华科大无损检测新技术课件05-1磁记忆检测技术

磁记忆检测技术金属磁记忆效应的概况金属磁记忆检测方法与传统无损检测方法的比较金属磁记忆检测方法的原理典型金属磁记忆检测设备的构成金属磁记忆诊断技术的发展及前景金属磁记忆效应-定义地球是一个庞大的磁体，其磁场强度很微弱，在北纬50°~60°地域的磁场强度约为40A·m左右,而铁磁体在载荷和微弱地球磁场的作用下，产生磁记忆现象的内部原因取决于铁磁晶体微观结构特点,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，构件内部的磁畴组织被互解，磁性消失,随后在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，一般以位错的形式存在，并在地球磁场中由于磁机械效应作用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。金属磁记忆效应-方法的提出现代工业正朝着“三高”（高温、高速、高载）方向发展。设备、构件在“三高”运行状态下往往未到下一个常规检测周期就已发生损坏导致事故的发生，造成严重的后果。传统无损检测方法（如超声、磁粉、渗透、涡流、射线等）已广泛应用于工业非破坏性检测，但由于原理和工艺的局限性，传统NDT法仅能检出已发展成形的缺陷，而不能解决因疲劳产生应力集中进而发生意外疲劳损伤的问题。为了可靠、灵敏地测出金属的早期损伤，尤其是金属的隐性不连续变化，以满足现代工业无损检测的需要，必须探索新理论，开发新仪器。1997年在美国旧金山举行的第50届国际焊接学术会议上，俄罗斯科学家杜博夫教授等提出金属应力集中区——金属微观变化——磁记忆效应相关学说，并形成一套全新的金属诊断技术——金属磁记忆（MMM）(metalmagneticmemory)技术，该理论立即得到国际社会的承认。这一被誉为21世纪NDT新技术的检测法，是集常规无损检测、断裂力学、金相学诸多潜在功能于一身的崭新诊断技术，已迅速地在东欧及我国等国家和地区的许多企业中得到推广和应用。与漏磁检测方法的比较利用铁磁部件在外部强磁场作用下缺陷产生漏磁的现象来检测部件缺陷的漏磁检测法,现在已经比较成熟。漏磁检测法主要由两大部分组成，励磁装置和磁检测装置。励磁装置将铁磁部件磁化至接近饱和，直接关系着能否检出缺陷信号以及探伤传感器的体积和重量。因而这种方法必须采用笨重的磁化设备,耗能大,检测过后往往还需要对部件进行退磁处理。对一些在役设备或者结构复杂的部件,漏磁法往往难以实施。从上面的描述可以看出,MMM技术可看成是漏磁检测的一种特殊形式。其特殊之处在于利用地磁场的作用和铁磁材料的自磁化,而不是利用人为外加的磁场磁化。由于无需向被检对象施加人为的磁化场,所以它具有一般磁法检测(磁粉检测、漏磁场检测等)无法比拟的优点,并特别适于现场检测。与其他应力测量方法的比较常用应力测量方法破坏性检测：小孔松弛法或进行压痕试验。材料残余应力无损测量方法Ｘ射线衍射法、超声测速法、激光干涉(包括电子剪切散斑干涉技术)、红外热图法。但是这些方法更适合实验室测量,而MMM则特别适于现场快速检测。内应力的磁学方法：Barkhausen噪声(BN)法、磁力声发射法(亦称为声Barkhausen效应)、磁各向异性法和磁场旋转法等,它们都基于磁弹性效应。与其他应力测量方法的比较MMM技术优点不需要对被检测对象专门磁化和退磁,而是利用构件在地磁场中的自磁化。不需要对构件表面进行专门清理。探头的提离效应影响不大。不需要耦合,特别适合现场使用。快速、可靠。检测灵敏度高。金属磁记忆检测原理-自磁化原理对于铁磁材料的晶体，在外磁场作用下，由于磁晶体受外应力或者本来存在的内应力，处于稳定状态的磁晶体内总自由能金属磁记忆检测原理-自磁化原理当弹性应力作用于铁磁体时，铁磁体不但产生弹性应变，也会产生磁致伸缩性质的应变。其内部磁畴排列、自发磁化的方向发生变化，引起磁化强度M本身也发生变化。若对铁磁构件施加载荷，动态应力的存在会使物体产生应变，构件内部的位错沿着由位错线与柏格斯矢量所确定的滑移面产生滑移运动。位错滑移运动的结果引起晶体内位错密度的增加，形成应力集中区。应力集中区的应力能大小与动态应力的大小、作用时间及频率均有对应关系。并且，由于磁致伸缩应变，磁晶体增添应力能，引起磁畴壁的位移，改变其自发磁化方向。根据铁磁学的研究，以各向同性磁致伸缩材料为例，其应力能

