金屬磁記憶檢測技術研究綜述*

余光海,盛光鳴,徐觀明,張元昊

(1.合肥工業大學 機械工程學院,安徽 合肥 230009;2.湖南綠色再生資源有限公司,湖南 長沙 410699)

在當今全球化的背景下,環境污染和資源短缺問題已經變得日益嚴重。因此,再制造工程作為一種戰略性新興產業,具有顯著的資源節約和環境保護效果。我國工程機械的數量龐大,其中80%超過了保質期,每年報廢量高達120萬臺。如何有效利用這些廢舊設備成為全面提高資源利用率的關鍵因素。金屬磁記憶檢測技術作為一種新興的無損檢測方法,在不損壞被測對象的前提下,利用材料內部結構異常所引起的表面漏磁場變化來確定零件缺陷的位置和損傷程度。這一技術正在逐漸成為工程領域中重要的檢測手段之一。當前,隨著工業制造業的發展和技術水平的提高,金屬結構件的安全性和可靠性要求也越來越高。因此,發展高效、準確、可靠的無損檢測技術對于確保工程結構的安全運行具有至關重要的意義。

金屬磁記憶檢測技術作為一種新興的無損檢測方法,能夠在不損壞被測對象的前提下,利用材料內部結構異常所引起的表面漏磁場變化來確定零件缺陷的位置和損傷程度。近些年,金屬磁記憶逐漸成為再制造毛坯損傷程度評估和修復質量評價的常用手段,例如,Su H等通過對J-A模型的分析可以反映疲勞程度[1];Wang W等認為金屬磁記憶是一種新的被動無損應力狀態評估方法,可用于鐵磁材料的早期損傷檢測[2];J.Juraszek介紹了一種利用自身剩余磁場識別鋼絲繩損傷的方法[3]。本文旨在詳細闡述金屬磁記憶檢測技術的工作原理和國內外研究成果,梳理其面向再制造工程的應用現狀,并結合具體的案例進行分析。通過對金屬磁記憶檢測技術的應用現狀進行全面闡述,以期為該技術在再制造領域的應用提供更多的思路和方法。

上述內容總結了金屬磁記憶檢測技術在再制造工程中的應用現狀和一些具體的案例,這也是本綜述的主要內容。隨著再制造產業的不斷發展和技術的不斷進步,金屬磁記憶檢測技術在再制造工程中的作用將會更加突出。希望通過對金屬磁記憶檢測技術的綜述,可以為該技術在再制造工程中的應用提供更多的思路和方法,促進再制造產業的可持續健康發展。

1 金屬磁記憶檢測的理論研究綜述

在鐵磁材料中,受應力和環境磁場共同作用時,會產生力磁耦合效應,導致材料的磁化強度和幾何尺寸發生變化,即磁致伸縮效應。這也涉及磁機械效應,即施加應力會改變材料的磁化強度。金屬磁記憶檢測技術是一個涉及鐵磁學、力學和物理學等多方面知識的跨學科新興領域。其影響機制復雜,因此采集的磁信號較微弱,長期以來主要用于定性分析而難以準確用于定量研究,這在科學研究和工程應用中受到限制。磁記憶檢測機理可以通過Jiles-Atherton磁機械效應模型、能量守恒定律以及帶缺陷或應力集中處的磁偶極子模型來理解。在鐵磁材料內部存在許多磁疇和磁疇壁。在無外物理場作用下,這些磁疇和磁疇壁處于無規律的自由狀態,宏觀上不顯磁性。但當鐵磁材料受到地磁場和應力場的共同作用時,由于力磁耦合效應,微觀上材料內部會產生磁疇壁的轉動和磁疇的定向移動,從而在宏觀上顯示出磁性。

1.1 磁機械效應理論研究進展

在1984年,Jiles和Artherton基于已有的疇旋轉和疇壁理論,通過考慮各種能量項,進一步推導出鐵磁材料的狀態方程。對該微分方程進行求解顯示了鐵磁回滯的基本特征,并解釋了應力對磁化的影響。隨后的1995年,Jiles提出了“接近原理”,研究了鐵磁材料在施加單軸應力時磁化強度的變化情況,并建立了鐵磁材料的J-A模型理論[4]。

