金屬磁記憶檢測技術的興起與發展

任吉林,劉海朝,宋 凱

(南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063)

?

金屬磁記憶檢測技術的興起與發展

任吉林,劉海朝,宋 凱

(南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063)

金屬磁記憶檢測技術可以用來檢測鐵磁金屬構件上以應力集中為特征的危險區域，其可對受載鐵磁構件的損傷進行早期診斷，預防災難事故的發生。概述了金屬磁記憶檢測的原理和特點，分析了磁記憶檢測的國內外研究現狀，介紹了關于應力集中定量問題的幾種計算算法和目前出現的幾種新型磁記憶檢測儀器和系統，并提出了目前磁記憶檢測研究中亟待解決的關鍵性問題，以及磁記憶檢測技術的未來發展方向。

磁記憶檢測；鐵磁構件；應力集中；早期診斷

金屬磁記憶檢測技術是一種綠色環保的無損檢測新技術，其利用鐵磁性金屬材料的磁記憶效應來檢測工件的應力集中部位和應力集中程度。該技術為工件中出現缺陷或者損傷的預診斷及使用壽命預測提供依據，進而能夠保障在役工件的安全。金屬磁記憶檢測技術自誕生以來，受到了國內外業界人士的廣泛關注，目前，在檢測機理、試驗研究、應力集中定量問題和工程應用等方面均取得了一定的研究成果。

基于金屬磁記憶效應機理，分析了國內外相關領域的研究現狀，探討了金屬磁記憶檢測技術發展歷程中的關鍵性問題，進而探索了磁記憶檢測技術新型儀器的發展趨勢，提出了目前磁記憶檢測研究中亟待解決的關鍵性問題以及磁記憶檢測技術的未來發展方向，以為金屬磁記憶檢測技術的深入研究及工程應用提供參考。

1 磁記憶檢測技術的發展進程

1.1 磁記憶檢測技術的興起與進展

1994年，俄羅斯DOUBOV教授首次提出了金屬磁記憶概念[1]。1998 年，在美國舊金山舉行的第50屆國際焊接學術會議上，以DOUBOV教授為代表的俄羅斯專家首次提出了“金屬應力集中區-金屬微觀變化-磁記憶效應”相關學說，以及相應的一套全新的無損檢測技術——金屬磁記憶(Metal Magnetic Memory, MMM)技術[2]，在無損檢測學界引起了強烈反響。此后，針對該項檢測技術，俄羅斯聯邦工程監督部門陸續通過了 30 多項指導性文件，如：pπ10-262-98，pπ153-34.1-17.421-98中含有《火力發電廠鍋爐、汽輪機管道主要部件金屬檢測和延長使用壽命典型規程》，pπ03-380-00《儲存可燃氣體壓力球罐和氣罐檢測規程》等，并相繼在各工業部門得到應用[3]。2007年，18個IIW國際焊接學會會員國和超過10個ISO委員會國的肯定投票而批準了金屬磁記憶檢測法的國際標準ISO 24497《無損檢測 金屬磁記憶》等。

在對磁記憶檢測技術的機理研究工作中，美國愛荷華州立大學的JILES專家對鐵磁材料的力-磁效應做了深入研究，有力地促進了漏磁檢測技術的發展。美國德克薩斯州的SABLIK通過建立力-磁效應的簡單模型,計算了磁化率且得出磁疇壁不可逆偏轉。1995年，JILE發表了一篇關于磁機械效應理論基礎的文章，文章通過介紹試驗中觀察到的現象，定義了磁機械效應，提出了無磁滯磁化過程的接近定律，討論了應力和磁化強度以及磁致伸縮的關系，建立了理論模型[4]。這些模型對以后應力與磁化強度關系的研究具有非常重要的意義。1996年，DEVINE和JILE在研究中發現，在拉應力或者壓應力作用下時，磁化強度是以負值的變化量變化的，拉應力作用下比壓應力作用下磁化強度的變化大，因為拉應力作用下無磁滯磁化強度增加，壓應力作用下減小，并且碳的含量在很大程度上會影響磁機械效應的幅值[5]。2000和2001年，JILE等對外加扭矩作用下磁感應強度的變化以及磁機械效應和磁致伸縮兩者間的關系進行了研究[6-7]。在測量研究磁致伸縮時發現，壓磁系數在低磁場環境下決定著磁感應強度對扭矩的敏感程度。同時發現各向異性的磁致伸縮比決定著磁感應強度對應力的敏感程度。2001年，JILE等從能量以及磁疇的角度出發，建立了應力與磁特性的微磁模型[8]，通過模型研究了外應力作用下磁矩的變化規律。2002年，SUKEGAWA通過對帶小孔的平板試件進行疲勞試驗，研究了在沒有磁場以及不同磁場作用下磁導率的變化規律[9]，波蘭人KALETA通過對純鎳平板進行疲勞試驗，在無磁場的情況下檢測試件感生出來的磁信號的變化，得出了應力和磁場強度以及磁感應強度之間的關系[10]。2006年，英國人WILSON等在對磁記憶檢測技術的應力檢測研究中引入殘余磁場技術。因為該技術包括了對磁場模式及其變化率的分析，對復雜試件的檢測有很大的作用[11]。

