金属磁记忆无损检测技术

金属磁记忆无损检测技术

1999年10月，俄罗斯a.a.doubov教授来到中国第七个康复检查年会，介绍了一种新的破坏检测和诊断方法——金属磁强计算机，引起了所有人的极大兴趣和广泛关注。不久我国即开发出相关仪器,进行实验研究,取得了可喜的初步成果。例如爱德森电子有限公司根据磁记忆原理生产的无损检测设备——EMS-2000系列智能磁记忆检测仪和我国专家仲维畅在对铁磁体研究后进一步详述了形成金属磁记忆的条件和原理。本文在查阅了相关的文献资料基础上,综述了金属磁记忆的产生原理、发展现状以及今后的发展趋势。1关于地磁场的分布地球磁场的存在是金属磁记忆现象的根源,因此,只有掌握了地球磁场产生的原因和规律,才能对磁记忆现象的微观机理进行分析,从而更有效地利用金属磁记忆来对金属缺陷进行检测。地球表面及其周围空间存在着磁场,地球本身是一个大磁体。地磁的存在及其变化,对于地球上生命的存在,气候的变化以及通讯系统的影响等是很重要的。从地磁场磁力线的分布可知,地球表面上各处的磁感应强度是不同的,地壳、上地幔、转换带、下地幔和D′层的地磁场总能量在减小,但是下地幔D″层的地磁场总能量却在快速增加;地球内部磁能密度随时间增加和减小的分界面在r=3840km处。这表明,地核和地表以外地磁场总能量在趋势性减小的同时,也在进行着重新分配。地球不是一个真正的均匀磁化球体,地面附近磁感应强度的分布对于地磁轴也不是严格对称的。此外,磁感应强度的大小还随着高度的增加而减小,与距离地面的三次方成反比。但由于地球体积较大,故在地面上一个不太大的范围内地磁场的磁感应强度可以近似看作是不变的。在离地面不太远的范围内,如几千千米以内,地磁场的分布显得比较对称。同时,地磁场的强度除了随地面高度和经纬度变化外,还随时间不停地变化。从上面可以看出,对于地球这一个庞大的磁体来说,其磁场覆盖面积如此的庞大,以致于地球磁场的强度很微弱,一般在北纬50°～60°的地域约为40A/m(其磁感应强度约为50μT)。在对铁磁物质的磁性研究中,这么微弱的地球磁场通常是不考虑的。例如,在研究铁磁体的技术磁化过程时,地球磁场的作用处于可逆磁化区,仅仅影响铁磁体内磁畴壁的扩展与收缩;在讨论磁粉检测原理时,为了在铁磁工件表面形成足够强的漏磁场,铁磁工件必须在高达2400A/m以上的外磁场中磁化,微弱的地球磁场难以有所作为。但是,在磁记忆检测中,地球磁场虽然微弱,却起到了激励源的作用,正是由于外应力和地球磁场的共同作用,才在铁磁件形成应力集中区引发了磁畴组织沿着地球磁场的定向和不可逆的重新取向排列,并在载荷消除后保留这种磁状态的不可逆变化。2磁体现象与磁体记忆的影响2.1整体作用和系统工作原理由于地球是一个巨大的磁体,所以它发出的磁场对于地球内部和表面的铁磁体都有一定的磁化作用。由文献知,铁磁性物体在地球磁场中的旋转磁化是由于地磁感应效应在物体内每一点引起的涡(傅科电)流产生了一个磁化场,所以物体在地磁场中因运动而磁化的先决条件是运动物体中能产生感应电动势和物体能够导电。由法拉第电磁感应定律知,任何原因使通过任意回路所包围面积的磁通量发生变化时,回路中产生的感应电动势与磁通对时间的变化率之负值成正比,即Ei=−dΦdtΦ=BSEi=-dΦdtΦ=BS式中,Ei为感应电动势,V;Φ为磁通量,Wb;t为时间,s;B为磁感应强度,T;S为回路包围的面积,m2。由此可见,物体在均匀磁场中作匀速直线运动时,通过物体中任意回路的磁通量不变,而地球上某较小范围内的地磁场强度一般可认为是均匀的,所以,物体在地球上的匀速直线运动不会引起自发磁化。如果物体在非均匀磁场中作匀速直线运动,或是在均匀磁场中作加速运动,则通过物体中任意回路的磁通量一般都不能保持恒定,故能激励出感应电动势。