Wang G等[5]對鐵磁材料在應力作用下的磁記憶效應進行了系統的理論和實驗研究。他們通過能量平衡理論分析了應力與磁特性之間的關系,并計算了力磁耦合過程中的電子能帶結構、電子態密度和原子磁矩。研究結果表明,在應力作用下,鐵磁材料的磁特性會減弱,磁記憶信號強度隨應力的增加呈線性降低。

圖1所示為單軸、等雙軸、靜壓和純剪切應力狀態下無外加磁場的磁致伸縮應變隨應力變化的情況。圖1中,u、e、h和s分別表示單軸、等雙軸、靜壓和純剪切等應力狀態。雖然已經提出了多軸應力下鐵磁材料磁致伸縮應變的解析模型,但是需要指出該模型存在較強的預設,并且在各向異性或高均質情況下存在較大的局限性。另外,Zhang P等學者基于磁疇理論和接近定律,提出了一種各向異性非線性磁力學本構關系,并詳細討論了環境磁場與應力方向不同引起的角度效應。這項研究有助于鐵磁材料缺陷尺寸與反演研究[6]。

圖1 無外加磁場下的磁致伸縮應變與應力的關系

1.2 磁偶極子理論模型研究進展

在恒定和已知方向的磁場中,鐵磁材料試樣通常會優先通過磁通量,但當存在缺陷時,磁通量會泄漏并在缺陷周圍形成漏磁場。這種漏磁現象提供了關于表面斷裂缺陷的重要信息。在高壓載荷和地磁場的作用下,鐵磁試樣的磁疇可以有規律地定向,產生應力集中區和應變集中區自發磁化區域。即使在釋放載荷后,這些自發磁化區域也會產生漏磁信號。圖2所示為應力集中引起的金屬磁記憶信號,目前金屬磁記憶檢測的主要研究方法是磁偶極子理論,該理論可以成功解釋缺陷表面產生的漏磁場,并分析缺陷形狀參數對漏磁場信號的影響。根據磁偶極子理論,在地磁場和外載荷的作用下,鐵磁材料試件出現裂紋損傷時,會在裂紋兩端表面形成極性相反的磁荷,形成極性相反的磁極,因此可以利用磁偶極子理論獲得不同表面裂紋產生的磁信號的解析解。

圖2 應力集中引起的金屬磁記憶信號

磁偶極子理論模型在材料科學和工程領域中具有廣泛的應用,近年來相關研究取得了重要進展。以改進的解析三維漏磁模型為例[7],該模型通過使用2個參數描述法向量,成功實現了在更大范圍的缺陷形狀下對漏磁信號的近似分析。綜合這些研究結果,磁偶極子理論模型在實際工程和材料科學中的應用前景十分廣闊,為相關領域的發展提供了重要的理論基礎和實驗驗證。

2 金屬磁記憶檢測實驗研究

通過測量45冷軋鋼試樣確定位置的磁感應強度與拉應力之間的關系,從實驗中獲得了45冷軋鋼試樣在拉應力下的應力磁化關系,通過測量磁信號的特征可以評價試樣的應力狀態和安全狀態,普通碳素結構鋼試樣示意圖如圖3所示。