1.2 磁記憶檢測技術的國內外發展狀況

在國內，自1999年俄羅斯DOUBOV教授在第七屆全國無損檢測學術年會暨國際學術研討會上發表有關磁記憶檢測技術的文章以來，很快引起我國無損檢測界的重視，很多專家、學者及工程技術人員隨即對該檢測技術開展了深入的研究和探索。當年，東北電力科學研究院就從俄羅斯動力診斷公司購置了TSC-1M-4 型金屬磁記憶應力檢測儀，在電站鍋爐管道檢驗中開始了國內首例金屬磁記憶檢測；2000年5月，林俊明等在西安熱工院召開的火電廠壽命管理與延壽國際學術會議上發表了第一篇金屬磁記憶文章[12]，并展示了由愛德森公司研發的我國第一臺磁記憶診斷儀，并在電力、鍋爐、航空、機械等領域開始了磁記憶檢測技術的實際應用；同年12月，任吉林、林俊明等合作出版了首本關于金屬磁記憶檢測技術的專著[13]；2001年8月，由全國無損檢測學會和國家質監局鍋爐和壓力容器檢測研究中心主辦，愛德森公司發起并協辦了我國首屆金屬磁記憶檢測技術學術研討會，會議首次匯集出版了國內各工業部門與科研單位有關磁記憶檢測技術的研究和應用成果。值得指出的是，從2003年起，一大批關于磁記憶檢測方法的研究課題得到國家自然科學基金的資助。分別開展了“地磁場分布對磁記憶檢測的磁場數值的影響”、“應力集中與金屬磁記憶信號之間的關系及金屬磁記憶信號特征”、“金屬磁記憶信號的本質及對疲勞裂紋萌生和疲勞裂紋擴展壽命的影響”、“地磁場與應力集中導致的畸變磁場幅度之間的關系”、“應力集中和局部塑性變形與磁記憶信號變化的對應關系”、“疲勞裂紋尖端磁記憶信號梯度Kmax值和應力強度因子之間的關系”、“利用法向及切向分量實施磁記憶二維檢測定量評價分析”、“基于金屬材料內部磁疇演化模型的磁記憶定量評價分析”、“鐵磁材料受應力作用時的磁化反轉現象的磁記憶效應”、“高壓管材料的沖蝕磨損的磁記憶在線檢測”的研究，對磁記憶檢測技術機理進行了探討。到2010年5月，我國電力部門參照俄羅斯聯邦國家及俄羅斯焊接學會標準CTPHTCO000-04《設備和結構焊接接頭金屬磁記憶方法》并結合我國電力行業實際應用情況，發布了電力行業磁記憶檢測標準DL/T1105.4《電站鍋爐集箱小口徑接管座角焊縫無損檢測技術 導則 第4部分 磁記憶檢測》(亦是我國首個磁記憶檢測標準)；更是為該項技術在我國的發展和應用起到了良好的推動作用。

2 磁記憶檢測技術的原理、特點及應用

2.1 磁記憶檢測技術的原理

鐵磁構件受載后，會在應力集中區形成的過程中積聚很高的應力能。根據能量最小原理，為使構件中總自由能達到新的最小穩定狀態，構件內部的磁疇必將在磁機械效應下做疇壁的位移以及不可逆的重新取向，以磁彈性能的增加來抵消增加的應力能。從而，鐵磁構件內部將產生遠遠高于地磁場的磁場強度。由于鐵磁構件內部有諸如位錯內耗、粘彈性內耗等許多內耗效應存在，因此消除動態載荷后，之前加載過程中形成的應力集中區會被保留。同時由于磁機械效應引起的磁疇組織的重新定向排列也會保留下來，并在應力集中區形成類似缺陷漏磁場的分布形式，受載鐵磁構件應力集中部位表面的漏磁場分布如圖1所示，即磁場的切向磁信號Hp(x)具有最大值，法向磁信號Hp(y)改變符號且具有過零點。

