金属磁记忆方法的物理原理

1第二届国际“金属磁记忆设备结构诊断”科技会议报告（莫斯科2000年2月）金属磁记忆方法的物理原理杜波夫乌斯托夫斯基(《动力诊断》公司俄罗斯莫斯科)摘要:尝试诠释金属磁记忆法-新无损检测方法的物理原理。给出金属磁记忆法检测的典型的定性和定量判据。关键词：金属磁记忆；物理原理PHYSICALBASEOFTHEMETHODOFMETALMAGNETICMEMORYDubovA.A.VstovskyG.V.(InstituteofmetallurgyofAcademyofScience《Energodiagnostika》Co.LtdRussiaMoscow)AbstractTheattemptismadephenomenologicallytogiveinterpretationofthephysicalbaseofthemetalmagneticmemorymethod-newmagneticmethodofanon-destructiveinspection.Thecharacteristicofqualitativeandquantitativecriteriausedinthemethodofmetalmagneticmemoryisshown.KeywordsmetalMagneticmemory；Physicalbase检测设备的实际应力-变形状态，最为有效并且在实践中得到越来越广泛应用的方法乃是金属磁记忆法(MMM)，其主要原理和判据在[1,2,3,4].文中都有阐述。金属磁记忆方法，依作者意见，乃是技术诊断领域里的崭新方向。这是继声发射之后第二个被动式的检测方法,它是利用结构自身辐射出的信息。金属磁记忆法不仅能检测处在运行状态下的设备，也能在设备修理时进行检测。同时，金属磁记忆法除了能早期发现正在发展着的缺陷外，还能进一查明受检对象的实际应力-变形状态，找出产生破损的根源。和声发射方法比较，金属磁记忆使用在更为早期的检测阶段,2是从外部载荷超过金属内应力水平时开始。大多数低碳钢，因组织结构的不均匀性造成的平均内应力水平，等于60-80MPa，将近材质屈服极限的0.3倍。按强度和机械损伤机理，设备出现和发展破损最为不利的情况是复合型载荷，这时金属局部受主拉伸应力作用，在垂直于该应力的平面上滋生裂纹。多年从事管道和各种设备磁场的研究经验表明，金属发展损伤的区域，存在着磁场强度Hp稳定的符号变换线，而正是这一诊断参数，即Нр=0线，构成了金属磁记忆检测设备方法的基础。本文力图诠释在工作载荷作用下，出现在管件表面上的《主应力线》这一个磁诊断参数。参见文[2,4].拉伸、压缩、扭曲和周期性载荷作用下的金属磁记忆效应，最早是在实验室和工业研究中发现的。磁记忆方法的独到之处还在于，它利用工作载荷的作用，在稳定的滑移位错带区域产生的自有漏磁场。存在微弱地球磁场时，在受检物体应力集中区的表面将形成的漏磁场梯度，使用专门的磁测仪表能确定该梯度值的大小。在位错聚积区产生自有漏磁场的机理是源于这些聚积变成和磁畴壁厚相等时磁畴边界的固锁效应。任何条件下对工作结构的人工磁化，都得不到象自有磁场那样的信息源，只有象地球磁场这样微弱的外部磁场，承载结构上的变形能量，又远大于外部磁场的能量时，才能形成和得到那样的信息。要想定量评估应力集中水平，就得确定通过应力集中线(Hp=0线)1磁场Hp法向分量的梯度值(变化强度)。kPinHk2（1）式中:ink━表示应力集中区金属磁性变化强度，因而也是由磁场Hp变化强度表示的漏磁场梯度值或应力强度磁系数；PH3━位于Hp=0线两侧同等线段K上两检测点之间磁场Hp的差数模量。这时，线段K应垂直于Hp=0线。线段K对于Hp=0线的垂直位置，是由于这些线段同最大的拉伸（或压缩）应力方向相重合所决定的。利用金属磁记忆这一新诊断方法，能从金属质量，实际使用条件和结构特点去综合评价部件状态。所建议的新检测方法其原理性的新东西都是什么呢？