例如,在石油钻井过程中,钻具因同时受到旋转运动和直线运动,所以钻具的自磁化作用比较明显。对新疆某油田使用过的钻具进行调查,证实了所有使用后的钻杆和钻铤都带有较强的磁场,受到了地磁场的自磁化作用。2.2残余磁感应强度现代材料学和铁磁科学研究表明,铁磁性材料存在的磁机械效应,是指磁化强度的变化与应力或应变的变化密切相关的现象,包括2方面:一方面为磁致伸缩效应,即磁化状态变化产生物质大小和形状的变化;另一方面为磁弹性效应,也称逆磁致伸缩效应,指在应力作用下磁畴壁将产生位移。同时自发磁化方向发生改变,引发磁化强度的变化。铁磁性工件在周期性负载和外磁场共同作用下,由于弹性应力的作用,不但产生弹性应变,还产生磁致伸缩性质的应变,在磁弹性效应作用下,引起磁畴壁位移,并改变自发磁化方向。由于巴克豪森效应,磁畴壁的这种迁移是不可逆的,故出现了残余磁感应强度。在周期性负载作用下,残余磁感应强度和自磁化不断增强。金属构件的应力集中区域是其缺陷形成和发展的根源。金属构件是由金属材料加工而成,其内部应力集中区域的产生取决于它的制作工艺。铁制工件在经熔炼、锻造、热处理等加工工艺时,温度超过居里点(768℃),其内部磁畴组织被互解,磁性消失。当金属冷却到居里点以下的过程中,一方面铁磁晶体在重新结晶的同时形成磁构造;另一方面,由于材料内部各种不均匀性(如形状、结构及含有夹杂或缺陷等)而形成组织结构不均匀的遗传性。这些组织结构的不均匀部位往往是缺陷或内应力集中部位,一般以错位的形式存在。在地球磁场中由于磁机械效应作用引起磁畴壁位移,并改变自发磁化方向,出现磁畴的固定节点,产生磁极,形成退磁场,以微弱散射磁场的形式在工件表面出现,表现为金属的磁记忆性。综上所述,在地球磁场的作用下,铁磁体的自磁化现象和磁记忆效应都能使铁磁体产生磁场,在利用磁记忆效应对物体进行无损检测时,如何消除自磁化磁场的影响是一个尚未解决的问题。3无损检测方法将逐渐增多无损检测技术的基础是物质的各种物理性质或它们的组合以及与物质相互作用的物理现象。迄今为止,包括在工业领域已获得实际应用的和已在实验室阶段获得成功的无损检测方法已达50～60种甚至更多,随着工业生产与科学技术的发展,还将会出现更多的无损检测方法与种类。对于金属残余应力无损检测主要包括衍射法、超声波法、磁性法、电子散斑干涉法、金属磁记忆法。3.1子代体法测量残余应力衍射法包括射线衍射法和中子衍射法。X射线衍射法是将X射线对晶体晶格的衍射发生干涉现象,可求出晶格的面间距,并确定残余应力。由于X射线的穿透深度极浅,它只能在表层深度30μm左右的范围测量。它的优点是可以测量出应力的绝对值。但该方法对试件表面要求十分严格,且设备昂贵,操作复杂。中子衍射法是一种测量构件内部残余应力的常用方法。通过研究衍射束的峰值位置和强度,可获得应力或应变的数据。但中子的穿透深度比X射线大得多,可以用来测量焊接构件沿层深的残余应力。由于材料中参与反射的区域较大故中子衍射法可测定很大区域内基体中平均残余应力。缺点是对微小裂纹的检测灵敏度低,生产费用大,健康容易受到严重损害。3.2反射波束生成脉冲波形超声波法是利用超声波能透入材料内,并在一截面进入另一截面时,可在界面边缘发生反射的特性来检查缺陷的一种方法。当超声波束通过探头自工件一面进入内部,遇到缺陷和工件另一面时,分别发出反射波束,在荧光屏上形成脉冲波形。根据这些脉冲波形的不同特征可以判断缺陷的位置和大小。从理论上讲,只要发射超声波功率足够大,可穿透任意厚度的工件,它适合测量大型构件的三维残余应力,但测量精度低,只能测试高值残余应力,并且在检测之前必须将被测工件表面磨光,超声波法对被检测试件的表面状况和形状要求苛刻。