這種磁性狀態的變化是不可逆的，在工件不受其他載荷作用時會繼續保留。因而，通過對漏磁場法向分量Hp(y)及切向分量Hp(x)的測定，便可以準確地推斷工件的應力集中部位，從而對工件可能出現的早期損傷實施有效檢測和評估。

圖1 受載鐵磁構件應力集中部位表面的漏磁場分布

2.2 磁記憶檢測技術的特點及應用狀況

金屬磁記憶檢測可以用來準確確定在役運行裝備上正在形成或發展中的應力集中部位，對構件應力變形狀態及程度進行評價，以便及時對構件可能出現早期損傷的部位進行強化處理或更換，或通過在設備或構件的疲勞試驗中應力集中的部位進行評價，為疲勞分析、設備或構件定壽及設計改進發揮有效的先導作用。相對于其他無損檢測方法，金屬磁記憶檢測技術具有眾多優點，主要有：① 通過對在役構件的早期診斷，較為準確地評價設備的安全性；② 實時地進行在線檢測；③ 不需對工件表面進行預處理且探頭采用非接觸方法，探頭最大提離為150 mm；④ 提離效應影響小，檢測靈敏度較高，測試結果重復性和可靠性好；⑤ 與漏磁檢測相比，無需專門的磁化裝置，設備體積小、輕、快，適合現場作業。

主要用途為：① 確定設備和構件的應力應變狀態的不均勻性和應力集中區；② 確定在應力集中區的金屬取樣位置以評估金屬結構狀態；③ 早期診斷疲勞損壞和評估設備和構件的壽命；④ 利用與常規無損檢測方法結合來減少檢測成本與材料成本；⑤ 各種類型的焊接質量控制(包括接觸焊與點焊)；⑥ 通過構件的不均勻性對新生產與在用的機械制造產品實施快速分類等。

3 磁記憶檢測技術的研究現狀

3.1 磁記憶檢測機理研究的理論基礎

3.1.1 磁記憶現象的產生

應力可造成材料的各向異性，使磁化強度垂直或平行于應力方向分布。使材料應力能取最小值的方向有兩個，且互為反方向，磁化強度在這兩個方向上的分布是等價的，也是隨機的。原來在材料內三維空間隨機分布的磁化強度，在應力作用下會變成二維或一維隨機分布。盡管維數減少，但在任一方向上的磁化強度仍可相互抵消，所以對外并不顯示磁性。為使材料產生磁記憶現象，需要改變材料磁特性的各向同性。最簡單的方法是對材料施加一偏磁場進行極化，類似于壓電材料的電極化一樣。極化后的材料不再是各向同性，材料的壓磁常數d中的各元素便不再全為零。此時，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]：

(1)

可見，偏磁場改變了材料的壓磁性，其產生的材料的壓磁場記作BT。故在外磁場(如地磁場)H存在條件下，當H≠0和d≠0時，BT≠0，該磁場泄漏到材料外面時，就成了“磁記憶”中的磁場,使d≠0。

地磁場的作用：改變材料的壓磁性；地磁場在應力作用的最初階段十分重要，它能夠使應力在材料中激發出微弱的磁場，該磁場能起到“磁源”的作用，其一旦形成，便會因磁滯效應而隨應力的反復作用逐漸增強，以致后來地磁場的作用甚至可以忽略不計，地磁場并非必不可少,地磁場能使多晶材料具有壓磁性，這是產生磁記憶的必要條件；地磁場并非極化場,地磁場可作為極化場，但極化場并非一定就是地磁場，而應是工件中實際存在的磁場。

3.1.2 磁機械效應

應力對材料磁性能的影響，更多地被稱為磁機械效應。雖然在磁機械效應理論中很少專門提及地磁場，但在磁機械效應中都存在外場。通過對磁機械效應的試驗發現，在弱磁場條件下，應力引起的磁化強度的變化較大，但其變化的規律磁場與應力曲線(M-σ曲線)會保持不變，并且，當應力引起的磁化改變遠遠大于外磁場的磁化作用時，一般都會產生與磁記憶信號性質相同的特征[15]。地磁場一般為30～50 A·m-1，在嚴格意義上說不屬于弱磁場，然而從工業檢測中施加能量場的角度來說，地磁場又屬于典型的弱磁場。磁記憶檢測理論中強調了地磁場的作用，因此磁記憶檢測方法從廣義上說，屬于穩恒弱磁場激勵下的磁性無損檢測方法。

