記憶磁場。磁記憶磁場不是壓磁磁場的全部，而是其中的一部分。在文中暫不特別區分全部和部分，除特別注明外，統稱為磁記憶磁場，而壓磁磁場則特指全部磁場。

BT可以有三個分量：

(7)

可以看出：① 不僅極化場方向有磁場，而且極化場的垂直方向上也可有磁場;② 法向應力激發的磁場在極化場方向上; ③ 切向應力激發的磁場在極化場的垂直方向上，但極化場垂直平面內的切向應力不產生磁場。

2 磁記憶磁場的增強和泄漏

磁記憶磁場在應力作用期間產生，而又往往在應力作用后測量，并且產生于表面以下，而卻在表面以外測量，測量的只是泄漏到材料外部的那部分漏磁場。為研究磁記憶磁場與應力之間的關系，有必要對磁記憶產生的初始情況、變化過程和磁場的保持及泄漏規律等進行研究。

2.1 磁場的產生

由式(5)可以看出，只要應力T和壓磁常數d都不為零，磁場B就不為零；反之，只要T和d都為零或其中之一為零，B即為零。可見，應力和壓磁性是產生磁記憶的兩個必要條件，二者缺一不可。多晶材料未極化時不具有壓磁性，應力不能在未極化的多晶材料中激發磁場。

如果對多晶鐵磁性材料施加一外磁場進行磁化，材料中會產生一極化場，從而便獲得了壓磁性，在有應力作用時就可激發出磁場。外磁場可能有多種類型和形式，其中最普遍、最穩定且可自然獲得的外磁場就是地磁場。在一些產品的制造或加工階段，例如鑄件的鑄造和焊縫的焊接階段，外磁場往往就僅有地磁場，地磁場也就成了唯一能改變材料壓磁性的外磁場，這也正是大家特別重視地磁場的重要原因。

2.2 磁場的增強 在應力作用的初始階段，地磁場或外磁場較弱，材料的壓磁性以及由此激發的初始磁場也較弱。但如果有交變應力的反復作用，相當于壓磁磁場對材料反復磁化，則材料的壓磁性以及磁記憶磁場會因磁滯效應而逐步增強[11]，其變化規律可做如下定性解釋：

(1) 初始狀態：極化場和材料的壓磁性都十分微弱，當應力T從0逐漸增大到極大值T0時，壓磁磁場B沿圖1中的oa路徑逐步增大至a，d則沿圖2 中的o1a路徑逐步增大至a。在此過程的每一時刻，極化場與壓磁磁場的合成磁場，即為該時刻的新的極化場，所以a點處極化場的幅值大于原點處極化場的幅值。

(2) 周期變化：當應力從極大值降至0時，由于材料的磁滯性，B不會降至0，而是沿圖1中的ab路徑降至b，形成剩磁Br。壓磁常數d則沿圖2中的ab路徑降至b，同樣大于初始值。在下一個周期，應力相當于在一個壓磁性較大的材料上激發磁記憶，因而能產生更強些的磁場，極化場和d也同樣會有所增強或增大。

(3) 趨于極值：在交變應力反復作用下，B和d都會不斷增大，直至各自的極大值形成一封閉的回線。

如果應力不斷增大或足夠大，B也會達到飽和值[11]。

圖1 磁記憶磁場隨交變應力的變化

圖2 壓磁常數隨交變應力的變化

從上述變化過程可看出：

(1) 材料的壓磁性是應力激發磁場的必要條件，而磁滯性則能使壓磁性在交變應力的反復作用下逐步增強。即使應力幅值不變，磁記憶磁場的強度也會逐漸增大。

(2) 壓磁效應激發的磁場，隨即又成了極化場的一部分，使材料的壓磁性和壓磁磁場會在應力的反復作用下逐步增強，直至最大值。

2.3 磁場的保持和泄漏

材料的磁滯性是形成剩磁的直接原因，而剩磁的保持，則需依賴材料的矯頑力。若沒有矯頑力，即使產生了很強的剩磁也會在自然環境中很快消失，得不到磁記憶磁場。

應力的作用不僅可激發壓磁磁場，還可使材料的矯頑力升高，磁導率降低[6]，使其往硬磁方向發展，甚至會出現“軟”材料、“硬”缺陷的情況，因此磁記憶比常規的材料磁化更容易產生和保持剩磁。

