（检测技术与自动化装置专业论文）金属磁弹、磁记忆检测信号采集处理系统的研究.pdf

摘要 金属磁弹、磁记忆检测信号采集处理系统的研究 摘要 铁磁材料具有较好的弹性和塑性，并且具有坚硬、耐腐等优点， 是目前乃至今后广泛适用并且不可替代的工业材料。在工业生产中， 由铁磁材料加工的零部件及构成的产品，在使用过程中出现质量问 题，破损问题及寿命终结，不仅关系到产品的正常运行，甚至关系 到人身安全。因此，对铁磁材料的各种性质，如应力、硬度、疲劳 等方面的检测具有重要的意义。 随着现代工业的发展，对铁磁材料构件的应力检测已经成为确 保设备安全运行以及产品质量的重要手段。相对其它常见的应力检 测方法，金属磁弹与磁记忆检测方法是近些年来发展的两种较为先 进的无损检测技术。它们在检测铁磁材料内部应力、疲劳寿命、硬 度、显微组织、表面状态都有着各自的优势，可对产品或设备进行 整体的分析、评价，是非常有发展潜力的动态无损检测方法。 本文对金属磁弹与磁记忆信号的产生机理与铁磁材料的各种性 质进行了深入细致的研究。并在此基础上，研制了基于金属磁弹和 磁记忆技术的铁磁材料应力检测仪器。该仪器主要包括传感器、信 号调理电路以及单片机三部分。对于金属磁弹检测中出现的高频干 扰信号，提出了选用现场可编程逻辑器件( f p g a ) 来实现低通数字 滤波器来滤除高频噪声。进一步用v h d l 语言加以描述，并且进行 仿真验证，同时应用于磁弹的在线检测，达到了较高的精度。 北京化工大学硕士学位论文 关键词：无损检测，铁磁材料，磁弹，磁记忆，数字滤波器 i i a b s t r a c t t h er e s e a r c ho fm e t a l l i c m a g n e t o e l a s t i c l t ya n dm a g n e t i cm e m o r y t e s t i n gs i g n a la c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g s y s t e m a b s t r a c t f e r r o m a g n e t i cm a t e r i a lh a sv e r yg o o de l a s t i c i t ya n dp l a s t i c i t ya n d m a n yo t h e rg o o d q u a l i t i e s ，s u c ha su n y i e l d i n ga n de n d u r i n g ，e t c i ti sa w i d e l yu s e di n d u s t r ym a t e r i a ln o wa n di nt h ef u t u r ea n dc a n t b e r e p l a c e d b u tb r e a k d o w no ft h ep r o d u c t s m a d ef r o mf e r r o m a g n e t i c m a t e r i a ls o m e t i m e sm a yo c c u rw h i c hc a nc a u s es e r i o u sp r o b l e m sa n d m a ye n d a n g e rp e o p l e s l i f e s o m e t i m e s t h e r e f o r e ，t e s t i n go fv a r i o u s p r o p e r t i e so ff e r r o m a g n e t i cm a t e r i a l ，s u c ha ss t r e s s ，h a r d e s sa n df a t i g u e ， e r e ，i sv e r yi m p o r t a n t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r y , a c t u a l i z i n gs t r e s st e s t i n g f o rf e r r o m a g n e t i cm a t e r i a ls t r u c t u r a lm e m b e rh a sb e c o m ea ni m p o r t a n t m e a n st oe n s u r et h es a f e t yo ft h ee q u i p m e n t sa sw e l la st h eq u a l i t yo f p r o d u c t s i nc o m p a r i s o n w i t ho t h e rc o m m o ns t r e s s t e s t i n g m e t h o d s ，m e t a l l i cm a g n e t o - e l a s t i c i t y a n d m a g n e t i cm e m o r yt e s t i n g m e t h o d s ，w h