金属磁记忆检测技术研究进展及若干讨论.pdf

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1、第27卷第2期实验力学Vo1．27No．22012年4月JOURNAL0FEXPERIMENTAIMECHANICSApr．2012文意编号：1001—4888(2012)02O129—11金属磁记忆检测技术研究进展及若干讨论王正道，姚凯，沈恺，黄亭(北京交通大学土建学院力学系，北京100044)摘要：金属磁记忆是近年来发展起来的一种新的磁无损检测方法，可以实现对工业中大量使用的铁磁材料和铁磁结构早期损伤实现有效诊断。但由于其发展历史较短、理论模型缺乏、实验干扰因素较多，目前还限于机理性探讨和仅能提供定性化测试结果。结合本课题组研究成果及其他

2、学者的相关报道，本文对近年来本领域研究成果进行综述性评价。内容涉及基本判据建立、漏磁表征参数确定、实验测试数据的有效性及影响因素、理论物理模型建立等方面。最后，对该方法今后研究趋势作了展望。关键词：金属磁记忆；无损检测与评价；磁力耦合；损伤中图分类号：TP274．5；O441文献标识码：A0引言弹性残余应力、塑性早期损伤或局部宏观缺陷存在均会降低工程材料和结构的承载能力，甚至导致灾难性突发事故发生，因此对其实现有效监测(包括部分有损、完全无损，在线或离线监测)是确保工业运行安全的关键。现代工业承载构件(如油汽管道、压力容器、列车轨道、起重设备

3、等)主要为铁磁性材料(含铁、钴、镍)，具有较强的磁、应力耦合效应：外加磁场会造成材料发生磁致伸缩，通常称之为磁弹效应；反之，应力的存在也会导致材料磁特性参数发生变化，即压磁效应。利用铁磁材料的磁一力耦合效应，相应发展了各类磁无损检测技术，其中主要包括磁粉检测技术口]、漏磁检测技术、Barkhausen噪声法1、磁声发生技术E、应力致磁各向异性法¨5j，以及最近发展起来的金属磁记忆检测技术J。相对于其他无损检测技术(如X射线技术、数字云纹和散斑技术等)，磁无损检测技术更适用于工程现场，目前在工业承载结构安全监测领域得到较为广泛的应用。图1为基于

4、漏磁原理用于油汽管道缺陷在线检测的“管道猪”(pipeline—pig)示意图。油汽管道上下游内压差推动“管道猪”在管道内前进，同时对管壁实现局部磁化，当管壁没有损伤时，外加磁场在管壁圆周上产生一闭合磁回路(左图所示)；当管壁出现损伤时，在局部损伤处磁回路发生畸变，部分磁力线穿过管壁之外而产生漏磁(右图所示)。因此，通过记录整个管线不同截面处漏磁信号即可获得管道运行状况信息。传统漏磁检测虽然在工程中已得到广泛应用，但它是一种强磁检测技术，即需通过一外加磁场对被测构件进行饱和性磁化，这类强磁检测技术对发现结构宏观几何型缺陷较为有效(饱和磁力线在

5、几何缺陷处无法有效通过，发生磁泄漏)，但不适用于对材料早期物理性损伤(如位错、孪晶带形成)的检测。如图2所示，铁磁材料微观上是由许多磁畴构成，每个磁畴存在自发磁化，但由于初始磁畴结构的随机分布(如图2(a)所示)，材料整体对外不表现出磁性；当由于应力集中造成局部物理性损伤时，在地球磁场这类弱场作用下，材料磁畴会在损伤部位发生反映局部损伤程度的部分定向分布(图2(b)所示)。但*收稿日期：2011-11-14：修订日期：2011—12—09基金项目：国家自然科学基金项El(11072027)，科技部支撑计划项目(2009BAK58B02—01—

6、02)通讯作者：王正道(1970一)，男，教授。主要从事电磁无损检测、先进功能材料性能研究。E—mail：zhdwang@bjtu．edu．cn13O实验力学(2012年)第27卷是，传统漏磁检测由于实验前对被测试件施加一强磁场，在强磁场作用下试件内部所有磁力线都将沿外加磁场方向重新取向，原先反映材料局部损伤的磁畴分布特征消失，损伤信息丢失。因此，传统漏磁检测技术并不适合检测材料早期微损伤。pipewallsensorsflux图1“管道猪”装置及检测原理示意图：完整截面无磁泄漏(左图)和含缺陷截面发生磁泄漏(右图)Fig．1Devicean

7、dprincipleofthe“pipelinepig”：nomagneticfluxleakageforperfectpipewall(1eft)andmagneticfluxleakageindefectposition(right)(a)随机分们(b)部分定向分布图2磁畴分布示意图(a)随机分布；(b)部分定向分布Fig．2Schematicofdomainstructures：(a)randomdistribution；(b)partlyregulardistribution与传统漏磁方法不同，金属磁记忆是一种被动式弱磁检测技术，通过

8、被测对象由于局部损伤形成的表面自发漏磁场确定损伤位置及损伤程度，理论上说该方法可以对铁磁材料及结构实现早期诊断。但是，作为一种弱磁检测方法，金属磁记忆检测信号微弱，