壓磁磁場(或剩磁場)的泄漏與磁路中的磁阻變化有關。應力的作用還可使材料磁阻抗增大[6]，迫使一部分磁場泄漏到空氣中而形成漏磁場，這部分漏磁場就是磁記憶檢測所能測量的磁場。

總之，磁場的產生與材料的壓磁性有關，剩磁的產生與材料的磁滯性有關，剩磁的保持與材料的矯頑力有關;而磁場的泄漏，或磁記憶磁場的形成，則與磁路中磁阻的變化情況有關。

3 應力的作用

在應力作用下，材料中會同時發生兩種效應，一是力學性能的變化，如產生塑性形變或造成裂紋的萌生及擴展等;二是磁性能的變化和壓磁磁場的產生。以上兩種效應不僅同時發生，還會相互影響，如裂紋的萌生會增大磁路磁阻而影響漏磁場。磁記憶檢測就是通過對漏磁場的檢測去發現能夠破壞材料力學性能的應力集中以及由其產生的裂紋等。

應力的作用主要包括： ① 在壓磁材料中激發磁場，產生磁記憶;② 交變應力可使材料的壓磁性以及壓磁磁場逐步增強;③ 改變材料的某些磁性能，如使矯頑力升高、磁導率降低、磁阻增大等。

4 極化場

極化場可改變多晶材料的壓磁性，使d不等于0。極化場實際上就是材料中真實存在的磁場，該磁場由兩部分組成，一是外磁場對材料磁化而產生的磁場HO;二是由壓磁效應產生的磁場HT。極化場HP為二者的矢量和：

(8)

當外磁場僅有地磁場一種磁場時，HO就變成了地磁場在材料中激發的磁場HG。

一般說來，HO或HG，弱而穩定，近似常數；HT則會隨應力的變化而變化,并逐步增強。

在應力作用的初始時刻，材料中只有HO。HO在強度、方向和分布上，都可能與外磁場(包括地磁場)存在很大差異，主要表現在如下幾方面：

(1) 強度：由于工件的磁導率很高，由式(6)可知，工件中的磁場一般會強于外磁場。

(2) 方向：根據磁路折射定律，在磁導率大的材料中，磁感應線的折射角大，反之則小。工件中的磁導率一般遠大于空氣中的磁導率，因此工件中的磁場多趨向于工件表面。

(3) 分布：由于工件中的折射磁感應線在入射平面(入射磁感應線與界面法線所決定的平面)內，當工件表面為非平面時，各點處的法線會各不相同，相當于磁感應線不斷改變方向，相應地入射平面和折射磁感應線也在不斷地改變方向，使得一個平行磁場進入工件后會變成一個紊亂磁場，各點處磁場的方向也會有所不同。

另外，由于退磁場的影響，工件中的磁場會與工件形狀有關，一般說來，在工件長度方向或圓形工件的圓周方向容易磁化，在同樣外磁場的情況下，這些方向的磁場會相對強些。

總之，工件中最初的極化場HO，多在工件長度方向或圓周方向占優勢，靠近表面且平行于表面的分量占優勢，方向則隨表面曲率的變化而變化，存在一定的發散性。

5 地磁場

在討論磁記憶原理或提及杜波夫的中心觀點時，總要強調地磁場的作用，地磁場是研究磁記憶無法回避的重要問題[15-16]。其實，地磁場只是諸多外磁場中的一個或一部分，其作用與其他外磁場完全一樣。只不過由于地磁場無處不在，且難以驅離，所以才常被提起，成了外磁場的一個代名詞。

5.1 地磁場激發極化場 地磁場可激發極化場，從而使多晶材料具有壓磁性，當有應力作用時，材料中便會產生出壓磁磁場。

壓磁磁場一旦出現，便與地磁場疊加成一個新的磁場(假設沒有其他外磁場)，這個磁場就是總的極化場HP。壓磁磁場成了HP的一部分，即式(8)中的HT。壓磁磁場或HT會因磁滯性而在應力的反復作用下逐漸增強，并可能逐漸占據主導地位，地磁場的作用則會相對逐漸減小，以致后來甚至可以忽略不計，使得測量到的磁記憶磁場僅與應力作用有關，這對磁記憶檢測無疑是十分有利的。

不過，當材料本身不是磁各向同性時，或d各元素不全為零時，則即使沒有地磁場(或其他外磁場)也同樣能夠產生磁記憶現象，因而地磁場并非永遠必不可少，關鍵是材料是否具有壓磁性。