i c hw e r ed e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s ，w e r et w ok i n d so f a d v a n c e dn o n d e s t r u c t i v e t e s t i n gt e c h n o l o g y t h e y b o t hh a v et h e i i i 北京化工大学硕上学何论文 s u p e r i o r i t y i n t e s t i n g r e s i d u a l s t r e s s ，f a t i g u e l i f e ，h a r d n e s s ，m i c r o s t r u c t u r e ，s u r f a c es t a t eo ft h ef e r r o m a g n e t i cm a t e r i a l a n dt h e yc a l la l s ob eu s e dt oa n a l y s i sa n de v a l u a t et h es t a t eo faw h o l e p r o d u c to re q u i p m e n t t h e ya r ev e r yp r o m i s i n gn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g m e t h o d s i nt h i s p a p e r , m e c h a n i s m o ft h e g e n e r a t i o n o fm e t a l l i c m a g n e t o e l a s t i c i t ya n dm a g n e t i cm e m o r ys i g n a l sa n dt h e i rr e l a t i o n st o t h ev a r i o u s p r o p e r t i e s o f f e r r o m a g n e t i c m a t e r i a la r ed i s c u s s e d t h o r o u g t h l ya n dc a r e f u l l y a n d o nt h ef o u n d a t i o n ，a ni n s t r u m e n tf o r t e s t i n g t h es t r e s s o f f e r r o m a g n e t i c m a t e r i a l u s i n g m e t a l l i c m a g n e t o e l a s t i c i t y a n d m a g n e t i cm e m o r yt e c h n o l o g y h a sb e e n d e v e l o p e d t h ei n s t r u m e n tm a i n l yc o n s i s t so ft h r e ep a r t s ：t h es e n s o r , t h e s i g n a la l i g n m e n t c i r c u i ta n dt h e s i g n a l c h i p f o rh i g h - f r e q u e n c y i n t e r f e r e n c es i g n a l si nm e t a l l i cm a g n e t o e l a s t i c i t yt e s t i n g ，t h i sp a p e r p r o p o s e sas c h e m eo fl o wp a s sd i g i t a lf i l t e rw i t hf i e l d - - p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y ( f p g a ) t h e f i l t e ri s p r o g r a m m e d w i t hv h d la n d s i m u l a t e d i ti sa l s oa p p l i c a t e di no n l i n et e s t i n go fm a g n e t o - e l a s t i c i t y w i t hh i g h e rp r e c i s i o n k e yw o r d s ：n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g ，f e r r o m a g n e t i c m a t e r i a l ， m a g n e t o e l a s t i c i t y , m a g n e t i cm e m o r y , d i g i t a lf i l t e r i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：一超 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单 位属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公 布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适 用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适 用本授权书。 