3.3应力测试结果磁性法利用磁致伸缩效应来测定应力,当应力变化时,由于物体的伸缩引起磁路中磁通的变化,并使感应器线圈的感应电流发生变化,由此变化可以测出应力的变化。它的最大特点是测量速度快,非接触测量,适合现场,但测试结果受很多因素影响,可靠性和精度差,量值标定困难,对材质较敏感,且仅能用于铁磁材料。磁性法都是需要外部激励磁场来工作,因此带来了磁化不均匀、设备笨重、消耗能源、剩磁和磁污染等问题。3.4干涉条纹形状电子散斑干涉法是一种激光干涉技术。当构件有应力作用时,材料表面产生形变,干涉条纹图形即发生变化,通过干涉条纹的变化可知构件的应力变化情况。它只能测量构件表面的应力情况。测量时对抗震性要求很高,且在暗室条件下工作,工作环境受到很大的限制。3.5磁记忆无损检测这是一种新型的无损检测方法。处于地磁环境下的铁制工件受工作载荷的作用,其内部会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向和不可逆的取向,并在地磁环境中表现为应力集中区局部磁异常,形成所谓“漏磁场”,并在工作载荷消失后仍能保留,这是磁记忆检测的物理基础。磁记忆无损检测方法就是在这种情况下检测出应力与变形集中区形成最大的漏磁场Hp的变化。即磁场的切向分量Hp(x)具有最大值,而法向分量H(y)改变方向并有零值点。这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后继续保留,从而通过漏磁场法向分量Hp(y)的测定,便可推断工件的应力集中区。应力集中区域的Hp值的变化曲线如图1。4磁记忆技术的应用金属磁记忆检测方法在俄罗斯已经应用于300多家企业,涉及石油、化工、天然气、动力及其他工业领域。如俄罗斯KonakovoGRES发电站在1993—2001年间采用金属磁记忆技术检查了8个涡流发电机的转轴以及蒸汽管道的600个弯管、400个焊接接头以及所有锅炉设备的单独部件。有效地降低了电力部件的损伤失效,保证了电力设备安全稳定工作。此外,该方法还在波兰、奥地利、保加利亚、乌克兰、南斯拉夫、中国、韩国、印度等国家得到应用。磁记忆技术引入我国后,引起电力及锅炉压力容器行业的极大关注,得到了推广应用。如福建厦门篙屿电厂用磁记忆技术检测了1号炉屏式再热器4个对接焊口;广东沙角L电厂采用该技术检测3台机组锅炉末级锅热器、再热器的焊缝;广东云浮发电厂采用磁记忆方法检测受热面管件异种钢焊接接头,并采用金相及硬度试验配合检查,表明磁记忆信号异常处能够反映焊接接头的应力和组织异常的状态;在燕山石化CJA-78412LT锅炉改造检验项目中,用磁记忆检测方法检测了新焊接的34根水冷壁管焊缝,检测结果与其他无损检测结果进行了对比,具有很好的重复性。此外,磁记忆检测技术在我国航天、造船、石油、化工行业也获得了大量应用。5表面活性剂的检测a)应力集中区是未知的,可以在检测中准确测出。b)与磁粉探伤相比,不需要专门的磁化设备对工件表面进行磁化,检测后也不用进行退磁,而是利用工件的自磁化来检测。c)与涡流检测相比,不需要对被测金属表面作专门的清理,对表面有保护层的允许最大提离150mm,提离效应小,而涡流检测对金属表面要求比较严格,提离效应大。d)与超声波检测相比,传感器与被测表面之间不需要填充粘合剂,因此不存在粘合剂污染的问题。e)与传统的射线、超声、压力应变片检测相比,能够灵敏地检测出金属濒临损伤的状态,在应力-应变状态评价与设备强度及可靠性分析、寿命预测方面有独到的能力。6磁记忆技术的改进金属磁记忆检测方法作为一种崭新的无损检测技术,具有其独特的优点和广泛的应用前景,但就我国目前的研究技术还需要进行更多的基础性研究,才能使其发挥出更大的优势,更好地满足我国工业装备的需要。1)需要加强磁记忆现象的微观机理研究工作,深入分析工作应力与地磁场对铁