金屬磁記憶技術(shù)的機(jī)理與試驗(yàn)研究

吳大波，徐敏強(qiáng)

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，150001 哈爾濱）

金屬磁記憶技術(shù)的機(jī)理與試驗(yàn)研究

吳大波，徐敏強(qiáng)

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，150001 哈爾濱）

在外應(yīng)力作用下鐵磁晶體應(yīng)力能會(huì)增加，其相應(yīng)的總自由能也會(huì)增加，而改變鐵磁晶體的磁化狀態(tài)會(huì)消耗能量，并趨向于自由能最低.通過對(duì)45號(hào)調(diào)質(zhì)鋼和非調(diào)質(zhì)鋼試件分組進(jìn)行三點(diǎn)彎曲疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)和金相顯微鏡在位顯微觀測，并利用TSC-1M-4檢測磁場信號(hào)，發(fā)現(xiàn)調(diào)質(zhì)鋼試件的磁記憶信號(hào)明顯低于非調(diào)質(zhì)鋼試件的磁記憶信號(hào)，在對(duì)試件調(diào)質(zhì)消除內(nèi)應(yīng)力后，不同的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)試件的磁場特征信號(hào)具有顯著的影響.

金屬磁記憶;磁各向異性;應(yīng)力集中;三點(diǎn)彎曲;熱處理

現(xiàn)代工業(yè)大量使用鐵磁性金屬材料制造各種設(shè)備和構(gòu)件，如鍋爐壓力容器、管道、橋梁、鐵軌、汽輪機(jī)葉片、轉(zhuǎn)子等.隨著服役時(shí)間的延長，這些設(shè)備和構(gòu)件不可避免的因應(yīng)力集中和缺陷擴(kuò)展發(fā)生破壞而引發(fā)工業(yè)事故的風(fēng)險(xiǎn)越來越高.因此，無損檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備維護(hù).然而，常規(guī)無損檢測技術(shù)(超聲、射線、渦流、磁粉、滲透等)只能檢測已經(jīng)成形的裂紋或缺陷，不能對(duì)造成疲勞破壞的重要因素應(yīng)力集中進(jìn)行早期檢測，無法避免因應(yīng)力集中引起的金屬疲勞導(dǎo)致的意外斷裂的發(fā)生.正常大修周期之外，由金屬疲勞引起的意外斷裂導(dǎo)致的工業(yè)事故造成了大量的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)損失.因此，急需發(fā)展新的無損檢測方法實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)設(shè)備應(yīng)力集中進(jìn)行早期診斷.1999年，在汕頭召開的第七屆中國無損檢測國際研討會(huì)上，俄羅斯杜波夫教授［1］介紹一種新的無損檢測方法——金屬磁記憶技術(shù)，提出了應(yīng)力集中－金屬微結(jié)構(gòu)變化－磁記憶效應(yīng)的相關(guān)性，引起了國內(nèi)無損檢測領(lǐng)域的廣泛關(guān)注.眾多學(xué)者對(duì)金屬磁記憶技術(shù)進(jìn)行了研究，國家自然基金先后資助了十多個(gè)相關(guān)專題研究.

金屬磁記憶檢測技術(shù)是依據(jù)對(duì)構(gòu)件表面自有漏磁場(SMLF)分布的分析來定位應(yīng)力集中區(qū)、缺陷、金屬和焊縫組織的不均勻性的無損檢測方法.學(xué)術(shù)界對(duì)金屬磁記憶效應(yīng)的機(jī)理有著不同的觀點(diǎn).以俄羅斯杜波夫教授為代表的基于磁機(jī)械效應(yīng)的“自有漏磁場”理論［2］;國內(nèi)，以南昌航空大學(xué)任吉林教授為代表的鐵磁學(xué)磁彈性效應(yīng)理論［3］，南京燃?xì)廨啓C(jī)研究所仲維暢代表的非對(duì)稱應(yīng)力作用下鐵磁材料的電磁感應(yīng)理論［4］等，從不同角度來解釋磁記憶效應(yīng)的形成機(jī)制.