作者签名：盘垫 日期：銎碴五旦圭旦 导师签名： 2 盔盛 日期：皇蹲垂墨醢凹 第章绪论 第一章绪论弟一早三百v 匕 1 1 本课题研究的目的和意义 众所周知，目前工业设备及工件的生产制造中对铁磁材料的使用极为广泛，铁磁 材料具有良好的弹性、塑性和强度，取之方便。每年铁磁材料的产量比任何其他金属 材料的产量都要高，铁磁材料及其零部件强度高、硬度大、耐腐，以其构成的产品具 有耐久性、实用性，以其构成的工程项目坚固、持久。由于铁磁材料具有目前所有材 料都不可替代的抗拉、压、抗疲劳、抗弯曲的特性。利用铁磁材料坚固、耐用、抗震 的特点，它经常在工程材料中起骨架、支撑作用。在民用及日用工业中，利用铁磁材 料的良好的弹性和塑性，把它们加工成汽车外壳、压力容器、板簧、麻花钢筋等等。 这些产品具有柔软、强劲、刚硬、坚韧、使用周期长等优点。毫无疑问，铁磁材料不 仅目前是而且在将来相当长的一段时间内也必将仍然是最重要、应用最广泛的工程及 建筑材料之一。 随着现代工业的迅猛发展，越来越多的设备及工件被长期应用到高温、高速、高 负载的环境当中，使得设备及构件经常处于满负荷或过负载的工作状态。由铁磁材料 构成的机械构件，在加工制作和使用的过程中，由于受外力作用，温度变化等因素的 影响，在其内部会产生局部的应力集中或松弛，从而会引起构件局部或全部的塑性扭 曲，变形，造成构件整体强度的降低，特别是构件疲劳强度的降低，从而造成事故隐 患。在工业生产中，由铁磁材料加工成的零部件及其它产品，人们最关心的是在使役 过程中它们的受力状态。在工程技术领域，如建筑物、桥梁、铁塔等，人们关心的是 在使役过程中它们的寿命。这是因为，这些产品的工程技术指标不仅仅关系到产品的 质量、寿命和价格，而且还关系到人们的生命安全。如铁磁材料构成的压力容器、核 容器、炼油蒸汽塔、锅炉等等，它们都是由焊接结构件构成的，当容器内温度、压力 达到一定程度时，铁磁材料受力是十分惊人的，应力超过设备的限度，就要发生爆炸， 危险事故经常发生。 因此，对铁磁材料的各种缺陷，如腐蚀，疲劳，裂纹，弹性变形及塑性变形等的 检测引起了广泛的重视。而在铁磁材料结构构件中，应力是一个重要的参数，为了判 定在役铁磁材料结构构件的实际受力情况，验证设计计算结果的正确性及可靠度，对 结构构件尤其是一些重要的结构构件实施应力检测就有着十分重要的意义。这不仅有 助于提高产品的质量，判断产品的使用寿命，而且能及时发现隐情，提前采取有效措 施，从而避免重大的灾难性的事故发生。 北京化工大学硕上学位论文 1 2 目前常用的应力检测方法 ( 1 ) x 一射线法 传统的x 射线法检测应力，是通过测定具有应力的晶粒、晶格之间的应变来测 定应力的大小，无损伤的对材料表面进行定量分析。该方法的缺点是：检测设备昂贵， 检测精度不高，多次检测重复性不好，检测深度仅达数微米或几十微米。特别是对大 晶粒材料的应力测定，x 射线衍射线变得不连续时，测得的应力值将会有相当大的误 差。 ( 2 ) 电阻应变片法 应变片法是目前应用相对较普遍的一种应力检测方法。应变片法检测应力是将由 基片和电阻丝栅组成的应变片贴在材料的表面，基于材料受力后产生的形变，由应变 片的电阻丝栅随材料的相对变化所发生长短变化，来测量材料内部的应力，是连续测 量过程。此方法的缺点是：一个应变片只能测量构件表面一个点在某一方向的应变， 不能实现全域性的测量。另外由于它是依靠材料的相对形变来测量作用力，若材料未 发生形变，或找不到起始的应变应力值，则无法测量应力，特别是残余应力。另外， 贴应变片程序繁琐，测量周期长，而且成本不低，故在线及工程检测应用受到限制。 ( 3 ) 超声波法 超声波法是通过测量超声波在铁磁材料中力学性能相异方向上的传播速度差异 来测定应力。但由于超声波在材料中传播速度很快，因此，在材料受力后，相异方向 传播速度差异小。且超声波在材料中的传播速度受材料冶炼处理，各向异性影响较大， 因此要达到准确测量服役应力困难较多，目前的研究尚未达到实用阶段。 ( 4 ) 光测法 包括光弹法，激光超声干涉发，散斑干涉法。它是利用偏振光通过具有双折射效 应的透明受力模型获得干涉条纹图，直接观察模型的全部应力分布，特别是可以观察 到应力集中的部位，并可迅速确定应力集中系数。这种方法的缺点是：应力测量周期 长，检测成本高，不是在线应用检测发展的方向。 ( 5 ) 机械测量法 包括切割法，逐次去层法，环孔法，钻孔法等。这些方法都是破坏或半破坏的检 测方法。它们都是利用构件局部破坏，应力重新分布这一古老测量技术，在线检测不 方便，已逐渐被其它方法代替。另外，穆斯堡尔效应及中子衍射法等。