圖3 普通碳素結構鋼試樣示意圖

針對鋼筋混凝土結構中的腐蝕和疲勞損傷問題,磁偶極子理論模型被廣泛應用于研究和實驗中。Zhou J等基于磁偶極子模型推導出了自漏磁信號法向分量的理論公式,為銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎強度與自漏磁信號關系的實驗研究奠定了基礎,并提出了一種基于微磁傳感器的銹蝕鋼筋混凝土梁剩余彎曲強度評估新方法[8]。Xia R等利用磁偶極子模型對自有漏磁進行了理論計算,并結合實驗分析了不同腐蝕程度鋼絞線附近的磁信號[9],45個冷軋鋼試件在屈服點附近的漏磁與拉應力的關系如圖4所示。他們提出了利用法拉第第一電解定律計算鋼材料腐蝕程度的方法,并通過水平和垂直掃描得到腐蝕區域的長度和范圍,為土木工程的無損檢測提供了新的手段。Zhang D等提出了磁力學模型研究鋼筋疲勞損傷與表面磁記憶信號之間的關系,并在拉伸疲勞試驗中測量了試樣的表面磁通密度,結果表明,磁通密度在疲勞過程中表現出3個階段,提出的模型能有效地描述鋼筋在疲勞過程中的磁化變化趨勢[10]。Wu J等研究了材料內部缺陷的漏磁過程,并提出了一種由亥姆霍茲線圈磁化和高磁導率磁芯感應線圈組成的高靈敏度漏磁檢測方法,增加了內部缺陷的可探測深度,極大地提高了檢測深埋缺陷的能力[11]。這些研究為相關領域的發展提供了新的理論支持和實驗驗證,為工程結構的健康監測和無損檢測提供了新的方法和技術手段。

a) 硬化程度小時塑性變形狀態

磁偶極子理論模型研究專家們對金屬材料的磁性及其在應力狀態下的變化進行了廣泛探討。首先,Z.Maazaz等[12]研究了塑性應變對鐵素體-珠光鋼剩磁的影響,發現塑性應變顯著降低了剩余磁化強度,但在外加應力下會有恢復的趨勢。He G等[13]通過非接觸管道磁檢測技術建立了磁信號的數值模型,提出了新的參數來反映管道環焊縫的應力狀態,為管道檢測提供了科學依據。Tong K等[14]結合磁化理論,研究了弱磁激勵條件下鋼筋的力-磁耦合效應,并提出了新的思路用于鋼筋混凝土結構的無損檢測。此外,Xia R等[15]提出了有初始腐蝕和無初始腐蝕的磁機械效應的理論分析方法,為鐵磁材料的應力-腐蝕耦合分析提供理論依據。Liu B等[16]提出了改進的磁力效應模型并結合仿真分析對鋼絲繩損傷進行檢測,為鐵磁材料的損傷檢測提供了新方法。最后,Ge J等[17]研究了在逆彎曲置和應力集中位置法向漏磁信號隨應力的變化規律,并建立了磁性和力學性能之間的物理機制,為材料的損傷程度評估提供了新的參數和方法。這些研究為金屬材料在應力狀態下的磁性變化和相關的無損檢測技術提供了重要的理論和實驗依據,對工程和材料領域具有重要的指導意義。

3 金屬磁記憶檢測損傷評價

S.Kolokolnikov等[18]在研究中討論了基于金屬磁記憶法的焊接試樣焊后熱處理前后應力狀態的變化,指出在弱地磁場作用下焊接過程中形成自漏磁的磁場強度與焊接接頭應力狀態變化之間的關系,并提出了利用磁記憶法快速檢測焊接接頭應力狀態不均勻區的方法。另外,S.Kotake[19]從力學角度和實驗結果討論了塑性變形對鐵磁性金屬剩余磁化的影響,提出了利用測量無磁場下試件殘余磁化強度的降低來檢測試樣在拉應力或壓應力作用下是否發生額外塑性變形的方法。S.Gontarz等[20]發展了被動磁性方法診斷模型,用于確定結構的應力和作用力狀態,強調了通過將動力學引入系統,在分析受檢物體磁場隨其作用力的變化以及分析結構的整體作用力時,必須考慮一些參數。Yao K等[21]采用金屬磁記憶(MMM)方法評估了鐵磁材料在非鐵磁和鐵磁壓頭作用下的接觸損傷,建立了早期接觸損傷準則并提取評價參數。A.Arifin等[22]基于磁性金屬記憶法的鐵磁鋼疲勞壽命估算中評估失效時的材料參數,即收縮值,通過早期疲勞載荷下的收縮值對漏磁特征進行評估,實驗和分析表明,金屬磁記憶方法的估計值在實際循環數范圍內,說明該方法在早期定位疲勞裂紋位置以及估計部件疲勞壽命的能力。C.Abarkane等[23]驗證了金屬磁記憶技術在金屬阻尼器定量損傷評估中的應用,并通過實驗驗證了該指數用于量化狹縫板阻尼器在循環荷載作用下的損傷,強調了擬議的金屬磁記憶損傷指數的相關性。Huang H等[24]研究了基于磁記憶合金技術進行拆卸損傷評估的可行性,并提出了拆卸損傷評估方法,具體研究了軸與葉輪過盈配合接頭的拆卸,應力集中和塑性變形刺激了磁疇的變化,導致表面自發磁場的畸變和金屬磁記憶信號的感應。

