金属磁记忆检测技术研究新进展与关键问题

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 金属磁记忆检测技术研究新进展与关键问题 苏三庆刘馨为王威左付亮邓瑞泽秦彦龙 Progress and key problems in the research on metal magnetic memory testing technology SU San-qing.LIU Xin-wei,WANG Wei,ZUO Fu-liang.DENG Rui-ze,QIN Yan-long 引用本文： 苏三庆，刘馨为，王威，左付亮，邓瑞泽，秦彦龙.金属磁记忆检测技术研究新进展与关键问题工程科学学报，2020， 42(12:1557-1572.doi:10.13374j.issn2095-9389.2020.05.10.002 SU San-qing,LIU Xin-wei,WANG Wei,ZUO Fu-liang,DENG Rui-ze,QIN Yan-long.Progress and key problems in the research on metal magnetic memory testing technology[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42(12):1557-1572.doi: 10.13374/i.issn2095-9389.2020.05.10.002 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2020.05.10.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 拉压不同应力对磁记忆信号的影响及机理 Effect of tensile and compressive stresses on magnetic memory signal and its mechanism 工程科学学报.2018,40(5：565htps:/ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2018.05.006 基于改进的支持向量回归机算法的磁记忆定量化缺陷反演 Metal magnetic memory quantitative inversion of defects based onoptimized support vector machine regression 工程科学学报.2018.40(9y:1123 https:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.09.014 基于粒子群最大似然估计的焊缝早期隐性损伤磁记忆精确定位模型 MMM accurate location model of early hidden damage in welded joints based on PSO and MLE 工程科学学报.2017,3910：1559htps:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.10.015 应用选择性磁罩盖法磁选分离镍黄铁矿与蛇纹石 Separation of pentlandite from serpentine using the selective magnetic coating-magnetic separation technology 工程科学学报.2018,40(3：313htps:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.03.007 考虑磁滞的铁稼磁致伸缩位移传感器输出电压模型及结构设计 Output voltage model of Fe-Ga magnetostrictive displacement sensor considering hysteresis and structural design 工程科学学报.2017,39(8：1232 https:/1oi.org10.13374.issn2095-9389.2017.08.013 应用激光多普勒测振仪的岩块体累计损伤评价试验研究 Experimental study on cumulative damage assessment of rock-block using a laser Doppler vibrometer 工程科学学报.2017,391)：141 https:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.01.018

金属磁记忆检测技术研究新进展与关键问题 苏三庆 刘馨为 王威 左付亮 邓瑞泽 秦彦龙 Progress and key problems in the research on metal magnetic memory testing technology SU San-qing, LIU Xin-wei, WANG Wei, ZUO Fu-liang, DENG Rui-ze, QIN Yan-long 引用本文: 苏三庆, 刘馨为, 王威, 左付亮, 邓瑞泽, 秦彦龙. 金属磁记忆检测技术研究新进展与关键问题[J]. 工程科学学报, 2020, 42(12): 1557-1572. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.10.002 SU San-qing, LIU Xin-wei, WANG Wei, ZUO Fu-liang, DENG Rui-ze, QIN Yan-long. Progress and key problems in the research on metal magnetic memory testing technology[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(12): 1557-1572. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.10.002 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.10.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 拉压不同应力对磁记忆信号的影响及机理 Effect of tensile and compressive stresses on magnetic memory signal and its mechanism 工程科学学报. 2018, 40(5): 565 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.006 基于改进的支持向量回归机算法的磁记忆定量化缺陷反演 Metal magnetic memory quantitative inversion of defects based onoptimized support vector machine regression 工程科学学报. 2018, 40(9): 1123 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.014 基于粒子群最大似然估计的焊缝早期隐性损伤磁记忆精确定位模型 MMM accurate location model of early hidden damage in welded joints based on PSO and MLE 工程科学学报. 