各有其优缺点， 但离工程上测量应力还相差的较远。 2 第一章绪论 1 3 金属磁弹与磁记忆检测方法的研究现状 1 3 1 金属磁弹检测方法的研究现状 早在1 9 1 9 年，德国科学家h b a r k h a u s e n 发现铁磁物质被交流磁场磁化时，在磁滞 回线最陡的区域其磁化是阶梯式的不可逆的跳跃过程，这种不连续的磁化来源于材料 内部9 0 0 与1 8 0 0 畴壁错动，磁畴错动向外辐射能量，置于铁磁材料表面的探测线圈中将 接收到一定功率谱分布的微弱噪声电信号。铁磁材料在交变磁场作用下，磁畴壁运动， 有1 8 0 0 与9 0 0 畴壁位移及磁化矢量的转动，其中每种运动形式又有可逆和不可逆之分。 h b a r k h a u s e n 最先发现1 8 0 0 和9 0 0 畴壁的不可逆位移都引起不连续的磁化，群i m a g n e t i c b a r k h a u s e nj u m p ，它在探测线圈中所引起的噪声信号称为巴克豪森噪声( b a r k h a u s e n n o i s e ，简记为b n ) 。它的收集原理为法拉第电磁感应定律，即畴壁运动时，在接受线圈 中产生磁通量的变化，从而在其中产生感应电压信号。一般来说，这种磁巴克豪森噪 声即为我们所研究的磁弹信号。 虽然早在1 9 1 9 年就发现了巴克豪森效应【1 1 ，但是把它作为一种无损检测的手段却 是多年以后的事。最早试图用金属磁弹也就是巴克豪森效应来检测内部应力的人是 l 6 e p l 2 1 。但是直到p a s l e y f 3 1 做了一系列工作之后，这种方法才逐渐受到认可。p a s l e y 表明巴氏躁声的幅度随着所加载荷或残余应力而发生明显的变化。他发现，在钢样中， 磁巴克豪森效应的幅值随着拉应力的增加而增加，随着压应力的增大而减小。随后， 在芬兰，t i i t t o 4 - 6 1 ，s u n d s t r o m 和t o r r o n e n r l ，k e t t u n e 和r u u s k a n e n 8 1 ，o t a l a 和 s a y n a u a k a n g a s 9 1 ，k a r j a l a i n e n 和m o i l a n e n l l o 1 2 】等人进行了大量的研究。t i i t o t 4 j 研究了 在硅钢里，弹性和塑性变形对磁巴克豪森效应的影响，以及钢样的微观组织结构对磁 巴克豪森效应的影响，并表明磁巴克豪森效应能够用来检测钢样中的晶粒度大小。 s u n d s t r o m 和t o r r o n e n 7 】报道说，磁巴克豪森效应能够用来检测微组织结构以及机械的 和电学方面的性质。k a r j a l a i n e n 和m o l i a n e n 1 0 - 1 1 j 研究了塑性变形和疲劳对m b e 的影 响。o t a l a 和s a y n a j a k a n g a s t 9 】设计了一台磁巴克豪森效应仪来检测晶粒度的大小。 k a r j a l a i n e n t l 2 l 等人研究了张力和循环载荷对钢样中磁巴克豪森效应信号的r m s 值 的影响。他们发现未加载荷的样品中的残余应力可以根据m b e 检测出来，但是循环 载荷的情况要复杂得多，未能发现磁巴克豪森效应信号与所加载荷之间的简单关系。 不过，r u u s k a n e n 和k e t t u n e n 1 3 】证明，中度m b e 脉冲幅度可以用来评估所加载荷是 否超过了疲劳极限。l o m a e v 1 4 - 1 s 】总结了关于磁巴克豪森效应在无损检测应用方面的论 文，他指出产生磁巴克豪森效应的五种机制：( 1 ) 不连续，不可逆的磁畴壁移动；( 2 ) 单个磁畴的不连续转动；( 3 ) n 6 e l 峰的出现和消失；( 4 ) 单个磁畴微粒的磁性倒转 ( i n v e r s i o no fm a g n e t i z a t i o n ) ；( 5 ) 磁性互为相反的，夹角为1 8 0 。的磁畴的b l o c k 或 北京化工大学硕上学位论文 n 6 e l 壁的位移。这五中机制中的第一种被研究的最多，并且常常被错误地认为是产 生磁巴克豪森效应信号的唯一机制。有趣的是，在m b e 研究的早期，产生磁巴克豪 森效应信号的机制被认为是第二种：磁畴的不连续转动。 在前苏联的d e f e c t o s k o p i a 杂志上也有一些关于磁巴克豪森效应的论文。k l y u e v 【1 6 j 等人曾报道说，根据他们的研究结果，磁巴克豪森效应信号与磁滞参数之间没有任何 简单明显的关系。这就是说磁巴克豪森效应信号能够提供无损检测信息，同时材料又 与通过大量磁性质如磁滞后所得到的结果无关。这之间似乎存在矛盾。f i l i n o v 1 7 】等人 指出，利用不同的磁化频率，磁巴克豪森效应可以用来检测铁磁材料表面的塑性变形。 一系列不同类型的表面状态，如硬度，表面脱碳等，都可以用这一技术来检测。 m a y o s 洛2 0 1 等人把不同频率的磁巴克豪森效应信号方法与磁滞后方法相结合，用来检 测钢样的表面脱碳。