1 金屬磁記憶檢測原理

金屬磁記憶檢測的原理是基于鐵磁性構(gòu)件在運(yùn)行時(shí)，受工作載荷和地球磁場的共同作用，在應(yīng)力和變形集中區(qū)域發(fā)生磁化強(qiáng)度不可逆變化［5－7］.在應(yīng)力集中區(qū)域，構(gòu)件表面磁場的切向分量Hp(x)具有最大值，而法向分量Hp(y)改變符號(hào)且具有零值點(diǎn)［8］.通過對(duì)構(gòu)件表面磁場法向分量的檢測，可方便的確定應(yīng)力集中部位.

圖1 磁記憶檢測原理

2 金屬磁記憶效應(yīng)的機(jī)理

鐵磁材料被磁化時(shí)，沿磁體的某些方向容易磁化，而另一些方向較難磁化.鐵磁單晶體在磁性上是各向異性的.沿鐵磁體的難、易磁化軸分別進(jìn)行磁化時(shí)所需要的磁化能的大小是不同的.易磁化方向所需要的磁化能最小，而難磁化方向所需要的磁化能最大.這種同磁化方向有關(guān)的能量稱為磁各向異性能.磁各向異性能定義為飽和磁化強(qiáng)度矢量在鐵磁體中取不同方向而改變的能量［9］.

沒有外力和磁場作用于鐵磁晶體，其穩(wěn)定狀態(tài)的自由能為

式中:Ek為磁晶各向異性能;Ems為磁彈性能;Eel為彈性能.

鐵磁晶體受外應(yīng)力的作用，晶體將發(fā)生相應(yīng)的形變.這時(shí)，晶體的自由能除由于自發(fā)形變而引起的磁彈性能外，還存在著由外應(yīng)力作用而產(chǎn)生的非自發(fā)形變的磁彈性應(yīng)力能，簡稱為磁應(yīng)力能.鐵磁晶體總的自由能為

式中Eσ為應(yīng)力能.

鐵磁單晶體在磁場作用下被磁化，磁化所做的功即自由能.鐵磁晶體沒有形變，磁各向異性能即磁化矢量Ms離開易磁化軸方向而增加的自由能.由于鐵磁單晶體是磁各向異性，如上所述鐵磁晶體的磁化功與磁化方向有關(guān).立方晶體的總各向異性能為

式中:K1、K2為各向異性常數(shù);α1、α2、α3為磁化方向與3個(gè)晶軸之間的夾角余弦.

磁化矢量離開易磁化軸方向時(shí)，晶體發(fā)生微小的形變.形變使得晶體形成新的能量平衡，總自由能達(dá)到的極小值的穩(wěn)定狀態(tài).晶體發(fā)生形變，自發(fā)形變產(chǎn)生磁彈性能.如立方晶體的磁彈性能為

式中:B1、B2為磁化與形變相互作用的磁彈性耦合系數(shù);αi、αj為磁化方向與各晶軸間的夾角余弦;eii、eij為形變分量.

晶體發(fā)生形變的彈性能為

式中:exx、eyy、ezz、exy、eyz、ezx為形變分量;C11、C44、C12為彈性模量.

外應(yīng)力作用于鐵磁體，鐵磁晶體產(chǎn)生彈性應(yīng)變的同時(shí)，產(chǎn)生應(yīng)力磁各向異性.鐵磁體內(nèi)的磁化強(qiáng)度矢量取向與應(yīng)力有關(guān)，改變其自發(fā)磁化方向.根據(jù)鐵磁學(xué)理論，其應(yīng)力能為

式中:σ為應(yīng)力;λs為磁致伸縮系數(shù);θ為應(yīng)力方向與磁化方向之間的夾角.

3 討論

根據(jù)穩(wěn)定狀態(tài)能量最小原則，外應(yīng)力作用使得鐵磁晶體增加了磁應(yīng)力能，鐵磁晶體總自由能增加處于不穩(wěn)定狀態(tài).鐵磁晶體內(nèi)部磁化方向不再任意取向，通過改變磁化強(qiáng)度方向，磁場強(qiáng)度方向?qū)②呄蛴谂c應(yīng)力平行或垂直的方向，以此來抵消磁應(yīng)力能增加的影響，重新達(dá)到自由能最小的穩(wěn)定狀態(tài).