2017, 39(10): 1559 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.10.015 应用选择性磁罩盖法磁选分离镍黄铁矿与蛇纹石 Separation of pentlandite from serpentine using the selective magnetic coating-magnetic separation technology 工程科学学报. 2018, 40(3): 313 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.007 考虑磁滞的铁稼磁致伸缩位移传感器输出电压模型及结构设计 Output voltage model of Fe-Ga magnetostrictive displacement sensor considering hysteresis and structural design 工程科学学报. 2017, 39(8): 1232 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.08.013 应用激光多普勒测振仪的岩块体累计损伤评价试验研究 Experimental study on cumulative damage assessment of rock-block using a laser Doppler vibrometer 工程科学学报. 2017, 39(1): 141 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.018

工程科学学报.第42卷，第12期：1557-1572.2020年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.12:1557-1572,December 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.10.002;http://cje.ustb.edu.cn 金属磁记忆检测技术研究新进展与关键问题 苏三庆四，刘馨为，王威，左付亮，邓瑞泽，秦彦龙 西安建筑科技大学土木工程学院，西安710055 ☒通信作者，E-mail:sussqx/@xauat.edu.cn 摘要金属磁记忆检测技术是一种适用于铁磁材料的新兴的无损检测技术，主要优势在于无需外加激励磁场源，即在天然 地磁场的激励作用下，通过测量材料表面的漏磁信号，就能够对铁磁构件的早期损伤进行检测，避免结构或构件发生突然的 脆性破坏.针对近10余年金属磁记忆检测技术的研究现状，概述了该技术的理论基础，总结了该技术理论研究、试验研究以 及工程应用新进展，探讨了磁记忆检测技术的损伤评判准则，分析了影响磁记忆检测信号的因素，基于此，提出了磁记忆检测 技术目前存在的问题和未来的研究发展方向. 关键词金属磁记忆检测：铁磁材料：力磁耦合：损伤评判：影响因索：应力集中 分类号TU391 Progress and key problems in the research on metal magnetic memory testing technology SU San-qing,LIU Xin-wei,WANG Wei,ZUO Fu-liang,DENG Rui-ze,QIN Yan-long School of Civil Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710055,China Corresponding author,E-mail:sussqx(@xauatedu.cn ABSTRACT The nondestructive technique for testing ferromagnetic materials known as the metal magnetic memory method is formally proposed in 1997 by the Russian scholar Dubov at the 50th International Conference on Welding.The main advantage of this metal magnetic memory technology is that no external excitation magnetic field source is required.That is,by the excitation of the natural geomagnetic field,when a ferromagnetic member is subjected to external stress,a free magnetic leakage field is generated around the stress concentration or defect position of the ferromagnetic member due to the magnetic-force coupling effect.By measuring and analyzing the magnetic leakage signal on the surface of the material,the stress concentration,early damage,and degree of damage in the ferromagnetic member can be readily detected and evaluated to effectively prevent sudden brittle failure of the structure or member.This technique is the only effective nondestructive testing method for diagnosing early damage in ferromagnetic components.Because this metal magnetic memory testing technology can be used to assess the stress concentration,early damage position,and the degree of damage of ferromagnetic materials,it has great potential for use in predicting structural or component life and warning of damage.Its advantages include no manual magnetization or attached sensor,no surface treatment of components,and simple,convenient,and quick operation.As such,it has attracted wide interest from scholars around the world since its formal introduction.In this paper,based on the research on metal magnetic memory testing technology over the past 10 years,a theoretical model of the technology was established and the progress made in the theoretical research,experimental research,and engineering applications of this technology were summarized. The damage assessment criteria for magnetic memory testing technology were discussed and the factors that affect the magnetic memory detection signal were analyzed.Based on this review,the current problems were identified and future research directions of magnetic 收稿日期：2020-05-08 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51878548.51578449)：陕西省自然科学基础研究计划重点资助项目(2018JZ5013)