用这一方法，对材料的不同深度进行检测来研究磁性质方面的变 化。s e g a l i n i t 2 1 l 等人利用磁巴克豪森效应来检测结构钢的热处理和微观组织结构情况。 在德国，t h e i n e r 和他的伙伴，利用磁巴克豪森效应技术，以及增长磁导率和磁 滞后方法一起，来进行应力检测1 2 2 - 2 4 1 。因此，为了确定应力的大小，就必须使用两个 或三个相互独立的参数。他们发现b a r k h a u s e n 效应，增长磁导率，x 射线和硬度的 测量在估计残余应力方面很成功。正如预期的那样，他们发现，位错密度会影响磁巴 克豪森效应信号。他们还发现【2 5 i m b e 效应可以用来分辨在光学显微镜下无法区分的 微观组织结构。在美国，西南研究所的m a t z k a n i n ，b e i s s n e r 及其合作者，在磁巴克豪 森效应方面做了大量的研究工作。这些工作的大部分，在由m a t z k a n i n ，b e i s s n e r 和t e l l e r 合著的著作t h eb a r k h a u s e ne f f e c ta n di t s a p p l i c a t i o n st on d e 中进行了系统的总结。其 它的一些总结性的文章最有代表性的是m c c l u r e 和s c h r o e d e r 编写的。从上世纪8 0 年 代开始的，各国科学家相互努力试图将磁弹技术应用于工程领域，并试制成功各种巴 氏噪声检测仪。如8 0 年代初，美国加里福尼亚大学的学者k o n o 和m s h i b a t a 等人 研究了采用磁弹噪讯技术测量铁磁构件的残余应力。提出在测量时，磁弹信号受化学 成分，热处理状态的影响。 1 3 2 金属磁记忆检测方法的研究现状 磁记忆检测方法1 5 6 】是2 0 世纪9 0 年代后期，以杜波夫似d o u b o v ) 为代表的俄罗斯学 者率先提出的一种全新的铁磁金属材料诊断检测技术，其原理可以表述为：处于地磁 场环境下的铁磁构件受工作荷载的作用，其内部会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织 定向的和不可逆的重新取向，并在应力与应变集中区形成最大的漏磁场h p ，即磁场的 切向分量改变符号且具有零值点。这种磁状态的不可逆变化在工作荷载消除后继续保 留一段时间。从而通过漏磁场法向分量的测定，便可以准确地推断构件的应力集中区。 铁磁材料的自磁化现象及剩磁状况同机械应力有直接的联系，这一特性称为磁机 4 第一章绪论 械效应【5 7 1 。磁机械效应使得铁磁性金属构件应力作用区域表面的磁场增强，增强后的 磁场“记忆”了构件应力集中的位置，这就是磁记忆效应。有关试验研究表明，铁磁性 金属构件表面上的磁场分布与其内部应力有一定的关系，因此可通过检测构件表面的 磁场分布情况间接地确定部件应力集中区的具体位置，但这种方法不能得到被测区域 应力的具体大小。 1 4 本章小结 本章节总结了铁磁材料应力检测的重要性以及常见的方法，提出了金属磁弹、记 忆检测方法的研究现状。可以预见，金属磁弹、记忆检测以及两者结合的方法在铁磁 材料的应力检测中有其独特的优势。因此非常有必要在后面的工作中，对铁磁材料的 电磁相关的应力检测进行相关的理论研究，然后根据理论研究的结果，进行硬件与软 件方面的探索，将其应用到实际应力检测中。 第二章理论基础 2 1 磁畴与磁畴壁 第二章理论基础i i i 帚一早 璀了匕荃田 铁磁材料的基本特征是其内部存在自发磁化区域，称为磁畴。在一个磁畴之内， 原子的自旋矢量沿同一方向，而不同的磁畴的自旋矢量方向不一定相同。相邻磁畴间 的边界称为畴壁。根据畴壁两边磁畴内磁化矢量间的夹角，将畴壁分为9 0 0 畴壁和1 8 0 0 畴壁。通常，在磁性体未磁化前或处于磁中性状态时，磁畴磁矩取各种方向，因此对 外作用抵消，不显磁性【2 。图2 1 ( a ) 是这种情况的示意图。而当受到磁化时，外磁 场把这些经自发磁化形成的各种磁畴的磁矩从不同方向转到磁场方向或接近磁场方 向，从而使铁磁材料对外显示磁性。这一过程可以通过两种方式完成1 3 2 刁5 】：( 1 ) 磁畴 磁矩的一致转动，如图2 1 ( a ) 所示( 2 ) 畴壁位移【婚”】，见图2 1 ( c ) 。 ( a ) ( b )( c ) 图2 - 1 外磁场对磁畴作用示意图 f i g 2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fm a g n e t i cd o m a i ni n f l u e n c eb ye x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d 总之，在磁化过程中，外加磁场的作用只是把已经高度磁化的磁畴磁矩从各个不 同的方向转到磁场方向或接近磁场方向，因而在磁场方向有磁矩矢量，这样就对外显 出强磁性。我们看到，铁磁性材料中由于自发磁化而有磁畴的存在，磁畴是铁磁物质 或亚铁磁物质磁化的基础。所以自发磁化是这类材料磁化的内在因素，外加磁场只是 磁化的外在因素【4 蝴l 。在不同的材料中，磁畴的大小和形状都是不同的。