金属磁记忆检测原理-自磁化原理根据“实际存在的状态必定是能量最小的状态”原则，可知，减小应力能的途径是改变磁化强度的方向。当存在外应力时，对于各向同性磁致伸缩的材料，当λs>0时、若θ＝0或π，都将使应力能最小。这表示对于磁致伸缩为正的材料，施加拉力将使材料的磁化强度趋向于拉力方向；而当λs<0时、若θ＝或，使应力能最小，即对于负磁致伸缩的材料，施加拉力将使材料的磁化强度垂直于拉力的方向。由此可见，当铁磁体受外应力作用时，体内磁化强度会在应力作用下被迫改变方向以减小应力能，使其趋于最小。但应力的存在，或者铁磁体内残余应力引起应力能的增加，由于磁机械效应的作用引起构件内部的磁畴在地球磁场中作畴壁的位移甚至不可逆的重新取向排列，主要以增加磁弹性能的形式来抵消应力能的增加，从而铁磁构件内部产生大大高于地球磁场强度的磁场强度。金属磁记忆检测原理-自磁化原理图所示为磁弹性效应示意图，表明当铁制工件的某一部位在周期性或振动性负载和外部磁场（如地球磁场）共同作用下，由于磁机械效应的作用,出现残余磁感应强度和自磁化的增长。金属磁记忆检测原理-自磁化原理根据金属力学性能的研究表明，由于金属内部存在多种内耗效应（如粘弹性内耗、位错内耗等），势必造成在动态载荷消除之后，加载时在金属内部形成的应力集中区会得以保留，保留下来的应力集中区同样具有较高的应力能。因此，为抵消应力能引发的磁畴组织重新取向排列也会保留下来，并在应力集中区。形成类似缺陷的漏磁场分布形式。即磁场的切向分量Hp(x)为最大值，而法向分量Hp(y)的符号发生改变，且具有过零值点，如图试验所示。磁记忆检测技术在地磁环境下通过对铁磁材料所制成的工件表面散射磁场法向分量的测量，确定工件应力集中区域，从而有效预测缺陷发生的区域。

金属磁记忆检测原理-应力作用的磁化研究金属磁记忆检测原理-应力作用的磁化研究金属磁记忆检测原理-应力作用磁化研究化。同理,如果交变应力和定向应力叠加作用在材料上,而产生的正、负应变都在拉伸或压缩的弹性范围之内,则也不会出现自发磁化。只有在纯交变应力作用到拉伸图和压缩图不同的材料上时以及交变应力与定向应力共同作用于材料而引起了非对称(即不相等的)弹-塑性应变时,材料才会产生自发磁化。由此可见，铁磁性材料在地球磁场中的自发磁化归根结底来源于材料应变引起的电磁感应现象。而交变应力作用下铁磁性材料的自发磁化来源于材料非对称的弹-塑性应变,并且拉伸和压缩感应出不相等的磁感应强度。金属磁记忆诊断技术的适用范围和使用效果由材料的拉伸-压缩特性、承受应力的种类和大小以及由此产生的应变状况来决定。

金属磁记忆检测原理-磁机械效应磁化强度的变化与应力或应变等力学量的变化密切相关的现象称为磁机械效应。在地磁场中,铁磁物质受外力作用时，磁机械效应引起构件内部磁畴壁的位移甚至磁畴重新取向排列,以增加磁弹性能来抵消应力能的增加,从而在铁磁构件内部产生大大高于地球磁场强度的磁场强度。同时运行中外部作用力的大小和方向引起金属磁化量值和方向上的变化。金属磁记忆检测原理-磁记忆效应磁机械效应使铁磁性金属工件的表面磁场增强,这一增强了的磁场对应着部件的缺陷或应力集中的位置,这就是MMM效应。磁记忆产生的内部原因取决于铁磁晶体微观结构特点。铁磁性构件在切削加工过程中冷作硬化较激烈的地方会发生形变,产生位错滑动,造成组织结构不均匀，形成内应力集中。磁记忆产生的外部原因则是地磁场和外部载荷的共同作用。当弹性应力作用于铁磁体时,铁磁体产生弹性应变。弹性应变使构件内部的位错沿着位错线所确定的滑移面产生滑移运动。位错滑移运动的结果引起晶体内位错密度的增加,形成应力集中区。应力集中区的应力能大小与动态应力的大小、作用时间及频率均有对应关系。金属磁记忆检测原理-磁记忆效应根据金属力学性能的研究表明,金属加载时内部形成的应力集中区会得以保留,保留下来的应力集中区具有较高的应力能。因此,为