JILE于20世紀90年代提出的接近定律,是關于磁機械效應理論研究中比較重要的研究成果，在彈性范圍內建立了應力與磁化強度改變之間的關系。接近定律指出，雖然力-磁關系是一種復雜的多變量函數關系，決定鐵磁材料力磁關系的因素很多，但在應力的作用下，鐵磁體中剩余磁化狀態會向無滯后磁化狀態趨近。磁記憶效應和磁機械效應都是經過大量試驗驗證過的理論，盡管到目前為止，還未發現二者之間有明確的理論聯系，但二者的物理本質是一致的。磁機械效應的相關發現及結論應當可以為磁記憶檢測技術的深入研究提供理論和方法上的借鑒。

3.1.3 應力條件下磁場反轉現象

在多項有關磁記憶檢測的試驗研究中，先后注意到鐵磁材料受應力作用時的磁化反轉現象，即磁記憶信號和應力之間的關系并非單調對應相關，而是在載荷作用初期，先保持增長趨勢；當應力增加到某一階段時，會呈現相反變化趨勢，如由原來增加變為減小。這種應力作用時引起的磁化反轉現象在彈性變形階段就已經出現，會一直持續到塑性變形階段[15]。

很多學者和研究人員針對地磁場條件下的磁記憶信號在應力作用下的變化情況,開展了大量試驗研究工作后發現，涉及應力定量化評價問題的力-磁信號變化特征在試樣承壓后的過程中均有表現[15-17]。鐵磁性試件承載后，試件表面磁信號隨應力變化敏感，由初始磁化狀態向應力條件下磁化狀態轉變的最大變化過程往往發生在初始載荷達到某一水平后。在彈性變形區域，磁記憶信號很大程度上依賴于初始殘余應力狀態。對于初始磁信號較小的試件，磁記憶信號加載應力后通常呈現平整的近似直線分布，此時磁記憶信號過零點位置往往能夠較為準確預報最終斷裂位置；但對于初始磁信號較大的情況(如未作退火和去應力處理的試件)，初始殘磁信號較強，試件承載時，磁信號可能出現多處過零或沒有過零點，此時磁記憶信號過零點和應力集中現象沒有必然聯系。因此，可以通過研究應力條件下的磁場反轉現象來進一步探討受載鐵磁構件產生磁記憶效應的機理。但值得注意的是，雖然磁記憶信號的變化存在明確的應力磁化反轉現象，其具體的變化情況卻依材料成分、初始磁化狀態、殘余應力水平的不同而不同，即按照接近定律的描述，與材料本身初始磁化狀態相對于無滯后磁化曲線的位置有關。

圖2 二維磁記憶測量系統外觀

3.2 磁記憶檢測機理的試驗研究

在磁記憶檢測機理的試驗研究方面，南昌航空大學研究團隊[18-20]分別做了關于拉伸試驗、疲勞試驗以及相關的ANSYS仿真試驗。試驗中磁記憶數據的采集采用實驗室自制的二維磁記憶測量系統，其外觀如圖2所示。該系統由高斯計、計算機、步進電機掃描系統及驅動電路組成。可用一個磁傳感器測量法向分量Hp(y)及利用矢量法通過兩個互相垂直放置在試件表面的磁傳感器測量切向分量Hp(x)的最大值，并進行實時采集、保存和數據處理后實時顯示掃描結果。

3.2.1 拉伸試驗及ANSYS仿真

如對去應力退火的中心含圓孔Q235鋼試件做拉伸試驗，試驗現場如圖3所示。

圖3 拉伸試驗現場

圖4 不同載荷下的試件表面應力分布云圖

圖5 不同應力下的磁場分布

試驗中，設定不同載荷，并利用ANSYS軟件進行加載條件下的有限元仿真，得到不同載荷作用下試件表面的應力分布云圖(見圖4)。然后在拉伸試驗中同時對不同載荷下試件表面漏磁場信號進行測量，繪制不同載荷下的漏磁場法向、切向信號的磁場分布圖(見圖5)。再與不同載荷作用下試件表面應力分布云圖對比，可以發現，利用二維磁記憶檢測系統對試件測量線上的法向、切向磁信號進行測量得到的磁場分布圖，與不同載荷作用下試件表面應力分布云圖的應力集中部位有很好的對應。

3.2.2 疲勞試驗及ANSYS仿真

疲勞試驗的試塊材料0CrMnSiNi2A的V型缺口平板，試驗在室溫環境下進行，漏磁信號的檢測跟蹤是從未加載直至斷裂前的整個過程的磁信號變化，疲勞試驗系統外觀如圖6所示。