當(dāng)θ=0°或180°時(shí)，其應(yīng)力能Eσ取最小值.材料的λs＞0，受到拉應(yīng)力(g＞0)作用時(shí)，即拉應(yīng)力將使鐵磁性材料內(nèi)部磁疇中的自發(fā)磁化強(qiáng)度矢量Ms的方向取平行或反平行于應(yīng)力方向.材料的λs＜0，受到壓應(yīng)力(g＜0)作用時(shí)，自發(fā)磁化強(qiáng)度矢量Ms的方向取平行或反平行于應(yīng)力方向.材料的λs＞0，受壓應(yīng)力(g＜0)作用，應(yīng)力使Ms取垂直于應(yīng)力的方向(即θ=90°或270°).材料的λs＜0，受拉應(yīng)力(g＞0)作用，應(yīng)力使Ms取垂直于應(yīng)力的方向(即θ=90°或270°).由此可以看出，由應(yīng)力引起的應(yīng)力能對(duì)自發(fā)磁化強(qiáng)度Ms的取向產(chǎn)生了影響.

在外應(yīng)力作用下，磁彈性應(yīng)力能增加，總的自由能增加，鐵磁晶體產(chǎn)生應(yīng)力致磁各向異性，鐵磁晶體改變磁化強(qiáng)度的方向，以磁各向異性能來抵消應(yīng)力能增加對(duì)總自由能的影響.由于磁滯效應(yīng)的作用，從而鐵磁構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生大大高于地球磁場強(qiáng)度的磁場強(qiáng)度.圖2為磁彈性效應(yīng)示意圖.圖中ΔBr為殘余磁感應(yīng)強(qiáng)度，Δσ為周期應(yīng)力變化量，He為外磁場.表明當(dāng)鐵制構(gòu)件的某一部位在周期性負(fù)載和外部磁場(如地球磁場)共同作用下，出現(xiàn)殘余磁感應(yīng)強(qiáng)度和自磁化的增長.由于金屬內(nèi)部存在多種內(nèi)耗效應(yīng)(如粘彈性內(nèi)耗、位錯(cuò)內(nèi)耗等)，工作載荷卸載后，加載時(shí)在金屬內(nèi)部形成的應(yīng)力集中區(qū)得以保留.應(yīng)力能引發(fā)的磁疇組織重新取向排列也保留下來，并在應(yīng)力集中區(qū)形成漏磁場分布.

圖2 磁彈性效應(yīng)原理

磁各向異性是鐵磁晶體的1個(gè)基本屬性，存在磁晶各向異性，形狀各向異性，應(yīng)力磁各向異性，感生磁各向異性，交換磁各向異性等多種類型.磁晶各向異性是磁性單晶體所固有的，其他類型廣義上說都是感生的磁各向異性.應(yīng)力、熱處理等都能對(duì)鐵磁單晶性的特性產(chǎn)生影響，產(chǎn)生應(yīng)力致磁各向異性、磁場熱處理感生各向異性等等.

以不同熱處理材料制成的試件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲裂紋擴(kuò)展疲勞試驗(yàn)，研究熱處理工藝對(duì)金屬磁記憶信號(hào)的影響.

4 試驗(yàn)研究

如圖3所示，在HYG高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行3點(diǎn)彎曲疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn).

圖3 高頻疲勞試驗(yàn)臺(tái)

試件為3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試件，長140 mm，高30 mm，寬15 mm;在試件中部的人工預(yù)制裂紋8 mm深，1.8 mm寬.試件材料為45號(hào)調(diào)質(zhì)鋼.磁記憶信號(hào)由俄羅斯動(dòng)力診斷公司生產(chǎn)的應(yīng)力集中磁檢測儀TSC-1M-4采集.裂紋長度由USFEN500金相顯微鏡在位顯微觀測.試驗(yàn)環(huán)境為室溫.

3點(diǎn)彎曲疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)執(zhí)行GB/T6398-2000標(biāo)準(zhǔn).應(yīng)力比 R為 0.1，最大應(yīng)力160 MPa.每10 000次疲勞循環(huán)，應(yīng)力集中磁檢測儀TSC-1M-4探頭沿著試件頂部的測量線從左到右進(jìn)行水平掃描.試件裂紋擴(kuò)展長度由金相顯微鏡在位拍攝，由圖像分析軟件分析測量后獲得裂紋擴(kuò)展速率.