金属磁记忆检测技术研究新进展与关键问题 苏三庆苣，刘馨为，王    威，左付亮，邓瑞泽，秦彦龙 西安建筑科技大学土木工程学院，西安 710055 苣通信作者，E-mail：sussqx@xauat.edu.cn 摘    要    金属磁记忆检测技术是一种适用于铁磁材料的新兴的无损检测技术，主要优势在于无需外加激励磁场源，即在天然 地磁场的激励作用下，通过测量材料表面的漏磁信号，就能够对铁磁构件的早期损伤进行检测，避免结构或构件发生突然的 脆性破坏. 针对近 10 余年金属磁记忆检测技术的研究现状，概述了该技术的理论基础，总结了该技术理论研究、试验研究以 及工程应用新进展，探讨了磁记忆检测技术的损伤评判准则，分析了影响磁记忆检测信号的因素，基于此，提出了磁记忆检测 技术目前存在的问题和未来的研究发展方向. 关键词    金属磁记忆检测；铁磁材料；力磁耦合；损伤评判；影响因素；应力集中 分类号    TU391 Progress  and  key  problems  in  the  research  on  metal  magnetic  memory  testing technology SU San-qing苣 ，LIU Xin-wei，WANG Wei，ZUO Fu-liang，DENG Rui-ze，QIN Yan-long School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China 苣 Corresponding author, E-mail：sussqx@xauat.edu.cn ABSTRACT    The  nondestructive  technique  for  testing  ferromagnetic  materials  known  as  the  metal  magnetic  memory  method  is formally proposed in 1997 by the Russian scholar Dubov at the 50th International Conference on Welding. The main advantage of this metal  magnetic  memory  technology  is  that  no  external  excitation  magnetic  field  source  is  required.  That  is,  by  the  excitation  of  the natural geomagnetic field, when a ferromagnetic member is subjected to external stress, a free magnetic leakage field is generated around the stress concentration or defect position of the ferromagnetic member due to the magnetic-force coupling effect. By measuring and analyzing the magnetic leakage signal on the surface of the material, the stress concentration, early damage, and degree of damage in the ferromagnetic member can be readily detected and evaluated to effectively prevent sudden brittle failure of the structure or member. This technique is the only effective nondestructive testing method for diagnosing early damage in ferromagnetic components. Because this metal  magnetic  memory  testing  technology  can  be  used  to  assess  the  stress  concentration,  early  damage  position,  and  the  degree  of damage of ferromagnetic materials, it has great potential for use in predicting structural or component life and warning of damage. Its advantages include no manual magnetization or attached sensor, no surface treatment of components, and simple, convenient, and quick operation. As such, it has attracted wide interest from scholars around the world since its formal introduction. In this paper, based on the research on metal magnetic memory testing technology over the past 10 years, a theoretical model of the technology was established and the progress made in the theoretical research, experimental research, and engineering applications of this technology were summarized. The damage assessment criteria for magnetic memory testing technology were discussed and the factors that affect the magnetic memory detection signal were analyzed. Based on this review, the current problems were identified and future research directions of magnetic 收稿日期: 2020−05−08 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51878548，51578449）；陕西省自然科学基础研究计划重点资助项目（2018JZ5013） 工程科学学报，第 42 卷，第 12 期：1557−1572，2020 年 12 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 12: 1557−1572, December 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.10.002; http://cje.ustb.edu.cn