圖6 疲勞試驗系統外觀

圖7 不同循環周次下的等效應力分布云圖

疲勞試驗后利用ANSYS軟件對試件表面的應力集中情況進行仿真分析，得出在不同循環周次下試件表面的應力分布云圖(見圖7)。再將疲勞試驗中同時對不同載荷疲勞循環周期下測量得到的試件表面漏磁場的法向、切向信號的磁場分布圖(見圖8)，與不同疲勞循環周期作用下試件表面應力分布云圖進行對比，同樣可見，利用二維磁記憶檢測系統對試驗試件測量線上的法向、切向磁信號進行測量得到的磁場分布圖，與不同疲勞循環周期作用下試件表面應力分布云圖的應力集中部位有很好的對應。

圖8 不同疲勞周期下的法向和切向磁場的磁信號特征

3.3 磁記憶檢測定量分析的研究

3.3.1 基于單一分量梯度變化的磁記憶分析方法

在采用該分析方法時，雖然由于檢測過程或周圍環境的干擾，通常會有一些附加噪聲疊加在檢測信號上，以致信號產生畸變，使得表征焊縫中焊接冷裂紋的特征信號淹沒其中，給信號的識別帶來困難。但可以采用一定的信號處理技術，將有效信號提取出來。其中，小波變換就是一種常用的信號分解和重構方法，對于信號降噪有著很好的效果。小波分析方法消噪的效果主要取決于閾值選擇和所采用的小波函數。在對比分析不同小波分析方法的基礎上使用非線性方法，選擇db4小波基，分解層數為4層，閾值選擇最優預測變量閾值Heursure閾值，然后對磁記憶信號進行處理，可使有用信號得以有效分離。原始信號中的無效部分會被剔除，削弱了原始信號中由于毛刺而引起的梯度變化，明顯改善了小波降噪后試件表面的漏磁場梯度信號，使結果更加貼近于真實信號。

3.3.2 李薩如圖判定方法

傳統的磁記憶檢測是單一研究法向分量特征值對應力集中部位進行判斷，不僅容易出現漏檢及誤判現象，還不能對應力集中程度進行定量分析。引入切向分量，采用磁記憶二維檢測方法對磁記憶檢測進行研究。可通過李薩如圖判定法對受載鐵磁構件應力集中以及應力集中程度進行定量化評價分析。

李薩如圖判定法是在進行拉伸試驗時，用軸向探頭提取被測試件在不同應力條件下的法向磁信號，再利用矢量合成原理將兩個垂直放置的探頭提取切向分量磁信號最大值，然后對法向分量磁信號與切向分量磁信號進行二維檢測分析。

在進行磁記憶信號二維分析時，以法向分量為縱坐標及切向分量為橫坐標繪制得到的二維檢測曲線會是一個不閉合的不穩定類李薩如圖[18]。其產生原因是實際檢測過程中測得的法向分量分布值與理論上的法向分量,在非應力集中區域的位置不能像理論中漏磁場法向分量一樣逐漸趨向于同一個穩定值，導致二維檢測曲線圖中法向分量分布的橫坐標軸上起始的磁信號值和終止的磁信號不為同一個值，因此，得到的二維檢測曲線是一個沒有閉合的不穩定類李薩如圖(見圖9)，并難以為磁記憶二維檢測的定量化提供可靠的數值分析依據。而由磁偶極子模型理論磁場的計算方法得知，磁信號反映的是應力集中區域自由漏磁場的積分場。可以考慮引用微分算法，對法向分量及切向分量分別進行微分，得到自由漏磁場微分后的梯度曲線，微分算法同時消除了初始磁信號的影響。然后將不同應力下法向分量微分后的梯度值K(y)作橫坐標，切向分量微分后的梯度值K(x)作縱坐標繪制二維檢測曲線，得到的圖形會是一個穩定閉合的李薩如圖(見圖10)。分析不同載荷下的李薩如圖可以發現，隨著拉伸載荷的增大，合成的穩定閉合的李薩如圖面積也隨著增大，表明此時試件的應力集中程度隨著載荷的增大而增大。可見，采用李薩如圖判定法，用法向分量及切向分量微分后的梯度值聯合繪制會得到封閉的李薩如圖，該李薩如圖面積的大小可為二維檢測的定量化評價分析提供依據。