45號(hào)鋼試件按不同的熱處理工藝分為兩組進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn):一組850℃淬火，一組850℃淬火560℃回火調(diào)質(zhì).

如圖4所示，熱處理試件的裂紋擴(kuò)展速率低于非調(diào)質(zhì)試件.調(diào)質(zhì)熱處理試件疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值相對(duì)應(yīng)的磁記憶信號(hào)Hp(y)的絕對(duì)值高于非調(diào)質(zhì)試件.這說明調(diào)質(zhì)熱處理使得試件不易形成裂紋并擴(kuò)展.45號(hào)非調(diào)質(zhì)鋼是馬氏體結(jié)構(gòu)，調(diào)質(zhì)45號(hào)鋼是回火索氏體結(jié)構(gòu).馬氏體鋼硬度高，脆性也大.回火索氏體鋼具有更好的屈服極限和沖擊韌性.回火索氏體鋼的機(jī)械性能優(yōu)于馬氏體鋼.因此，回火索氏體鋼比馬氏體鋼更不易于裂紋開裂并擴(kuò)展.

圖4 熱處理對(duì)磁記憶信號(hào)的影響

5 結(jié)論

金屬磁記憶現(xiàn)象形成機(jī)制是1個(gè)廣泛關(guān)注的難點(diǎn)，涉及到鐵磁學(xué)、金相學(xué)、彈塑性力學(xué)等多學(xué)科，是1個(gè)復(fù)雜的問題.本文從應(yīng)力作用下鐵磁晶體產(chǎn)生磁各向異性，進(jìn)而改變磁晶體磁化方向，以磁彈性能來消除應(yīng)力能增加產(chǎn)生的變化來解釋磁記憶現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)制，即應(yīng)力作用下，鐵磁材料產(chǎn)生應(yīng)力磁各向異性，在外磁場作用下改變鐵磁材料磁化強(qiáng)度.

磁各向異性的形成有多種原因，金屬熱處理能夠影響鐵磁單晶體磁各向異性.金屬熱處理磁各向異性對(duì)金屬磁記憶信號(hào)和裂紋擴(kuò)展速率有顯著影響.調(diào)質(zhì)熱處理試件的裂紋擴(kuò)展速率低于非調(diào)質(zhì)試件.調(diào)質(zhì)熱處理試件的裂紋擴(kuò)展門檻值對(duì)應(yīng)的磁記憶信號(hào)比非調(diào)質(zhì)試件強(qiáng).

調(diào)質(zhì)試件和非調(diào)質(zhì)試件的金屬磁記憶信號(hào)的變化趨勢與兩者力學(xué)性能有著顯著的相關(guān)性.金屬磁記憶檢測能夠作為熱處理工藝評(píng)價(jià)的有效手段.

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Theoretical and experimental study on metal magnetic memory technique

WU Da-bo，XU Min-qiang

(School of Astronautics，Harbin Institute of Technology，150001 Harbin，China)

To decrease the free energy，ferromagnetic crystal would reduce the stress energy by changing its magnetic state.Under the influence of stress-induced magnetic anisotropy in the interactions of stress and geomagnetic field，the physical mechanism of magnetic memory effect is studied.Crack propagation tests are performed on plate specimens of 45 quenched and tempered steel and non-quenched and tempered steel specimen.By three-point bending fatigue experiment and measurement in situ of metallurgical microscope，the magnetic signals were scanned by TSC-1M-4.The magnetic memory signals of quenched and tempered steel specimen are significantly lower than that of the non-quenched and tempered steel specimen.After eliminating stress by quenching the specimen，the results show that different stress states have significant effect on the magnetic field characteristics of the specimen.

metal magnetic memory;magnetic anisotropy;stress concentration，three-point bending，heat treatment

TG115.28

A

0367－6234(2012)11－0036－04

2011－12－10.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(10772061).

吳大波(1979—)，男，博士研究生;

徐敏強(qiáng)(1960—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

徐敏強(qiáng)，xumq@hit.edu.cn.

(編輯 張 宏)