·1558 工程科学学报，第42卷，第12期 memory testing technology were proposed. KEY WORDS metal magnetic memory testing;ferromagnetic materials;force-magnetic coupling:damage assessment;influence factor:stress concentration 目前，钢材因其具有轻质高强、材质均匀和加 加激励磁场，即在天然地磁场的激励作用下，当铁 工方便等特点，被广泛应用在桥梁-)、建筑、机 磁材料承受工况荷载和地磁场的共同作用时，通过 械、电力向、管道门、航空阁以及石油等行业当 测量铁磁材料表面的弱磁信号，能够实现对铁磁 中.这些结构或构件因其复杂的构造特点，加之在 材料或构件进行应力集中位置、早期损伤判别以 服役期间可能遭受的长期循环荷载、自然灾害因 及损伤程度评估，防止构件发生突发性的脆性破 素以及人为因素等诸多因素的影响，钢构件在服 坏.该检测技术是迄今唯一能够对铁磁材料进行 役的过程当中会不可避免地出现一些早期隐性损 早期隐性损伤判别的绿色无损检测新方法-2， 伤0，这些早期损伤的不断累积，会造成钢结构或 自首次公开提出以来，就受到国内外学者的广泛 构件强度、刚度和稳定性的降低.长期以往，必然 关注.然而，由于其发展时间短和影响检测环境因 影响结构或构件的正常运行和安全使用山隐性 素复杂，该项检测技术在机理研究和定量评估方 损伤不同于显性损伤，钢材的表面并没有形成明 面一直受限2.近年来，相关学者对此问题进行了 显的物理不连续肉眼可见的宏观缺陷，检测人员 大量的理论分析、试验研究以及工程应用，取得了 难以及时发现.但是，应当注意的是，在整个结构 丰硕的成果和长足的进展.本文概述了金属磁记 或构件的服役期间，隐性损伤的产生和累积几乎 忆检测技术近十余年的研究现状，分析讨论了该 全程贯穿其中，隐性损伤的不断累积，微观缺陷的 技术研究中的关键科学问题，包括磁记忆检测技 不断扩展，很有可能导致结构发生突然性的脆性 术的理论基础，磁记忆检测技术的研究新进展，磁 破坏，对结构造成致命的影响，严重威胁人民的 记忆检测技术的损伤评判准则以及影响磁记忆检 生命财产安全和国民经济发展.因此，及时找到结 测信号的因素.在此基础上，提出了磁记忆检测技 构或构件潜在隐性损伤并进行重点监测，可以有 术目前亟待解决的关键科学问题以及未来研究的 效预防重大突发性灾难的发生] 发展方向 钢材作为一种常见的铁磁材料，在外加应力 1金属磁记忆检测技术的理论基础 或附加磁场的作用下，在微观上材料内部会发生 磁畴的转动和畴壁的移动，宏观上表现出材料表 金属磁记忆检测技术是一种涉及铁磁学、力 面周围磁场强度的变化4磁性无损检测技术 学以及物理学等多学科交叉融合的新兴学科，其 作为一种目前应用于铁磁材料最为广泛的检测技 背后影响机制复杂，采集的磁信号相对较为弱小， 术，通过测量铁磁材料在外荷载和激励磁场的共 长时间以来主要用于定性分析而很难准确用于定 同作用下，内部隐性损伤从萌生到不断累积发展 量化研究，在科学研究和工程应用方面十分受限 过程中由于其材料本身的物理和力学性能造成的 磁记忆检测机理示意图如图1所示，在微观上，铁 材料表面磁信号的变化规律，实现对其缺陷位置 磁材料内部是由许多个磁畴和磁畴壁组成，无外 以及损伤状态的评价%常用的无损检测方法有 物理场作用下，铁磁材料内部的磁畴和磁畴壁处 磁声发射法(MAE)、漏磁检测法(MTL)、磁巴克 于无规律的自由状态，宏观上对外不显磁性.当铁 豪森法(MBN)等-但是这些无损检测方法必 磁材料处于地磁场和应力场的共同作下，由于力 须在检测对象的表面施加磁场激励源，将被检测 磁耦合效应，微观上材料内部会产生磁畴壁的转 对象磁化至磁饱和状态，且只能检测0.2mm以上 动和磁畴的定向移动，宏观上对外显示磁性.目前， 的宏观缺陷2，因此，在实际工程应用当中具有很 金属磁记忆检测技术经典的理论基础主要有 大的局限性 3种，分别为：Jiles--Atherton磁机械效应模型，能 I997年，金属磁记忆检测(Metal magnetic me- 量守恒定律以及带缺陷或应力集中处的磁偶极子 mory testing,简称MMMT)技术由俄罗斯学者Dubov 模型 在第50届国际焊接学术会议上首次公开提出叫 1.1 Jiles--Atherton磁机械效应模型 该检测技术不同于传统的无损检测技术，无需外 1984年，Jiles和Atherton提出了接近原理，认

memory testing technology were proposed. KEY  WORDS    metal  magnetic  memory  testing； ferromagnetic  materials； force-magnetic  coupling； damage  assessment； influence factor；stress concentration 目前，钢材因其具有轻质高强、材质均匀和加 工方便等特点，被广泛应用在桥梁[1−3]、建筑[4]、机 械[5]、电力[6]、管道[7]、航空[8] 以及石油[9] 等行业当 中. 这些结构或构件因其复杂的构造特点，加之在 服役期间可能遭受的长期循环荷载、自然灾害因 素以及人为因素等诸多因素的影响，钢构件在服 役的过程当中会不可避免地出现一些早期隐性损 伤[10] ，这些早期损伤的不断累积，会造成钢结构或 构件强度、刚度和稳定性的降低. 长期以往，必然 影响结构或构件的正常运行和安全使用[11] . 隐性 损伤不同于显性损伤，钢材的表面并没有形成明 显的物理不连续肉眼可见的宏观缺陷，检测人员 难以及时发现. 但是，应当注意的是，在整个结构 或构件的服役期间，隐性损伤的产生和累积几乎 全程贯穿其中，隐性损伤的不断累积，微观缺陷的 不断扩展，很有可能导致结构发生突然性的脆性 破坏[12] ，对结构造成致命的影响，严重威胁人民的 生命财产安全和国民经济发展. 因此，及时找到结 构或构件潜在隐性损伤并进行重点监测，可以有 效预防重大突发性灾难的发生[13] . 钢材作为一种常见的铁磁材料，在外加应力 或附加磁场的作用下，在微观上材料内部会发生 磁畴的转动和畴壁的移动，宏观上表现出材料表 面周围磁场强度的变化[14−15] . 磁性无损检测技术 作为一种目前应用于铁磁材料最为广泛的检测技 术，通过测量铁磁材料在外荷载和激励磁场的共 同作用下，内部隐性损伤从萌生到不断累积发展 过程中由于其材料本身的物理和力学性能造成的 材料表面磁信号的变化规律，实现对其缺陷位置 以及损伤状态的评价[16] . 常用的无损检测方法有 磁声发射法（MAE）、漏磁检测法（MTL）、磁巴克 豪森法（MBN）等[17−19] . 但是这些无损检测方法必 须在检测对象的表面施加磁场激励源，将被检测 对象磁化至磁饱和状态，且只能检测 0.2 mm 以上 的宏观缺陷[20] ，因此，在实际工程应用当中具有很 大的局限性. 1997 年，金属磁记忆检测（Metal magnetic me￾mory testing，简称 MMMT）技术由俄罗斯学者 Dubov 在第 50 届国际焊接学术会议上首次公开提出[21] . 该检测技术不同于传统的无损检测技术，无需外 加激励磁场，即在天然地磁场的激励作用下，当铁 磁材料承受工况荷载和地磁场的共同作用时，通过 测量铁磁材料表面的弱磁信号，能够实现对铁磁 材料或构件进行应力集中位置、早期损伤判别以 及损伤程度评估，防止构件发生突发性的脆性破 坏. 该检测技术是迄今唯一能够对铁磁材料进行 早期隐性损伤判别的绿色无损检测新方法[22−25] ， 自首次公开提出以来，就受到国内外学者的广泛 关注. 然而，由于其发展时间短和影响检测环境因 素复杂，该项检测技术在机理研究和定量评估方 面一直受限[26] . 