圖9 磁信號法向切向分量合成的二維檢測曲線

圖10 不同應力下梯度合成的二維檢測曲線

3.3.3 基于磁記憶檢測的應力集中神經網絡識別

人工神經網絡(Artificial Neural Network,ANN)具有高度的非線性和容錯能力,并且具有并行和分布式的特點，在模式識別、數據處理等領域應用廣泛。裝甲兵學院研究團隊[24]嘗試使用二維磁記憶信號特征參量構建神經網絡來定量識別試樣的應力集中程度。他們以42CrMo鋼為試驗材料，在疲勞試驗狀態下進行磁記憶檢測試驗，得到試塊切口處磁場法向分量Hp(y)信號的峰-峰值ΔHp(y)和梯度變化值K，切向分量Hp(x)信號的峰值Hp(x)M和峰寬W等參量，并以這四個特征參量作為輸入量搭建一個神經元數較少且識別精度較高的BP神經網絡。

對該BP神經網絡隱含層神經元傳遞函數選擇一個S型正切函數：

(2)

并設輸出層神經元的傳遞函數為S型對稱函數：

(3)

按照Kolmogorov定理，使用traingdx訓練函數對具有對應隱含層神經元個數的BP神經網絡進行訓練，根據訓練結果選擇隱含層神經元個數，然后依據梯度下降動量法、Levenberg-Marquardt反傳算法和普通的梯度下降法三種算法進行訓練，經過對比得出合適的算法，再進行計算并得出結果，最后對試樣的應力集中程度進行識別，則可得到神經網絡的訓練及檢測結果。

表1是選擇L-M反傳算法，采用107組有效的檢測數據結果(其中分出53組作為訓練樣本，余下的54組數據作為檢測樣本)，然后對試樣的應力集中程度進行識別，得到神經網絡的訓練及檢測結果。結果表明:該方法精度較高，可以實現對應力集中程度的判定，具有一定的參考價值。

表1 BP神經網絡的訓練及測試結果

3.3.4 基于GGA和NCPP平面波算法建立磁記憶檢測模型的研究

沈陽工業大學研究團隊[25]利用固體能帶理論建立磁記憶檢測模型。采用量子力學GGA(Generalized Gradient Approximation)算法，研究磁記憶自發漏磁信號與應力集中的定量變化關系；并且在電子自旋體系中，計算不同摻雜元素對鐵磁性構件磁特性的影響，進而分析不同構件在相同應力場作用下磁記憶信號的變化特征，對金屬磁記憶現象做出定量分析。

該方法基于GGA算法建立α-Fe的磁力學計算模型，分別施加壓力和拉力作用，使用GGA算法處理交換關聯能，計算原子間波函數交疊程度變化規律及外力場作用和參雜作用對晶體結構、系統能量、磁性特性的影響，進而可分析磁記憶信號的特征。

劉斌等提出一種基于NCPP(Norm Conserving Pseudo-Potentiol)平面波算法磁記憶信號特征的研究方法[26]。該方法是利用量子力學的密度泛函理論，通過固體的能帶結構建立磁記憶檢測模型，然后采用NCPP算法，在全電子勢情況下，研究磁記憶自發漏磁信號、外部載荷作用、晶體結構、原子磁矩之間的定量變化關系，分析磁記憶信號與應力的定量變化關系以及磁記憶信號在應力達到固體屈服強度時的信號變化情況。

根據電子能帶理論，固體內微觀粒子在不受力時排列具有嚴格的周期性，每一個晶格節點處于平衡狀態；當外力作用時微觀粒子排列周期性被破壞失去平衡狀態，原子間由于彈性作用增強而產生相對位移，每個晶體節點的整體受力會使整體具有恢復到平衡狀態的趨勢，這時候的固體處于應力集中狀態。固體能帶結構和電子能量狀態決定了固體的磁力學耦合特性。對于確定的晶體結構，可以通過計算能帶的總能量來求解晶體的晶格常數，電子態密度，原子磁矩，進而研究磁記憶信號的變化。

3.4 磁記憶檢測儀器的研究

隨著磁記憶檢測技術在理論基礎研究上獲得的突破,在檢測儀器方面，亦在目前普遍應用的以判斷法向分量Hp(y)是否過零為依據的儀器的基礎上，開始依據二維磁記憶檢測原理開發研制出不少新型的檢測儀器，可望大大提高磁記憶檢測的檢測效率、準確度及可靠性。

3.4.1 基于單一法向分量分析的磁記憶檢測儀器的開發

俄羅斯的TSC-IM4磁記憶檢測儀就是傳統的以判斷受載鐵磁構件表面漏磁信號的法向分量Hp(y)是否過零為依據的磁記憶檢測儀,已在工程檢測中得到廣泛應用。在國內，目前比較成熟的有廈門愛德森公司的EMS系列磁記憶診斷儀。EEC/SMART-2005智能型電磁/超聲多功能檢測儀不僅能進行磁記憶檢測，還能同時進行超聲和其他電磁方法的檢測。