5.2 地磁場并非極化場

地磁場可激發極化場，但極化場“并非就是”地磁場，而應是這個地磁場在工件中激發出的磁場HG，二者并不相等。同時地磁場可能只是外磁場的一部分，HG更可能只是全部極化場一部分(HO)的一部分。只有在沒有其他外磁場的情況下，并且是在應力作用的初始時刻，HG才是唯一的，也只有在這種情況下，地磁場才是必不可少的。

6 垂直分量過零點現象

有關磁記憶原理的另一個中心觀點，就是磁場的垂直分量過零點。有人甚至把這一現象視作磁記憶磁場的判據，認為只要出現了過零點現象，就是有了磁記憶。

其實，垂直分量過零點是所有漏磁場的共同特點，并非磁記憶所獨有。磁記憶是一種漏磁場，其垂直分量自然應有過零點現象。

當磁路中某處磁阻突然增大或發生突變時，根據磁路定律，磁力線(磁感應線)會自發選擇一條磁阻最小的路徑通過，迫使部分磁力線逸出表面形成漏磁場，并出現正負兩個磁極。漏磁場的磁力線從N極導出然后再回到S極，呈彎曲狀，其斜率必定有正負變化，或垂直分量必然過零點。即使是地磁場，在赤道附近垂直分量也會反向，否則地球就變成了一個單磁極。

在磁記憶現象中，應力集中或缺陷引起材料磁阻變化并造成漏磁場，漏磁場也會反映出應力或缺陷的某些特征。如遇到應力集中或裂紋時，磁阻變化十分突然，漏磁場會相對集中，垂直分量強，磁力線陡峭；當遇有一些離散性或體積狀缺陷時，磁阻變化緩慢，漏磁場會相對分散，垂直分量弱，磁力線也相對平緩。

總之，漏磁場的分布狀態與磁場處磁阻的相對變化有關，進而與應力集中程度或缺陷情況有關。垂直分量過零點的地方，是正負磁極的分界點，往往也正是應力集中或缺陷的所在位置。

7 磁記憶信息的提取

磁場強度：由式(6)可以看出，壓磁磁場的幅值與應力幅值成正比，但實際測量到的磁場并非壓磁磁場的全部，而僅是泄漏到工件外面的一部分，該部分漏磁場的大小與多種因素有關，其中包括應力集中區域的部位、方向和材料的特性、狀態等，因而并非都能真實地反映出應力大小。

磁場梯度：即磁場的變化趨勢，相對于位置的一階微分，能夠較好地反映應力集中程度或缺陷的某些形態，是磁記憶檢測中的重要參量，在杜波夫的研究和有關磁記憶的國際國內標準中都強調了該參量。

梯度變化：磁場梯度的相對變化，即磁記憶磁場的二階微分，可反映出應力集中區域的相對差別，該差別出現異常時，表示應力集中出現異常，直接給出了危險的存在。

磁記憶磁場還有另一個變化量，即隨時間的變化量，反映的是應力狀態隨時間的變化情況。當該變化突然增大時，說明應力集中程度發生重大變化，同樣能夠較好地反映危險程度。

可見，磁記憶磁場的相對差別或相對變化，有時比磁場強度的幅值更重要。在磁記憶檢測中，采用相對測量或比較測量，有時比絕對測量(測量信號幅值)更可靠。

8 結論與討論

(1) 產生磁記憶的機理和條件

磁記憶是壓磁效應產生的一種磁現象，壓磁性和應力是產生磁記憶的兩個必要條件，缺一不可。但要產生一個有實用價值的磁記憶必須具備三個基本條件，即材料的壓磁性、磁滯性和應力的反復作用。

(2) 材料的壓磁性

多晶材料不具有壓磁性。使多晶材料具有壓磁性的簡單方法是對其進行磁化，即在材料中激發出極化場。材料的壓磁性及其壓磁常數的大小與材料中極化場的大小有關，或者說與材料的磁化狀態有關。

(3) 應力的作用

一是激發磁記憶磁場，二是改變材料的磁特性，而磁特性的改變又會影響磁記憶的產生。

激發磁場：能夠且只能夠在具有壓磁性的材料中激發磁場，而不能在未極化的多晶材料中激發磁場。

改變磁特性：使材料的矯頑力升高、磁導率降低、磁阻增大，往“硬磁”方向發展。交變應力的反復作用還可使壓磁性逐步增強。

(4) 極化場

極化場是材料中實際存在的磁場，主要由兩部分疊加而成。一是由外磁場對材料磁化而產生的磁場，二是由壓磁效應直接產生的磁場。前者一般弱而固定，在初始時刻起關鍵作用；后者則隨應力的變化而變化，并逐步增強以致起主導作用。