近年来，相关学者对此问题进行了 大量的理论分析、试验研究以及工程应用，取得了 丰硕的成果和长足的进展. 本文概述了金属磁记 忆检测技术近十余年的研究现状，分析讨论了该 技术研究中的关键科学问题，包括磁记忆检测技 术的理论基础，磁记忆检测技术的研究新进展，磁 记忆检测技术的损伤评判准则以及影响磁记忆检 测信号的因素. 在此基础上，提出了磁记忆检测技 术目前亟待解决的关键科学问题以及未来研究的 发展方向. 1    金属磁记忆检测技术的理论基础 金属磁记忆检测技术是一种涉及铁磁学、力 学以及物理学等多学科交叉融合的新兴学科，其 背后影响机制复杂，采集的磁信号相对较为弱小， 长时间以来主要用于定性分析而很难准确用于定 量化研究，在科学研究和工程应用方面十分受限. 磁记忆检测机理示意图如图 1 所示，在微观上，铁 磁材料内部是由许多个磁畴和磁畴壁组成，无外 物理场作用下，铁磁材料内部的磁畴和磁畴壁处 于无规律的自由状态，宏观上对外不显磁性. 当铁 磁材料处于地磁场和应力场的共同作下，由于力 磁耦合效应，微观上材料内部会产生磁畴壁的转 动和磁畴的定向移动，宏观上对外显示磁性. 目前， 金属磁记忆检测技术经典的理论基础主要 有 3 种，分别为：Jiles–Atherton 磁机械效应模型，能 量守恒定律以及带缺陷或应力集中处的磁偶极子 模型. 1.1    Jiles–Atherton 磁机械效应模型 1984 年，Jiles 和 Atherton 提出了接近原理，认 · 1558 · 工程科学学报，第 42 卷，第 12 期

苏三庆等：金属磁记忆检测技术研究新进展与关键问题 .1559 No extemal fields Magnetic fields With external fields 3 changes Extemal fields Microscopic Macroscopic detection Measurement changes representation results 图1金属磁记忆检测原理示意图网 FigI Schematic of the principle of metal magnetic memory testing 为在应力的作用下，铁磁材料的剩余磁化状态会 段，且无法解释材料处于拉压应力作用下磁场强 不可逆地无限趋近于无滞后磁化状态，并基于 度曲线的非对称磁化行为 有效场理论在弹性应力状态下建立了单向应力作 1.2能量守恒定律 用时铁磁材料的磁力学模型一Jiles--Atherton理 目前，金属磁记忆检测的微观机理普遍认为 论模型Jiles--Atherton理论模型作为众多的磁 遵循铁磁学理论的“能量最小学说”，即铁磁材料 机械效应模型之一，因其基于一阶微分方程、模型 产生磁记忆效应的根本原因在于材料受外应力的 参数较少、物理意义明确以及方便使用等特点，被 作用时在其内部产生很高的应力能，为抵消产生 誉为经典的磁力学理论模型.其表达式为 的应力能，材料的磁能相应地发生变化，以使材料 总的能量达到最小状态.当铁磁材料处于外部环 境磁场且无施加外荷载作用时，微观上铁磁材料 Her=H+H。+aMan 磁畴的矢量和为零，宏观上对外不显磁性.当在铁 H=[(+1)Mm+2(y2+Y20)Mn 磁构件上施加外荷载作用时，材料内部磁畴组织 发生定向的移动和不可逆的重新取向，这种微观 ds=E(Man-M)+ dM o 变化可以用磁导率来表现， do (1) 西安建筑科技大学的王社良教授等30和空军 式中，Mm为非滞后磁化强度，M为饱和磁化强 工程大学的李龙军等1-刘利用能量守恒定律给出 了铁磁材料的磁导率和应力之间的力-磁耦合本 度，a为有效场系数，Her为有效场，包括环境磁场 H,应力有效场H。以及磁畴壁相互作用产生的有 构模型，基本理论如下： 效场aMam,a为磁畴耦合系数，o为真空磁导率， 当铁磁材料受到外加应力为σ的荷载作用时， I、y1、y2、Y2为磁滞伸缩应变的拟合系数，o为材 其内部产生的应力能可表示为 3 料所受应力，E为材料弹性模量，飞为与单位体积 Ea=-7oAa (2) 能量有关的系数，M为材料的磁化强度，c为初始 式中，为应力为σ时材料的磁滞伸缩系数 磁化率与初始无滞后磁化率之间的比值.参考文 根据电磁场理论 献[29]定义参数：M=1.6×10°Am;a=1000;a=0.001: 40-4π×107Hm;y1=7×1018m2A3;y-1×10m2. △Eu=-2(B-B)H (3) PaA2;y2=-3.3×1030m2A;y)=2.1×1038m4PaA:E= 式中，△E为磁能变化量；B。为外应力作用下铁磁 2.02×10-25Pa;=2000Pa;c=0.1, 材料的磁感应强度；B为无外应力作用下铁磁材料 上式即为铁磁构件在恒定外磁场作用下的磁 的磁感应强度；H为地磁场强度 化强度M与外加应力σ之间的变化关系，即铁磁 根据能量守恒定律，联系式(2)和(3)，则有 材料的力磁效应理论模型.但是Jiles-Atherton磁 1 3 B-BH=-20, (4) 机械效应理论模型只能用于弹性变形状态下材料 在单向应力作用时的力磁效应关系，无法适用于 式中，B=4ouH;B。=o4aH:其中μ为材料未受力 较为复杂的多向受力状态和弹塑性或塑性变形阶 状态下的初始磁导率，4。为材料承受外加应力为

为在应力的作用下，铁磁材料的剩余磁化状态会 不可逆地无限趋近于无滞后磁化状态[27] ，并基于 有效场理论在弹性应力状态下建立了单向应力作 用时铁磁材料的磁力学模型——Jiles–Atherton 理 论模型[28] . Jiles–Atherton 理论模型作为众多的磁 机械效应模型之一，因其基于一阶微分方程、模型 参数较少、物理意义明确以及方便使用等特点，被 誉为经典的磁力学理论模型. 其表达式为    Man=Ms [ coth( Heff a ) − a Heff ] Heff = H + Hσ +αMan Hσ = 3σ µ0 [ (γ1 +γ ′ 1σ)Man +2(γ2 +γ ′ 2σ)M3 an] dM dς = σ Eξ (Man − M)+c dMan dσ （1） γ1 γ ′ 1 γ2 γ ′ 2 γ1 γ ′ 1 γ2 γ ′ 2 式中，Man 为非滞后磁化强度，Ms 为饱和磁化强 度，a 为有效场系数，Heff 为有效场，包括环境磁场 H，应力有效场 Hσ 以及磁畴壁相互作用产生的有 效场 αMan，α 为磁畴耦合系数，μ0 为真空磁导率， 、 、 、 为磁滞伸缩应变的拟合系数，σ 为材 料所受应力，E 为材料弹性模量，ξ 为与单位体积 能量有关的系数，M 为材料的磁化强度，c 为初始 磁化率与初始无滞后磁化率之间的比值. 参考文 献 [29] 定义参数：Ms=1.6×106 A·m−1 ；a=1000；α=0.001； μ0=4π×10−7 H·m−1 ； =7×10−18 m 2 ·A−2 ； =−1×10−25 m 2 · Pa·A−2 ； =−3.3×10−30m 2·A −4 ； =2.1×10−38m 4 ·Pa·A−4 ；E= 2.02×10−25 Pa；ξ=2000 Pa；c=0.1. 上式即为铁磁构件在恒定外磁场作用下的磁 化强度 M 与外加应力 σ 之间的变化关系，即铁磁 材料的力磁效应理论模型. 但是 Jiles–Atherton 磁 机械效应理论模型只能用于弹性变形状态下材料 在单向应力作用时的力磁效应关系，无法适用于 较为复杂的多向受力状态和弹塑性或塑性变形阶 段，且无法解释材料处于拉压应力作用下磁场强 度曲线的非对称磁化行为. 1.2    能量守恒定律 目前，金属磁记忆检测的微观机理普遍认为 遵循铁磁学理论的“能量最小学说”. 即铁磁材料 产生磁记忆效应的根本原因在于材料受外应力的 作用时在其内部产生很高的应力能，为抵消产生 的应力能，材料的磁能相应地发生变化，以使材料 总的能量达到最小状态. 当铁磁材料处于外部环 境磁场且无施加外荷载作用时，微观上铁磁材料 磁畴的矢量和为零，宏观上对外不显磁性. 