3.4.2 基于法向與切向分量二維分析的磁記憶檢測儀器的開發

南昌航空大學研究團隊[27]依據鐵磁構件應力集中部位存在漏磁信號切向分量最大與法向分量過零的原理，設計了以高靈敏弱磁傳感器為核心的磁記憶二維檢測儀，如圖11所示。該系統主要由傳感器、控制器、電源、附屬電路、顯示輸出系統等幾個部分組成。大量實踐檢驗結果證明:該儀器可同時分析法向與切向信號，更準確地對構件應力集中部位進行診斷，可為進一步進行磁記憶二維檢測定量分析提供有效的方法與技術支撐。

圖11 磁記憶二維檢測系統

3.4.3 基于嵌入式系統的磁記憶檢測系統平臺的開發

太原理工大學研究團隊亦依據磁記憶二維檢測原理,設計了可以實現觸模屏和遠程控制等多用途的新型嵌入式金屬磁記憶檢測儀器[28]。檢測儀磁場信號數據采集界面如圖12所示，橫軸為切向分量Hp(x)，縱軸為法相分量Hp(y)，當被檢測的鐵磁構件存在缺陷時，曲線就會發生閉合。

圖12 檢測儀數據采集界面

儀器工作時，傳感探頭采集磁記憶信號后，可通過三種不同的方式反饋給用戶，如圖13所示。第一種是在現場，工作人員通過觸摸屏直接獲得所測的數據圖像；第二種是通過GPRS模塊DTU進行數據遠程發送，然后經由遠程接收數據；第三種是通過嵌入式服務器，經由網絡，由智能手機或者PC機，通過網頁獲取現場采集的信號進行現場控制。

圖13 檢測儀電路框圖

4 展望

近年來興起的金屬磁記憶檢測技術，雖然問世時間不長，并且已經在理論分析、試驗研究、儀器開發與工程應用中取得了階段性的成果，但該項技術仍然存在不少問題有待解決，主要有：

(1) 地磁場的存在是否是誘發鐵磁構件應力集中區形成表面漏磁場的必要條件。

(2) 影響磁記憶檢測的主要因素有哪些,如何消除干擾提取有用信息。

(3) 磁記憶檢測是判斷應力集中部位的預診斷手段還是檢測宏觀缺陷的檢測方法。

(4) 磁記憶檢測如何對被檢測對象的損傷情況進行定量化評價分析。

(5) 如何制定并完善能應用于工程實踐的磁記憶檢測的標準及規范。

也正是因為該技術發展時間不長，還不成熟，其理論基礎與應用還有待進一步深入研究。綜合來說，磁記憶檢測技術的發展趨勢主要有：

(1) 在已有的理論研究基礎上，多學科、多角度地綜合探討研究磁記憶檢測機理。并在大量試驗研究的基礎上，建立并獲得共識的理論分析模型，在微觀與宏觀兩方面建立起系統的磁記憶檢測理論體系。

(2) 為全面評價磁記憶信號特征，研制開發三維高精度、多參量、多功能、智能化及與其他檢測方法，如超聲、渦流、漏磁等相結合的集成無損檢測儀器。

(3) 通過對多維磁記憶信號與應力集中部位及應力集中程度之間的對應關系進行探討分析，研究合理有效的多維磁記憶信號的數據處理分析模式，探索出表征應力集中程度的磁記憶信號特征量，為磁記憶檢測的工程定量評價分析應用提供可靠的理論依據。

[1] DOUBOV A A.Diagnostics of boiler tubes with usage of metal magnetic memory [M]. Moscow：Energoatomizdat,1995.

[2] DOUBOV A A.Study of metal properties using magnetic memory method [C]//Proceedings of the 7th European Conference on Nondestructive Testing.Copenhagen:[s.n]，1998：920-927.

[3] DOUBOV A A.The method of metal magnetic memory-The new trend in engineering diagnostics[J].Welding in the World，2005，49(9)：314-319.

[4] JILE D C.Theory of the magnetomechanical effeet [J]. Journal of Physics D-Applied physiecs，1995，28(8):1537-1546.

[5] DEVIN M K, JILE D C. Composition dependence of the magnetomechanical effect and magnetostriction[J]. IEEE. Trans. on Magnetics，1996，32(5):4740-4742.[6] SABLIK M J，JILE D C. Modeling effects of varying torsion in magnetized steel[J].IEEE Transactions on Magnetics，2000，36(5):3248-3250.