磁畴的大小 和形状以及相邻磁畴的关系都与磁畴间的过渡层即磁畴壁有关，磁畴壁是磁畴结构的 重要部分。 磁畴与磁畴之间的边界称为磁畴壁，如图2 2 所示，畴壁中磁化强度的方向逐渐变 化，最终转变至相反方向。畴壁的基本类型包括图2 3 和图2 4 中所示的两种，再加上 处于二者之间的一种，共三种。b l o c h 畴壁多见于块体状磁性体中，磁化强度在厚度 方向上像竹帘打捻一样实现反转，与此相对，薄膜中常见的n e e l 畴壁，磁化强度在薄 膜上发生旋转，最终实现反转。随着薄膜逐渐变厚，出现兼有b l o c h 畴壁与n e e l 畴壁特 性的第三类畴壁，一般称这种畴壁为枕木状畴壁。这三种畴壁中，当厚度比较薄时， n e e l 畴壁比较稳定，随着膜层变厚，枕木状畴壁以中间移动层的形式出现，达到一定 膜厚时b l o c h 畴壁比较稳定。 7 jh 圆 北京化工大学硕士学位论文 2 2 磁化 2 2 1 引言 f n f ；抄一吣；i i i f l ：一、 s l _ 熊塞 - n 图2 - 2 磁畴壁的磁矩模型( 一般清况下畴壁宽度为l o 一8 1 0 - 6 m ) f i g 2 2m a g n e t i cm o m e n tp a t t e r no fm a g n e t i cd o m a i nw a l l ( t h ew i d t h o fd o m a i nw a l lu s u a l l yi s 10 8 - 10 - 6 m ) 图2 - 3b l o c k 畴壁( 在块体状磁性体中可见到) f i g 2 - 3b l o c kd o m a i nw a l l ( u s u a l l yi nn u b b ym a g n e t i cs u b s t a n c e ) 图2 - 4n c e l 畴壁( 在薄膜磁性体中可见到) f i g 2 - 4n e e id o m a i nw a l l ( u s u a l l yi nf i l mm a g n e t i cs u b s t a n c e ) 磁化是外磁场把铁磁物质经自发磁化形成的各磁畴的磁矩从不同方向转到磁场 方向或接近磁场方向，对外显示出磁性的过程，这种过程可以通过两种方式完成：( 1 ) 磁畴磁矩的一致转动；( 2 ) 磁畴壁的位移。 8 第_ 章理论基础 图2 5 磁化曲线 f i g 2 - 5m a g n e t i z a t i o nc u r v e 在磁化过程中，当外磁场强度从零起逐渐增加时，铁磁物质的磁化强度也逐渐上 升，直到饱和，如图2 5 所示。从磁中性状态( m = 0 ) 起到磁饱和状态( m = m 。) ， 整个磁化过程可以分为几个阶段【4 孓4 9 1 。图中标明“l ”的那个阶段称为可逆磁化阶段。 所谓“可逆”，就是说，如果磁场强度退回到零，磁化强度也会退回到零。在金属软磁 材料，例如铁，和磁导率较高的铁氧体中，在这个磁化阶段，主要是畴壁位移起作用， 磁畴磁矩的转动也同时存在。在磁导率不高的铁氧体中，在这个阶段，由于材料的结 构情况阻碍了畴壁位移，主要是磁畴的磁矩转动起着作用。 在图2 5 所示的阶段2 ，磁化强度随着磁场强度增加的很快，这是不可逆磁化阶段 5 0 - 5 5 1 ，主要是不可逆壁移过程。所谓“不可逆”，是指这时如果磁场强度h 退到零，磁 化强度m 不沿原磁化曲线减退，而是沿另一曲线减退，如虚线a b 所示，而且m 不减到 零。在这一阶段，磁化强度i 和磁通量b 急遽地增加，磁化率和磁导率经过其最大值以 或儿，在这区域里出现巴克毫森跳跃( b a r k h a u s e ni u m p s ) ，即猛烈的磁化过程。 当磁化达到图2 5 中的阶段3 ，起主要作用的是磁畴磁矩的转动。 磁化的最后阶段，既图中的阶段4 ，称为磁化渐近饱和阶段。 铁磁物质经磁化达到饱和后，如果把磁场强度减到零，磁化强度就会降低到一个 数值，称为剩余磁化强度，用m r 表示，如图2 6 中所示。这段变化是磁畴磁矩的转动 过程。 ， 了、 、厂1 么。 i 0 一 图2 6 磁滞曲线 f i g 2 - 6h y s t e r e s i sc u r v e 9 北京化工人学硕士学位论文 在这以后，如果把磁场向相反方向逐渐增强，磁化强度会继续降低，直到减到零。 这时的磁场强度称作内秉矫顽力h c 。在这段过程中，磁化强度起初减低较慢，然后逐 渐加快，最后急剧下降。这一段除开始一小段外，大部分是不可逆过程。磁矩转动和 畴壁位移所占的份量在各种材料中是很不相同的。 当磁场继续相反方向加强，磁化强度才由零向这时的磁场方向( 原来磁化相反的 方向) 增加，直到饱和。这一段的开始是上一段的连续，后半段主要是磁矩转动过程。 以上描述的是从一个方向的饱和磁化状态变到相反方向的饱和磁化状态的过程， 称做反磁化过程【4 5 】。图2 6 中，a 点代表一个方向的磁化饱和状态。由a 沿箭头到b ， 即曲线l 所代表的是一个反磁化过程。从b 点沿另一条曲线( 曲线2 ) 回到a 点，这 是对b 点所代表的饱和状态的反磁化过程。这两条曲线合成一个磁滞回线，表示反磁 化过程中的磁滞现象。 