分析已知的磁无损检测方法，我们能得出采用这些方法必备的条件是：第一，必须有磁化装置。第二，传统的磁无损探伤法仅能在事先知道检测对象的应力集中和缺陷部位的情况下才能使用。第三，已知的磁无损检测方法，通常得清理受检金属表面和完成一系列的准备工作。显然，在长且巨大的结构和设备上，要想采用传统的磁检测方法去全面普查是不可想象的。例如，专门去磁化管路系统，在一个现代的动力锅炉上，其管路总长度达数百公里，这个任务是不现实的。何况每一根锅炉管件的应力集中部位（损伤的发展根源），不可能事先知道，因为影响它形成的有各种工艺性、结构性和使用性等诸多因素。众所周知，多数由铁磁材料制造的金属结构和设备，在工作载荷作用下，于地球磁场中经受着“自磁化”。图1给出了导致残余磁感应增大的磁弹性效应，如果在结构的某个部位上加上周期性载荷△σ，且有外部磁场（如地球磁场），在该部位就会出现残余磁感应和残余磁化强度的增长。同这种“自磁化”现象，到处（造船、动力、滚珠轴承行业以及其他部门）都在进行着斗争。而以锅炉管件为例，研究其使用过程中的自磁化现象之后，首次建议将该现象用于技术诊断的目的。4设备和结构“自磁化”时，表现出不同的磁致伸缩效应，但是，在新的检测方法中利用的是所有不同形式的磁致伸缩效应中的后果，它表现为设备金属中实际变形和组织变化的金属磁记忆形式。图1周期性载荷作用下磁弹性效应原理图ΔВr-残余磁感应的变化；Δσ(МPа)-周期性载荷的变化；Нe-外部磁场。通常，ink最大值和Hp=0线对应着最大应力集中区（发展破损区），但是，实践中有这样的例子，仅有最大应力集中区和相应的缺陷而无Hp=0零值线，这种特殊情况要单独讨论。金属磁记忆-是微弱地球磁场中，受工作载荷作用，受检物体上出现的，应力超出平均内应力所造成的磁感应强度不可逆的变化。机械零件和焊接件，其金属磁记忆表现为在地球磁场中制造和冷却后形成的残余磁化强度，并且反映着他们结构和工艺的继承性。金属磁记忆法-这是一种无损检测方法，其基本原理是记录工作载荷作用下设备在应力集中区中产生的自有漏磁场。MPa5金属磁记忆是记录工件、制品和焊接件在地球磁场中制造和冷却后产生于残余应力集中区的自有漏磁场。任何铁磁件的制造过程（熔化、锻造、热处理）都将产生实际的磁结构，通常，在地球磁场下冷却时和结晶时发生。在晶格缺陷最集中的部位（例如位错聚积处）和组织不均匀处，形成磁畴边界固定节点以漏磁场Hp改变符号的形式出现在工件表面上，同时Hp=0线对应为最大磁阻抗的截面，且以金属最大不均匀组织为特点，而且是最大内应力集中区。铁磁结构制件局部应力集中区形成磁偶极子的建议模型。由工作载荷作用，在局部应力集中区出现残余磁化强度变化和磁偶极子形成的过程，有下列条件：-处在闭合磁回路的锅炉管件，具有一定的残余磁化强度且处在固定的磁场中，至少是处在地球磁场中。管件承受工作载荷，形成了应力集中区。本文分别用下列符号表示：MTP-管件金属（母体）磁化强度；Hз-地球磁场；σeqv-由工作载荷形成的管件中的当量应力；σi-管件金属中的内应力；△σ-未计算在内的偶极子应力（例如，管件未能充分自补偿）；τ-切线方向应力；∆Mσ-局部应力集中区中磁化强度增量（变化）。锅炉管件实际使用中在未能充分自补偿部位（如固定节点、卡死）将丧失稳定性，通常出现扭曲，管件的那种部位其最薄弱截面，受外部载荷作用，生成具有最大金属变形的应力场（σeqv+△σ）。管件金属在该区域出现稳定的滑移位错带和场，一直达到金属屈服极限。专门研究管件和板材试件[3,5,6]表明：出现稳定滑移场的瞬间取决于应力σi集中的程度和水平（20号钢和12Cr1MoV近似为70-80兆帕）。在试件表面和金属中，当外部载荷达到0.3屈服极限时，在应力集中区出现以磁场法向分量符号变换线为特征的滑移位错带。当外部拉伸载荷达到0.6屈服极限时，试件的应力集中区出6现按整个截面发展的以微塑性为特征的位错变形。