[7] CHEN Y H,JILE D C. Magnetomechanical effeets under torsional strain in ron cobalt and nickel[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2001,236:131-138.

[8] ZHU B，LO C C H，LEE S J, et al. Micromagnetic modeling of the effects of stress on magnetic properties[J]. Journal of Applied Physics, 2001,89(11):7009-7011.

[9] SUKEGAWA T.Magnetic nondestructive evaluation of ferromagnetic steel due to mechanical loading[J].Electromagnetic Nondestructive Evaluation IOS Press, 2002:135-142.

[10] KALETA J,PRZEYSLAW W. Magnetovision as a tool for investigation of fatigue process of ferromagnetics[C]//SAE Brasil International Conference on Fatigue.Brasil:[s.n], 2002.

[11] JOHN W, WILSON. Residual magnetic field sensing for stress measurement[J]. Sensors and Actuators, 2006,135(2007):381-387.

[12] 林俊明.一種在役部件早期損傷的無損檢測新方法[C]//2000年火電廠壽命管理與延壽國際會議暨全國第六屆電站金屬構件失效分析與壽命管理學術會議論文集.西安：中國電機工程學會，2000.

[13] 任吉林,林俊明.金屬磁記憶檢測技術[M].北京：中國電力出版社,2000.

[14] 黎連修.磁記憶技術若干問題的討論[J].無損檢測，2015,37(2)：63-66.

[15] 張衛民，邱忠超，袁俊杰，等.關于利用金屬磁記憶方法進行應力定量化評價問題的討論[J].機械工程學報，2015,51(8)：9-13.[16] YANG En, LI Lu-ming, CHEN Xing. Magnetic field aberration induced by cycle stress [J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2003, 261：385-391.

[17] 李一，任尚坤.鐵磁試件靜拉伸時應力磁化的反轉現象[J].鋼鐵研究學報，2013,25(3)：30-33.

[18] 饒琪.磁記憶二維檢測定量評價的研究[D].南昌：南昌航空大學，2014.

[19] 周培.磁記憶二維檢測定量分析[D].南昌：南昌航空大學，2013.

[20] 任文堅.金屬磁記憶檢測技術基礎問題的實驗研究[D].南昌：南昌航空大學，2013.

[21] 陳鑫彧.焊縫應力集中的磁記憶信號特征研究[D].大慶：東北石油大學，2011.

[22] 胡先龍，池永濱.磁記憶診斷技術中應力集中水平定量評估方法[J].華北電力技術，2005(6):9-13.

[23] 張穎，李彬，周俊鵬，等.15CrMoR鋼焊接冷裂紋的磁記憶特性[J].無損檢測，2015,37(5)：46-51.

[24] 王慧鵬，董麗虹，董世運，等.基于磁記憶的應力集中神經網絡識別[J].理化檢驗-物理分冊，2013,49(9)：576-579.

[25] 劉斌，付英，于慧，等.基于GGA算法磁記憶檢測模型的研究[J].儀器儀表學報，2014,35(10)：2200-2207.

[26] 劉斌，曹陽，付英，等.基于NCPP平面波算法磁記憶信號特征研究[J].儀器儀表學報，2015,36(7)：1538-1547.

[27] 任吉林，鄧胤，劉海朝，等.二維磁記憶檢測儀器的研制與試驗研究[J].南昌航空大學學報，2014,28(4)：43-49.

[28] 李建勇.便攜式金屬磁記憶檢測儀的設計研究[D].太原：太原理工大學，2013.

The Rise and Development of Metal Magnetic Memory Testing Technology

REN Ji-lin, LIU Hai-chao, SONG Kai

(Key Laboratory of Nondestructive Testing, Ministry of Education, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China)

Metal magnetic memory testing technology can detect the danger zone characterized by the stress concentration in a ferromagnetic metal member. It can thus implement an early diagnosis of the damage for the ferromagnetic member and prevent disaster accidents. This article outlines the metal magnetic memory testing principles and characteristics, analyzes the research status of magnetic memory testing, introduces a quantitative problem of stress concentration on several computational algorithms and several new types of magnetic memory testing instruments and systems currently emerging, and presents the current research in magnetic memory testing key issues to be studied and the magnetic memory testing technology in the future development direction.

Magnetic memory testing; Ferromagnetic member;Stress concentration;Early diagnosis

2016-01-07

任吉林(1945-),男，教授，主要從事電磁無損檢測技術的研究工作。

任吉林，E-mail: jlren@tom.com。

10.11973/wsjc201611002

TG115.28

A

1000-6656(2016)11-0007-09