2 2 2 可逆磁化过程 磁化分为可逆转动磁化和可逆壁移磁化。 图2 7 表示应力作用下磁矩的可逆转动磁化。 易 图2 7 可逆转动磁化 f i g 2 - 7 r e v e r s i b l em a g n e t i z a t i o n o f d o t a t i o n 所加磁场方向同应力之间的夹角是岛，在磁场作用下，饱和磁矩转动了一个角度 口，磁弹性能为： e = 兰枷i n 2 p( 2 1 ) 五，仃为正，在9 = o 方向的乞= o 最小，应力方向为易磁化方向。铁磁材料内如 果有应力作用，产生应力各向异性，如同磁晶各向异性一样，对磁矩的转动起阻碍作 用，若使材料在应力作用下达到磁矩的可逆转动磁化，总能量应同时考虑： 气 e = 乓+ = 丢丑盯s i n 2o - p o m ，h c o s ( o o 一日) ( 2 2 ) 二 其中如表示静磁能，此时的磁场强度为： h ：3 2 , o s i n 2 0( 2 3 ) 2 4 m , s i n o o 1 0 第二章理论基础 可逆壁移的情况如图2 8 所示，表示有1 8 0 0 畴壁，原在a 处，它左边磁畴的磁矩是 向上的，右边磁畴的磁矩是向下的【3 2 l 。图中表示所加磁场是向上倾斜的，它有向上的 分量。左畴磁矩的方向是同磁场向上分量的方向一致的，右畴磁矩的方向同磁场向上 分量的方向相反，所以右畴磁矩会受磁场的作用以某种方式转到向上的方向，其结果 是原在a 处的畴壁要向右移。当畴壁移到b 处后，在a ，b 两个位置之间的磁矩，原 属于右畴，方向向下的，现在属于左畴了，方向转变为向上了。这部分磁矩方向的改 变，向上的增加，向下的减少，增加了磁场方向的磁化强度。这就是壁移磁化。 2 2 3 不可逆磁化过程 图2 - 8 可逆壁移磁化 f i g 2 8r e v e r s i b l em a g n e t i z a t i o no fw a um o t i o n 在不可逆磁化这个阶段，不可逆的壁移磁化是主要的。同时也存在着不可逆的转 动磁化【4 5 1 。考虑图2 8 所示的情况，两个磁化方向差1 8 0 。的磁畴之间有畴壁口。现在加 磁场如图所示。这磁场的方向同右边磁畴的磁化方向之差大于9 0 0 ，同左边磁畴的磁 化方向只差小于9 0 0 。磁场在磁畴方向上有分量，它与右边磁畴磁化方向相反，所以 能把右边磁畴磁矩局部地逐渐地转到左畴的方向。这样，右畴逐渐缩小，左畴逐渐扩 大，表现在畴壁口向右移动。磁矩从右畴方向转到左畴方向时，静磁能密度的改变是： = 一k t o m , h e o s o 一卜鳓m , hc o s ( 18 0 。一秒) 】= - 2 t o m , h c o s0 ( 2 4 ) 磁畴向右移动一个距离x 时，单位面积的畴壁扫过的体积是l x x = x 。所以与单 位面积的畴壁联系着的静磁能的改变是： 露= 露x = - 2 p o m ，h c o s o x ( 2 - 5 ) 再考虑畴壁能，暂时丫代表单位面积的畴壁能。在这个过程中，同单位面积的畴 壁联系着的总能量是： e = 厂+ e 刍= 7 2 风m s h c o s o x ( 2 6 ) 在磁场作用下发生畴壁位移，要畴壁停止在某处，那里的总能量应是最低的， _ d e ：譬一2 o m f l c o s 口：o d xd x 北京化工大学硕上学位论文 日： !立 2 u o m , c o s 0 d x 得到畴壁位移所需的磁场强度。 ( 2 7 ) 图2 9 不呵逆壁移 f i g 2 - 9u n r e v e r s i b l ew a l lm o t i o n 图2 9 表示单位面积的畴壁能y 随位移x 的变化。无磁场时，畴壁原在x = 0 ，y 最 低处。从x = 0 到五一段曲线斜率d y 出随x 增加。到x = 五处，斜率最大。在这 一段中，当日逐渐增加时，总可以得到某一点x 满足式( 2 7 ) 。在这一段中，如果 把h 减到零，x 会退到零。这表示磁化可以复原( 对照图2 8 和图2 9 ) ，所以当日不 大，壁移还小于五的阶段，属于可逆壁移磁化阶段。五点的d y l d x 是这段曲线中最 大的。当h 增大到使x 达到五后，再增加，附近的d y d x 不在增加。五左右的d y d x 都是降低的。因此，式( 2 7 ) 不再满足，则壁移不能停止，就一直向右移去，直到丘 处。那里的d y d x 较大，能够满足( 2 7 ) 式的要求，则这时壁移才停止。所以从五到 五的畴壁位移是跳跃式的。磁场强度只比平衡在五处的稍大一些，壁移却越过一大 段。这时如果把日减到零，畴壁不能退回到x = 0 ，只能退到五左边最近的一个能量 最低处。所以过了五，已经是不可逆壁移阶段。五是第一次遇到的d y d x 最大处， 是可逆和不可逆壁移的分界点。畴壁移到这个分界点所需的磁场强度，根据式( 2 7 ) ： 1小， 风2 瓦表面( 丢) 默 ( 2 。8 称为临界场。当磁场加到略超过l 临界场，壁移就丛五跳跃到五。如果磁场再略 增加强度，畴壁就又丛置跳跃到五。那里的d 7 d x 值更大。所以当磁场强度超过临 界场矾时，畴壁位移将由一系列突然的，跳跃式的不可逆运动组成。