当在铁 磁构件上施加外荷载作用时，材料内部磁畴组织 发生定向的移动和不可逆的重新取向，这种微观 变化可以用磁导率来表现. 西安建筑科技大学的王社良教授等[30] 和空军 工程大学的李龙军等[31−32] 利用能量守恒定律给出 了铁磁材料的磁导率和应力之间的力−磁耦合本 构模型，基本理论如下： 当铁磁材料受到外加应力为σ的荷载作用时， 其内部产生的应力能可表示为 Eσ = − 3 2 σλσ （2） 式中，λσ 为应力为 σ 时材料的磁滞伸缩系数. 根据电磁场理论 ∆Eu = − 1 2 (Bσ − B)H （3） 式中， ∆Eu为磁能变化量； Bσ为外应力作用下铁磁 材料的磁感应强度；B 为无外应力作用下铁磁材料 的磁感应强度；H 为地磁场强度. 根据能量守恒定律，联系式（2）和（3），则有 − 1 2 (Bσ − B)H = − 3 2 σλσ （4） B = µ0µH Bσ = µ0µσH µ µσ 式中， ； ；其中 为材料未受力 状态下的初始磁导率， 为材料承受外加应力为 No external fields With external fields Magnetic fields Stress External fields Internal changes Microscopic changes Macroscopic representation Measurement results External detection ① ② 图 1    金属磁记忆检测原理示意图[26] Fig.1    Schematic of the principle of metal magnetic memory testing[26] 苏三庆等： 金属磁记忆检测技术研究新进展与关键问题 · 1559 ·

·1560 工程科学学报，第42卷，第12期 σ时的磁导率 将B=HouH和B。=4o4H代入上式可得 Ho-HBoB=30Ao (5) Lcμ dH, 根据胡克定律，实心铁磁材料在弹性变形阶 段有 EA6xy =BorB (6) Pas 式中，6x,6分别为钢构件单元的长和宽.当铁磁材 图2磁偶极子模型示意图 料达到磁饱和状态时，B=B,=Bm,则式(6)可以表 Fig.2 Schematic of magnetic dipole model 示为 图2即为磁偶极子模型示意图.假设磁荷面 EAm6xy=Bn (7) 密度为Pms,矩形槽宽度为2b,深度为h,则槽壁上宽 式中，代表饱和磁滞伸缩系数，Bm为饱和磁感应 度为dy的面元在空间处任意一点p(x,)处的磁 强度 场强度可以表示为： 联系式(5)~(7)则有 dH= Pmsr dy B品o4 3cμoμlm 2π40r Mo= (8) Bi-3ououam =μ+ (9) Bi -3cuouam dH2=Pmsri dy 上式即为金属磁记忆检测的力-磁耦合数学模 2π40 型，也称能量守恒定律(Energy conservation model). 式中，n=p+b+6,-;n=V,-b+b,-可 能量守恒定律已被多位学者用于金属磁记忆检测 r1,2为方向矢量 领域理论研究和定量化评估试验研究当中3-刘， 空间处任意一点p处的磁场强度在x,y方向的 Bm,m,u的取值与材料相关.目前，该理论模型的 场分量可表示为 应用仍旧有一定的局限性，仅适用于材料或构件 处于弹性变形阶段应力与磁导率之间的关系 dHix= Pms(xp+b) 1.3缺陷和应力集中处的磁偶极子模型 2o(p+b2+p-y)2] 在地磁场和外加应力的共同作用下，铁磁体 dHiy= Pms(Yp-y) 中缺陷位置表面会产生漏磁场，通过检测材料表 2+bP+0p-94 (10) dH2x -Pms(Xp-b) 面的漏磁场信号来评估缺陷或应力集中状态的 无损检测技术称为漏磁检测.漏磁检测一般检测 2o,-bP+0p-明 -Pms(yp-y) 漏磁场位置处垂直于铁磁材料表面的法向磁信 dH2y 号和平行于铁磁材料表面的切向磁信号，以达到 24-b2+6p-9 缺陷的定量化评判.目前，漏磁检测的研究方法 对上式的磁场强度分量沿缺陷深度方向进行 主要是磁偶极子法阿1和有限元方法购磁偶极子 数值积分并对积分后相应方向的磁场强度进行叠 模型利用静磁学理论能够简单、方便、直观地计 加则有 算缺陷两侧的磁偶极子对空间当中任意点磁场 .cta h(xp+b) 强度的大小，是成功解释缺陷漏磁场的理论模型 "(Xp+b)2+yp(p+h) 之一，能够准确地描述裂纹缺陷位置的磁记忆分 Pms arctan h(xp-b) 布特征. 240 (11) (xp-b)+yp(yp+h) 磁偶极子模型理论认为铁磁材料缺陷位置的 漏磁场是由极性相反的磁偶极子产生，磁偶极子 4π0 指的是铁磁体在地磁场和外荷载共同作用下缺陷 ,+b2+0yp+2(p-b)+yp2 n (12) 两侧出现的等量异种电荷的磁性体系.在缺陷位 (xp+b)2+yp2 (p-b2+0p+h 置处会出现磁力线的泄露，从缺陷一侧位置到缺 式中，H和H,分别代表磁偶极子在空间中任意一 陷另一侧位置处，形成一个极性相反磁性较小的 点p处的场强在x方向和y方向的分量.式中的各参 磁极，可用等效偶极子模型进行模拟 数取值如下：提离值大小yp=0.05mm,磁荷密度

σ时的磁导率. 将 B = µ0µH 和 Bσ = µ0µσH 代入上式可得 µσ −µ µσµ BσB = 3σλσ （5） 根据胡克定律，实心铁磁材料在弹性变形阶 段有 Eλσδxδy = BσB （6） δx δy B = Bσ = Bm 式中， ， 分别为钢构件单元的长和宽. 当铁磁材 料达到磁饱和状态时， ，则式（6）可以表 示为 Eλmδxδy=B 2 m （7） 式中， λm代表饱和磁滞伸缩系数， Bm为饱和磁感应 强度. 联系式（5）～（7）则有 µσ= B 2 mµ0µ B 2 m −3σµ0µλm = µ+ 3σµ0µλm B 2 m −3σµ0µλm （8） 上式即为金属磁记忆检测的力−磁耦合数学模 型，也称能量守恒定律（Energy conservation model）. 能量守恒定律已被多位学者用于金属磁记忆检测 领域理论研究和定量化评估试验研究当中[33−34] ， Bm，λm，μ 的取值与材料相关. 目前，该理论模型的 应用仍旧有一定的局限性，仅适用于材料或构件 处于弹性变形阶段应力与磁导率之间的关系. 1.3    缺陷和应力集中处的磁偶极子模型 在地磁场和外加应力的共同作用下，铁磁体 中缺陷位置表面会产生漏磁场，通过检测材料表 面的漏磁场信号来评估缺陷或应力集中状态的 无损检测技术称为漏磁检测. 漏磁检测一般检测 漏磁场位置处垂直于铁磁材料表面的法向磁信 号和平行于铁磁材料表面的切向磁信号，以达到 缺陷的定量化评判. 目前，漏磁检测的研究方法 主要是磁偶极子法[35] 和有限元方法[36] . 磁偶极子 模型利用静磁学理论能够简单、方便、直观地计 算缺陷两侧的磁偶极子对空间当中任意点磁场 强度的大小，是成功解释缺陷漏磁场的理论模型 之一，能够准确地描述裂纹缺陷位置的磁记忆分 布特征. 磁偶极子模型理论认为铁磁材料缺陷位置的 漏磁场是由极性相反的磁偶极子产生，磁偶极子 指的是铁磁体在地磁场和外荷载共同作用下缺陷 两侧出现的等量异种电荷的磁性体系. 在缺陷位 置处会出现磁力线的泄露，从缺陷一侧位置到缺 陷另一侧位置处，形成一个极性相反磁性较小的 磁极，可用等效偶极子模型进行模拟. ρms 2b h 图 2 即为磁偶极子模型示意图. 假设磁荷面 密度为 ，矩形槽宽度为 ，深度为 ，则槽壁上宽 度为 dy 的面元在空间处任意一点 p（xp ,yp）处的磁 场强度可以表示为：    dH1 = ρmsr1 2πµ0r 2 1 dy dH2 = − ρmsr2 2πµ0r 2 2 dy （9） r1 = √( xp +b )2 + ( yp−y )2 r2 = √( xp −b )2 + ( yp−y )2 r1 r2 式中， ； ， ， 为方向矢量. 