He M等[25]的研究基于等效磁極化法和有限元邊界元混合方法,提出了一種考慮鐵磁材料非線性和磁滯特性的非線性漏磁檢測信號數值模擬方法。結果顯示,非線性漏磁檢測信號的失真主要受材料的剩磁系數影響,而剩磁系數會受到塑性變形等微損傷的顯著影響。此外,Wang H等[26]系統研究了焊接接頭在不同疲勞循環次數下拉壓疲勞全過程中金屬磁記憶信號的變化規律,結果顯示金屬磁記憶檢測是一種可行的評估在用焊接件疲勞應力甚至剩余疲勞壽命的方法。這些研究為金屬磁記憶檢測技術的應用提供了新的方法和實驗驗證,拓展了該技術在材料損傷評估、疲勞壽命估計和結構性能評估等領域的應用前景。

4 金屬磁記憶檢測影響因素研究

最近的研究成果表明,金屬磁記憶技術在材料領域的應用有著廣闊的發展前景。Li J等[27]的研究重點是外加載荷對磁機械效應的影響,特別是針對施加負載對體磁場和局部表面磁場的影響。在彈性變形階段,應力對磁性的影響導致單軸各向異性的發展。然而,在塑性變形區域,根據磁塑性模型計算的磁化在塑性形變的初始階段表現出急劇變化,然后隨著塑性應變的增加而緩慢降低。Su S等[28]提出了一種在不同速度條件下重建任意缺陷輪廓的有效方法,基于有限元模型,該方法能獲得更好的重建精度。該方法在無損檢測剖面重建的實際應用中具有廣闊的前景。Shen Z等[29]的研究主要討論了表面斷裂裂紋的表面粗糙度與檢測信號之間的關系,分析了目前漏磁檢測中存在的粗糙度磁壓縮效應,將有助于對漏磁檢測進行定量評價。N.Sonntag等[30]的實驗表明,雜散場不僅是由磁彈性效應形成的,而且不均勻的塑性變形形成了形貌,這是雜散磁場形成的主要原因之一。Li H等[31]的分析結果表明,不管應力分布的形式如何,磁梯度隨著應力的增加而增加,基于上述結論,提出了一種殘余磁場特性:磁場的二階導數,這可以作為估計不連續結構中最大應力的統一定量標準。M.Moonesan等[32]的研究結果顯示,試樣殘余磁場與其對應的應力誘導磁場水平有較強的相關性,這對于金屬磁記憶技術在應力評估中具有重要意義。Liu B等[33]的研究討論了裂紋尺寸對金屬磁記憶法應力評估的影響,結果顯示溝槽位置與突變的關系,提供了一種新的方法來評估材料的應力狀態。