由材料力学[7]已知，不可逆位错在大多数晶体中出现在它最为薄弱的截面上，尤其是，和最大切向应力（τ）方向相近时。显然理想的和实际的工件强度之间的矛盾是由于位错时原子的移动并非按所有场同时出现，这正是所谓位错的在晶格中出现畸变。这一点于生成滑移位错带时表现出来，在周期性载荷作用下，管件的同一部位上，滑移带变成稳定的且能向金属的深度和广度逐渐扩散。位错沿晶体运动伴有动力学效应：如机械、热、超声、磁和电等效应。整理位错运动引起的变形能量超过微弱外部地球磁场能量（Hз），以及由磁化（MTP）引起的内部场能量（Hi）达到一倍或更多时，晶格体原子的机械和磁力矩，由于磁机械效应将不朝向薄弱磁场Hз和Hi方向。同时，弱磁场Hз和Hi不光从方向上，且从数量上积极参与整理位错聚积时总磁场的出现和形成。应该着重讨论一下在位错聚积区产生自有磁场的机理并回答：能否在没有外部地球磁场的条件下，受应力集中和变形作用产生上述自有磁场。由磁物理现象已知，没有外部磁场的条件下，铁磁体中不可能出现残余磁化。没有外部磁场，仅靠已知的磁机械效应，在机械应力作用下，确定金属磁化现象的企图，通常，都以失败告终[8]。例如，借助图2所示的实验装置可证实这一点。714223Мкр56图2退磁后的铁磁试件，没有内部磁场Hi和外部磁场Hз条件下测量其表面磁场的实验装置。1-补偿电磁线圈；2-非磁化钛合金试棒；铁磁性碳钢试棒（如钢3）；4-退磁用电磁线圈；5-铁磁探测式传感器；6-磁测计；MKP-试棒两端所加的旋转力矩。试验过程是：开始用非磁性材料（如钛合金）制作圆试棒2，且在它的中部螺纹处装上由碳钢做成的铁磁圆试棒3，这时，圆试棒3的截面要远小于圆试棒2的截面，圆试棒3靠近中部的位置补充车削成锥形，以便在被测磁场区域早些形成应力集中，试棒圆锥部分固定了铁磁探测传感器以便测量磁场（沿圆试棒3轴线）的法向分量。已知，靠近铁磁传感器试件表面的法向分量大体上等于内部磁场Hi。接着借助磁测计测量试棒3处在地球磁场中初始状态时的场。随后，试棒2和3通过退磁线圈4并同时放入补偿线圈1，在那里没有外部磁场，（图2上用箭头指示试棒2和3的移动方向）。8圆试棒3退磁后将其放入补偿线圈1中间测量场，并记录下其零值。然后从相反方向給试棒2加上旋转力矩MKP并同时测量在试棒3应力集中区的磁场。借助旋转力矩MKP直到把试棒3破坏且同时记录磁场。多次完成这类的试验表明，铁磁试棒断裂区没有出现场和相应的Hi场以及残余磁化强度。应当指出，如果是类似的试验，要把退了磁的试棒3放到地球磁场中，那场在试棒破坏的瞬间，能从5-10安培/米增长到100-150安培/米或更多。上述试验研究成果证实，没有外部磁场时，位错聚积（试件破坏前必然要出现）上不可能出现自有漏磁场。如果把位错聚积看成是非磁化加入物，那么按Kersten模型，如文章[9,10,11]所述，非磁化加入物表面出现磁电荷并且这些电荷的能量值近似的大于铁磁体边界层能量的100多倍。后来在磁致伸缩力普通理论的进一步发展中，Neel[12]曾企图计算由非磁化加入物引起的磁化强度涨落值。显示出，有双重类型的涨落导致出现分布在物体中的磁电荷，这些磁电荷将对应一定的能量，该能量在很大程度上确定着磁畴边界的位置以及具有外部磁场时它们的移动。Kersten的文章[13]中讨论了铁磁试件中有强内应力时磁畴边界位置变化的条件。提到，试件退磁状态下磁畴边界通过应力梯度具有零值的区域。随着外部磁场的加入，磁畴边界一直移动直到应力梯度没有变成大到足以阻止磁畴边界继续移动为止。移动磁畴边界所必需的最大场值对应着最大的应力梯度值。给出了内应力梯度条件下磁畴边界移动的过程演示图解。指出，弯曲的磁畴边界对应着同等应力的表面形状（显然，残余应力条件下这个部位有应力梯9度零值）且磁化强度从磁畴边界两侧改变自己的方向！这就必定导致磁电荷的生成以及出现显著的能量从而去形成磁畴边界。Bozort的著作[14]中提到，不论Neel的加入物理论，还是Kersten的应力理论都存