空间处任意一点 p 处的磁场强度在x，y 方向的 场分量可表示为    dH1x = ρms(xp +b) 2πµ0 [ (xp +b) 2 +(yp −y) 2 ]dy dH1y = ρms(yp −y) 2πµ0 [ (xp +b) 2 +(yp −y) 2 ]dy dH2x = −ρms(xp −b) 2πµ0 [ (xp −b) 2 +(yp −y) 2 ]dy dH2y = −ρms(yp −y) 2πµ0 [ (xp −b) 2 +(yp −y) 2 ]dy （10） 对上式的磁场强度分量沿缺陷深度方向进行 数值积分并对积分后相应方向的磁场强度进行叠 加则有 Hx= w 0 −h dH1x+ w 0 −h dH2x= ρms 2πµ0 arctan h(xp+b) (xp+b) 2+yp(yp+h) − ρms 2πµ0 arctan h(xp −b) (xp −b) 2 +yp(yp +h) （11） Hy = w 0 −h dH1y + w 0 −h dH2y = ρms 4πµ0 · ln   (xp +b) 2 +(yp +h) 2 (xp +b) 2 +yp 2 · (xp −b)+yp 2 (xp −b) 2 +(yp +h) 2   （12） Hx Hy p x y yp = 0.05 mm 式中， 和 分别代表磁偶极子在空间中任意一 点 处的场强在 方向和 方向的分量. 式中的各参 数取值如下：提离值大小 ，磁荷密度 b y x h o b p +ρms r1 dH1 dH2 r2 −ρms 图 2    磁偶极子模型示意图 Fig.2    Schematic of magnetic dipole model · 1560 · 工程科学学报，第 42 卷，第 12 期

苏三庆等：金属磁记忆检测技术研究新进展与关键问题 ·1561 Pams=4n06,其中d=265 h/b+1 4πh/(bμ)+1 Ha,式中施加 明：模拟结果与试验结果具有较好的一致性，能够 场强度Ha=60Am;0=4π×10-7Hml;μ=7000. 用于拉压应力不同状态下力磁机理的理论解释 这里的磁荷密度参考文献[3刀的做法 李建伟脚从考虑塑性变形对有效场和模型参数两 上述就是缺陷及应力集中处的磁偶极子理论 方面出发，进行了塑性变形下磁化模型的构建，并 模型，通过对此数学模型进行数值积分即可实现 进行不同材质钢板件的拉伸试验对模型进行验 对应力集中区域缺陷位置铁磁材料表面漏磁场处 证，发现模拟结果和试验结果具有非常契合的吻 法向磁信号和切向磁信号的定量化研究，是能够 合性，进一步验证了改进模型的正确性.Xu等 成功定量化解释缺陷漏磁场表面的漏磁场分布模 在Jiles-Atherton理论模型的基础上分析了圆棒 型.但是磁偶极子模型也存在一些不足：(1)无 铁磁体的弯曲试验.Li6-4切在现有的Jiles-Atherton 法定量磁荷密度的分布形式；(2)只适用于宏观缺 模型的基础上综合考虑应力退磁项，钉扎系数，磁 畴耦合系数以及饱和磁滞伸缩系数，提出改进的 陷，不适用于位错、夹杂、滑移剪切带等微观隐性 Jiles--Atherton理论模型，该模型能够很好的解释 损伤；(3)无法考虑材料磁导率的非均匀性网 拉压应力作用下的非对称磁化行为.值得注意到 2金属磁记忆检测技术的研究新进展 的是，Shi等I基于热力学第一定律和热力学第二 定律，考虑温度、应力和环境磁场的共同影响，率 磁记忆检测技术作为一种新型的绿色无损检 测技术，自提出以来就受到了众多学者的广泛关 先提出了一种热磁弹塑性非线性磁记忆检测理论 模型.通过与现有的磁记忆检测试验数据进行对 注.特别是近十来年，国内外相关学者对金属磁记 比分析，研究表明提出的热磁弹塑性非线性磁记 忆检测领域进行了大量的理论研究和试验研究， 忆检测理论模型具有很好的相关性，能够准确预 并将此新型检测技术率先应用在一些行业当中， 测多物理场作用下磁记忆信号的变化规律，如图3 均取得了丰硕的研究成果 所示. 2.1理论研究 在磁力学耦合数学模型的构建与优化方面， Jiles--Atherton磁力学理论模型因其具有一阶 Shi等9s0I基于热力学关系和不可逆磁化强度的 微分方程、物理意义明确和稳定方便等特点被誉 接近原理，提出了一种适用于恒定弱磁场下铁磁 为经典的磁记忆理论模型.但是该模型也存在一 材料的非线性磁力学耦合模型.经过数值模拟对 些局限和不足，主要表现在：(1)只能用于单轴应 比试验研究，提出的非线性磁力学模型与试验结 力状态下材料处于弹性变形阶段，不适用于多种 果有着很高的契合度.并与前人提出的较好的理 复杂应力状态下弹塑性或塑性阶段的磁记忆检 论模型进行数值模拟对比分析，发现提出的理论 测；(2)模型能够非常成功的解释磁记忆检测过程 模型在定量研究力一磁耦合机制方面有着很大的 中出现的反转和接近现象，但是从名义上无法定 提高，研究表明，该磁力学模型能够解释多个因素 量解释拉压应力下的非对称磁行为.近十多年来， (荷载等级、缺陷程度大小、结构尺寸以及提离值 针对上述问题，相关学者对此进行了大量的研究 大小)对于含单个孔洞的铁磁构件的磁记忆信号 李思岐等0针对焊缝缺陷磁记忆检测过程中存在 的变化规律.提出的磁力学模型能够准确描述铁 定量化反演的问题，建立了基于改进的支持向量 磁构件表面磁记忆信号与缺陷大小以及应力集中 回归机定量反演模型.Wang等提出的塑性变 程度之间的关系，该理论模型的构建对磁记忆检 形会对有效场产生一个额外分量，推导出塑性应 测技术定量化研究和实际工程应用研究奠定了很 变与非滞后磁化强度之间的简单线性关系.冷建 好的理论基础. 成2-)基于Jiles--Atherton理论模型，考虑塑性变 在漏磁检测方面，缺陷形状将直接影响漏磁 形阶段位错对磁化的影响，建立磁化强度与塑性 检测信号，目前，磁偶极子模型检测当中常将缺陷 变形阶段的关系模型，通过进行光滑退磁板件的 简化成为矩形或者环形，无法对其他特殊的缺陷 静载拉伸试验，验证了改进模型的正确性.并基于 形貌进行检测，对于此类问题，时朋朋0以磁偶极 改进的理论模型，提出了一种新的弹塑性区早期 子模型为理论基础，针对4种不同端面形状（矩 诊断方法，扩展和丰富了磁记忆效应的研究内容 形、V形、梯形和组合形)的凹槽缺陷，给出了每 并且引入拉压应力所产生的不同应力退磁项，对 种凹槽缺陷所对应的带缺陷漏磁场信号的解析表 Jiles-Atherton理论模型进行了优化改进.研究表 达式，得到的矩形缺陷解析表达式与现有文献一

ρms = 4πµ0δs δs = 2.65 4π ( h/b+1 h/ (bµ)+1 ) Ha Ha = 60 A·m−1 µ0 = 4π×10−7 H·m−1 µ = 7000 ，其中 ，式中施加 场强度 ； ； . 这里的磁荷密度参考文献 [37] 的做法. 上述就是缺陷及应力集中处的磁偶极子理论 模型，通过对此数学模型进行数值积分即可实现 对应力集中区域缺陷位置铁磁材料表面漏磁场处 法向磁信号和切向磁信号的定量化研究，是能够 成功定量化解释缺陷漏磁场表面的漏磁场分布模 型. 但是磁偶极子模型也存在一些不足[38] ：（1）无 法定量磁荷密度的分布形式；（2）只适用于宏观缺 陷，不适用于位错、夹杂、滑移剪切带等微观隐性 损伤；（3）无法考虑材料磁导率的非均匀性[39] . 2    金属磁记忆检测技术的研究新进展 磁记忆检测技术作为一种新型的绿色无损检 测技术，自提出以来就受到了众多学者的广泛关 注. 特别是近十来年，国内外相关学者对金属磁记 忆检测领域进行了大量的理论研究和试验研究， 并将此新型检测技术率先应用在一些行业当中， 均取得了丰硕的研究成果. 2.1    理论研究 Jiles–Atherton 磁力学理论模型因其具有一阶 微分方程、物理意义明确和稳定方便等特点被誉 为经典的磁记忆理论模型. 但是该模型也存在一 些局限和不足，主要表现在：（1）只能用于单轴应 力状态下材料处于弹性变形阶段，不适用于多种 复杂应力状态下弹塑性或塑性阶段的磁记忆检 测；（2）模型能够非常成功的解释磁记忆检测过程 中出现的反转和接近现象，但是从名义上无法定 量解释拉压应力下的非对称磁行为. 近十多年来， 针对上述问题，相关学者对此进行了大量的研究. 