Liu B等[34]的研究發現,晶粒尺寸對金屬磁記憶技術評估應力損傷有著顯著影響。實驗結果顯示,隨著晶粒尺寸的增大,磁場強度梯度略有減小,這是由于晶粒尺寸對變形能力的影響。同時,基于多項式函數確定了磁場強度梯度斜率與晶粒尺寸之間的關系。此外,Liu B等[35]還研究了外加磁場對磁記憶信號的影響,并采用有限元分析方法建立了X70管線鋼的磁力學模型,研究發現在地磁場作用下,應力集中程度與磁記憶信號之間存在一對一的線性對應關系。另外,外部磁場強度的變化也影響著磁場信號的表現,從而對應力集中區的磁信號產生影響。Xie Z等[36]的研究集中在磁場對鐵磁材料裂紋尖端應力強度因子的影響上,推導出了裂紋尖端附近結構變形引起的磁場擾動的半解析解,并定量評價了外加磁場對應力強度因子的影響。這些研究為我們提供了一種新的方式來理解磁場對材料裂紋行為的影響。M.P.van der Horst等[37]的研究則集中在應力誘導磁化對結構鋼板應力集中區自漏磁的影響,結果顯示,應力誘導的磁化強度在真實疲勞裂紋的前沿可能比在橢圓孔的尖端大得多,對于漏磁信號低得多的短橢圓表面裂紋,應力誘導磁化可能對缺陷附近的自漏磁信號有顯著影響。這些研究成果為金屬磁記憶技術的應用提供了新的思路和方法,拓展了該技術在材料性能評估、應力評估和缺陷檢測等領域的應用前景。

5 結論與展望

根據近幾十年來磁記憶技術的研究進展,本文綜述了磁/應力耦合效應的理論研究、影響檢測信號的因素、損傷狀態的判斷標準和缺陷識別等方面,總結了金屬磁記憶技術的一些優點和關鍵問題。然而,磁/應力耦合模型的理論研究尚有待提升。目前的研究中,很少有模型能夠準確描述張力釋放和壓縮釋放過程中不同的磁化特征。因此,筆者提出了進一步優化相關參數的建議,以使模型更加準確。筆者還認為可以加入溫度的影響來改進模型,并考慮更多的基本參數(如磁導率)來定量表征鐵磁材料的應力應變狀態。盡管人們進行了許多研究以探究磁場與應力集中區應力之間的關系,但仍存在諸多問題。在磁/應力耦合模型中缺乏能夠準確描述張力釋放和壓縮釋放過程中不同磁化特征的模型。此外,基于金屬磁記憶方法的缺陷識別研究也相對少見,因為磁信號受應力狀態、缺陷形狀、缺陷深度、材料類型等多種因素的耦合影響。

金屬磁記憶(MMM)是一種被動的磁性無損檢測技術,可以高效簡便地評估鐵磁材料中的應力集中和早期損傷,具有預測構件壽命的潛力。然而,由于其相對較弱的磁信號和眾多干擾因素,以及鐵磁材料制造工藝和使用環境的差異,目前關于MMM技術能否準確表征殘余應力和載荷大小仍存在爭議。因此,該技術目前主要用作初步定性確定可能存在缺陷位置的方法。作為一種新興的弱磁檢測方法,MMM仍面臨著多個尚未解決的問題,以充分發揮其在無損檢測方面的潛力。首先,金屬磁記憶的物理機理尚不明確,現有的磁-機械耦合模型僅適用于彈性階段單軸應力作用下產生的磁場變化,無法解釋塑性變形和斷裂對材料磁性能的影響。其次,磁記憶檢測數據的準確性和可重復性需要改進,必須明確影響磁記憶信號的可控因素及其影響程度,并排除磁干擾因素,提高檢測的準確度。最后,為了實現對結構安全性的定量評估,需要建立材料損傷狀態與評價參數的量化關系,為受力狀態的反演做準備。

金屬磁記憶檢測信號的準確性和影響因素有待完善。磁記憶檢測技術的損傷評判標準依賴于磁信號以及特征值的變化規律,因此磁信號的準確性是一個關鍵問題。由于磁信號是一種弱磁信號,受外界環境因素和人為因素的影響較大,需要逐一明確磁信號的干擾因素以及影響程度,以確保提取的檢測信號的準確性。綜上所述,解決這些問題將有助于進一步完善金屬磁記憶檢測技術的可靠性和實用性,推動其在無損檢測和結構安全性診斷方面的應用。