畴壁的一次跳 跃就是磁化强度的一次增加。畴壁的几次跳跃式位移就是磁化强度的几次跳跃式增 加。这个现象可以在实验中观察到，称做巴克毫森跳跃，有时可以看作是不可逆壁移 的标志。 随着磁场的加强，巴克毫森跳跃进行着，最后可能遇到一个( d y 出) 中的最大值 ( d y ld x ) 最大。当磁场强度增大到能够越过这个值，磁畴壁就会无阻碍地大幅度移 动，直到无可再移为止。对应于图2 8 ，就是畴壁一直向右移，直到右畴完全消失为止。 1 2 第章理论基础 整个不可逆壁移磁化阶段所产生的磁化效果可以用图2 1 0 中的磁化曲线代表。这 里纵坐标是磁化强度，横坐标是磁场强度。0 a 段是可逆磁化阶段。a b 段是不可逆磁化 阶段。随着磁场强度的增加，先有几个小的跳跃，接着有一个大跳跃结束壁移过程。 b 点以后壁移已完成，进入转动磁化阶段。 m 2 3 磁弹信号的产生机理 在磁化曲线的最陡的区域( 磁导率最大区域) ，磁化过程是不可逆的过程，即巴 克毫森跳跃过程。 图2 1 l ，a ) 为这一区域的磁化过程的说明。图中圆周内是p 点处放大1 0 9 倍的示意。 可以看出每一有限的磁化变量世包含两部分： 挝包= 醚r + 出b = xr l u r - i - i - b ( 2 - 9 其中墨为可逆磁化率，屿即为巴克毫森跳跃部分，由( 2 - 9 ) 式可得： 如= 鼍- i - ( 2 1 0 ) 为磁化曲线的平均磁化率，为不可逆磁化率。 北京化工大学硕士学位论文 - _ 型 籁 - 髫 o 磁场h 斗 x r 罐化线隧感痨线嘲 鑫) 磁化曲线j 二不研逆位移避攫酃分b ) 巴克磁淼跳跃的蛮骚诞壤 样懿 图2 一i i 磁弹信号的产生 f i g 2 - 11g e n e r a t i o no fm a g n e t o - e l a s t i c i t ys i g n a l 不可逆的巴克毫森跳跃可用图2 1 l ，b ) 的实验来证明。通过磁化线圈逐渐增大磁 场时，样品内的巴克毫森跳跃在感应线圈内产生脉冲电流，可由放大器及扩音器听出。 总之，铁磁材料内部存在许多由磁畴壁分割的磁畴，并且，由于材料内部常常存 在空隙，位错，非金属加渣等，使磁畴结构变得复杂，并且阻碍磁畴壁的运动【2 引。这 种阻碍在磁化的初期表现为可逆的，随着磁场的增加，磁畴壁的进一步运动，就要越 过缺陷所引致的势垒。畴壁运动将由一系列突变的，跳跃式的，不可逆运动组成，即 巴克毫森跳跃，每一巴克毫森跳跃在探测线圈内即感应一个m b n 脉冲，也即产生了磁 弹信号。 2 4 磁弹信号与应力的关系 2 4 1 材料性质 实验证明，磁弹信号对材料的各种性质是十分敏感的。我们知道，磁弹信号主要 是由磁畴壁的突然的，不连续的，跳跃式的运动产生的，因此，一切影响磁畴壁运动 方式的因素，一切与磁畴壁的运动方式有关的因素，都会直接或间接地对磁弹信号产 生影响【1 3 1 。这样的因素很多，但是从根本上来说，对磁弹信号直接产生影响的因素却 是材料的微观组织结构。材料有什么样形式的微观组织结构，就有什么样形式的磁弹 信号。材料的微观组织结构的形式直接决定了磁弹信号的形式。其它因素，比如：应 力，应变，裂纹等等，实际上都是通过对材料的微观组织结构的影响才能对磁弹信号 产生影响。总之，我们说凡是能对材料的微观组织结构产生影响的因素最终都能对磁 弹信号产生影响。 决定和影响材料的微观组织结构的因素很多，比如材料的组成成份，受力，变形， 热处理过程等等。这些因素都会直接或间接的决定或改变材料的微观组织结构，因此 1 4 第二章理论基础 都会对磁弹信号产生影响。这样，材料中磁弹信号对其敏感从而可以利用磁弹信号对 其进行检测的参数很多，比如：含碳量，硬度，应力，塑性变形，疲劳裂纹，腐蚀缺 陷等等。同时也正因为磁弹信号对其敏感的因素很多从而给利用磁弹信号对这些因素 进行检测也带来了一些困难。比如当我们要利用磁弹信号对某种材料的残余应力进行 检测时就会发现，磁弹信号除了对该种材料的残余应力状态敏感外，它还对该种材料 的其它许多微观组织结构方面的性质同样敏感。这就是说对于性质不同的材料来说， 它的应力与磁弹信号的依赖关系是不同的。解决这个问题的办法是：制定标定曲线。 下面讨论应力与磁弹信号的关系【3 3 j 。图2 1 2 为4 5 号钢试样在不同应力作用下磁弹 信号( m b n ) 峰值随应力的变化关系曲线。磁化源频率为5 0 h z ，磁化强度为调制电 压6 v 。拉应力使m b n 增大，压应力使m b n 减小。曲线不连续( 未打磨状态，m b n 与 材料，晶粒度，表面状态有关) ，也小对称。压应力使m b n 的变化小于拉应力使m b n 的变化。 为消除磁致伸缩引起的磁弹性能e 的影响，实验中磁化源的n ，s 极应与应力保 持一个方向，即应力主轴为磁化轴。 妻 4 , 8 3 羔 2 3 4 一一， 。2 0 7 0 6 4 11l1ill l 一 2 0 0- 1 5 01 0 0- 5 0+ 弼十1 0 0+ 1 5 0+ 2 0 0 图2 1 2m b n 随应力变化的关系 f i g 2 1 2d e p e n d e n c eo f m b no ns t r e s s 2 4 2 磁化方向 铁磁学研