外磁場激發的極化場在強度和方向等方面都可能與其自身有較大差異，一般情況下，極化場的強度大于外磁場強度，在工件的長度和圓周方向上往往占優勢，而方向則多平行于工件表面，在工件表面為非平面時，還可能會有一定的畸變或離散。

(5) 地磁場

地磁場是一種重要的外磁場，可在工件中激發極化場，從而使多晶材料具有壓磁性。地磁場不等于外磁場，而是外磁場中的一個或一部分。地磁場不等于極化場，地磁場在工件中激發出的磁場才是極化場(或其一部分)。

地磁場(或外磁場)只有在應力作用的最初時刻才十分必要，后來的作用則會逐漸相對減弱以致可以忽略不計。開始時必不可少，測量時蹤跡難覓，是地磁場的一個獨有特點。

(6) 有關磁記憶磁場及過零點現象

磁記憶磁場是壓磁磁場或其剩磁場的漏磁場。造成磁場泄漏的直接原因是磁路中磁阻的變化或差異，這種變化或差異往往是由應力或缺陷造成的。

漏磁場的分布狀態與應力或缺陷的位置、形態等有關，是缺陷或潛在危險判定的重要依據。

不過，磁場的垂直分量過零點，是所有漏磁場的共同特點，并非磁記憶所獨有。垂直分量過零點的地方，是正負磁極的分界處，往往也是應力集中或缺陷的所在位置，因而是定位的重要依據。

(7) 材料性能對磁記憶的影響

壓磁性：是產生磁場的必要條件，若沒有壓磁性，應力無法激發磁記憶磁場。

磁滯性：是產生剩磁的直接原因，同時可使材料的壓磁性在交變應力的反復作用下逐步增強。

矯頑力：是保持剩磁的直接原因，若沒有矯頑力，則即使形成了很強的剩磁也無法保持。

磁阻抗：是造成漏磁場的重要原因，并影響漏磁場的強度和分布；磁阻與應力或缺陷情況有關。

磁導率：影響極化場的強度和方向，進而影響壓磁磁場的強度和方向，同樣與應力或缺陷情況有關。

結構形狀：由于退磁場的存在，會影響外磁場對材料的磁化，進而影響極化場的大小及分布等。

(8) 磁記憶檢測

磁記憶磁場與應力集中、缺陷或潛在危險的關聯性受多種因素影響，并且因工件、條件不同而不同，需要長時間的研究和探討。

磁場幅值：磁記憶磁場僅是壓磁磁場的一部分，其幅值不一定與應力呈簡單的比例關系。

磁場梯度：即磁場的一階偏微分，能夠較好地反映應力集中的程度。

梯度的變化率：即磁場的相對差別或二階偏微分，反映了應力集中的危險程度。

時間變化率：即磁記憶磁場隨時間的變化情況，是應力集中或潛在缺陷發展變化的重要判據。

可見，磁記憶檢測較適用于比較法或對比法。尤其是磁場梯度的相對差異，以及磁場隨時間的變化情況，能較好地反映應力集中的危險程度和發展趨勢，是應該特別予以關注的。

感謝在文章的撰寫過程中，得到沈建中教授和林俊明專家的大力幫助和指導。

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Analysis and Discussion on Principles of Magnetic Memory Detection Mechanism

LI Lian-xiu

(Metals & Chemistry Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

This paper investigated principles of magnetic memory detection techniques and the fundamental conditions of excitation of magnetic memory based on the properties of ferromagnetic material， thermodynamic criterion and magnetostriction equation. It also analyzed causes of magnetic leakage field and its distribution characteristics and discussed reactions of magnetic memory to stress, polarization field and the material properties. The role of geomagnetic field and the physical causes of zero crossing of the vertical component of magnetic leakage field were explained; A method of the detection of defects or potential defect signal was proposed and the importance of the relative discrepancy or variation of the distribution of magnetic field to the magnetic memory detection was emphasized.

Ferromagnetic; Polycrystalline; Piezomagnetic effect; Magnetic memory

2016-01-18

黎連修(1949-)， 男，研究員，主要從事鐵道行業無損檢測技術及其應用方面的研究。

黎連修，E-mail:lilianxiu@126.com。

10.11973/wsjc201611001

TG115.28

A

1000-6656(2016)11-0001-06