李思岐等[40] 针对焊缝缺陷磁记忆检测过程中存在 定量化反演的问题，建立了基于改进的支持向量 回归机定量反演模型. Wang 等[41] 提出的塑性变 形会对有效场产生一个额外分量，推导出塑性应 变与非滞后磁化强度之间的简单线性关系. 冷建 成[42−43] 基于 Jiles–Atherton 理论模型，考虑塑性变 形阶段位错对磁化的影响，建立磁化强度与塑性 变形阶段的关系模型，通过进行光滑退磁板件的 静载拉伸试验，验证了改进模型的正确性. 并基于 改进的理论模型，提出了一种新的弹塑性区早期 诊断方法，扩展和丰富了磁记忆效应的研究内容. 并且引入拉压应力所产生的不同应力退磁项，对 Jiles–Atherton 理论模型进行了优化改进. 研究表 明：模拟结果与试验结果具有较好的一致性，能够 用于拉压应力不同状态下力磁机理的理论解释. 李建伟[44] 从考虑塑性变形对有效场和模型参数两 方面出发，进行了塑性变形下磁化模型的构建，并 进行不同材质钢板件的拉伸试验对模型进行验 证，发现模拟结果和试验结果具有非常契合的吻 合性，进一步验证了改进模型的正确性. Xu 等[45] 在 Jiles–Atherton 理论模型的基础上分析了圆棒 铁磁体的弯曲试验. Li[46−47] 在现有的 Jiles–Atherton 模型的基础上综合考虑应力退磁项，钉扎系数，磁 畴耦合系数以及饱和磁滞伸缩系数，提出改进的 Jiles–Atherton 理论模型，该模型能够很好的解释 拉压应力作用下的非对称磁化行为. 值得注意到 的是，Shi 等[48] 基于热力学第一定律和热力学第二 定律，考虑温度、应力和环境磁场的共同影响，率 先提出了一种热磁弹塑性非线性磁记忆检测理论 模型，通过与现有的磁记忆检测试验数据进行对 比分析，研究表明提出的热磁弹塑性非线性磁记 忆检测理论模型具有很好的相关性，能够准确预 测多物理场作用下磁记忆信号的变化规律，如图 3 所示. 在磁力学耦合数学模型的构建与优化方面， Shi 等[49−50] 基于热力学关系和不可逆磁化强度的 接近原理，提出了一种适用于恒定弱磁场下铁磁 材料的非线性磁力学耦合模型. 经过数值模拟对 比试验研究，提出的非线性磁力学模型与试验结 果有着很高的契合度. 并与前人提出的较好的理 论模型进行数值模拟对比分析，发现提出的理论 模型在定量研究力−磁耦合机制方面有着很大的 提高，研究表明，该磁力学模型能够解释多个因素 （荷载等级、缺陷程度大小、结构尺寸以及提离值 大小）对于含单个孔洞的铁磁构件的磁记忆信号 的变化规律. 提出的磁力学模型能够准确描述铁 磁构件表面磁记忆信号与缺陷大小以及应力集中 程度之间的关系，该理论模型的构建对磁记忆检 测技术定量化研究和实际工程应用研究奠定了很 好的理论基础. 在漏磁检测方面，缺陷形状将直接影响漏磁 检测信号，目前，磁偶极子模型检测当中常将缺陷 简化成为矩形或者环形，无法对其他特殊的缺陷 形貌进行检测，对于此类问题，时朋朋[40] 以磁偶极 子模型为理论基础，针对 4 种不同端面形状（矩 形、V 形、梯形和组合形）的凹槽缺陷，给出了每 种凹槽缺陷所对应的带缺陷漏磁场信号的解析表 达式，得到的矩形缺陷解析表达式与现有文献一 苏三庆等： 金属磁记忆检测技术研究新进展与关键问题 · 1561 ·

.1562 工程科学学报.第42卷，第12期 250 B/(A:m-) k/kAm） 250 (a) (b) 15 200 150 200 150 100 150 3100 100 50 50 50 50 100150 200 250 50 100150200250 Stress/MPa Stress/MPa /A-m-) k/(kA-m-) 250@ 250 (d) 180 200 200 160 150 150 140 100 120 50 50 300 350 400 450 300 350 400 450 Stress/MPa Stress/MPa 图3不同温度和拉伸载荷下信号特征值模型的理论预测(a)弹性状态下法向磁信号平均值，瓦，：(b)弹性状态下切向磁信号的斜率值， (c)塑性状态下法向磁信号平均值，可，；()塑性状态下切向磁信号的斜率值，ka Fig.3 Theoretical prediction of signal eigenvalue model under different temperatures and tensile loads:(a)average of normal magnetic signals in elastic state;(b)slope value of tangential magnetic signal in elastic state;(c)average of normal magnetic signals in plastic state;(d)slope value of tangential magnetic signal in plastic state 致，首次提出梯形和组合形凹槽缺陷的漏磁场解 面临的瓶颈问题 析表达式，提出的V形缺陷漏磁场解析表达式纠 金属磁记忆无损检测技术作为目前唯一能够 正了无损检测领域专著39]中基本公式的错误， 对铁磁材料进行早期损伤探测的绿色检测技术， 通过对解析解和数值积分解进行对比，证实了给 将此应用于建筑钢结构领域的危险预警和健康监 出的不同凹槽缺陷解析表达式的正确性.不同于 测当中，将会对国家和人民具有重大的实际意义 传统的漏磁检测方法，Shi和Zhengl)将体积磁荷 为此，西安建筑科技大学的苏三庆、王威教授团队 密度作为一种重要的变量并且考虑缺陷宽度对磁 对此做了大量的工作.文献[12,24]选用典型建筑 记忆信号的影响，提出了一种适用于三维缺陷的 用钢Q235钢为研究对象，对Q235钢试件进行静 磁记忆信号定量化分析的磁荷模型，数值模拟曲 载拉伸试验，证实磁记忆检测方法是应用于建筑 线如图4所示.将提出的磁荷模型进行数值模拟 钢结构早期损伤检测的一种行之有效的方法.利 并与前期的试验数据进行对比分析，研究表明提 用建筑钢材Q235钢对接焊缝试件为研究对象，对 出的定量化分析磁记忆信号的磁荷模型与试验数 无缺陷焊缝试件和有缺陷焊缝试件均施加拉伸及 据具有一定的相似性.这些理论模型的提出和改 弯曲荷载，研究结果发现漏磁场峰值处梯度信号 进都为磁记忆检测技术定量化研究和实际工程应 △H的迅猛增强时刻为焊缝构件即将破坏的依据 用奠定了很好的基础 文献[25]对建筑钢Q345B小孔缺陷试件和无缺陷 2.2试验研究 试件施加轴向拉伸荷载，试件断裂后形貌图如 2.2.1磁记忆检测技术在建筑钢结构领域的试验 图5所示，发现法向磁场强度可用来对试件的危 研究 险区域进行定位.文献[52-55]对无缺陷钢板件进 近年来，越来越多的大跨空间钢结构、高层空 行静载拉伸试验，建立了磁场梯度指数ε和应力 间钢结构、大型厂房钢结构等一大批钢结构建筑 σ的量化关系，提出磁场梯度指数ε可以表征构件 相继落成并投入使用，这些重大工程早期损伤的 的应力状态，并分析了钢板件在三点受弯状态下 健康监测与安全评定技术正成为土木工程领域所 的磁记忆信号曲线，研究发现，在初始梯度曲线中

致，首次提出梯形和组合形凹槽缺陷的漏磁场解 析表达式，提出的 V 形缺陷漏磁场解析表达式纠 正了无损检测领域专著 [39] 中基本公式的错误， 通过对解析解和数值积分解进行对比，证实了给 出的不同凹槽缺陷解析表达式的正确性. 不同于 传统的漏磁检测方法，Shi 和 Zheng[51] 将体积磁荷 密度作为一种重要的变量并且考虑缺陷宽度对磁 记忆信号的影响，提出了一种适用于三维缺陷的 磁记忆信号定量化分析的磁荷模型，数值模拟曲 线如图 4 所示. 将提出的磁荷模型进行数值模拟 并与前期的试验数据进行对比分析，研究表明提 出的定量化分析磁记忆信号的磁荷模型与试验数 据具有一定的相似性. 这些理论模型的提出和改 进都为磁记忆检测技术定量化研究和实际工程应 用奠定了很好的基础. 2.2    试验研究 2.2.1    磁记忆检测技术在建筑钢结构领域的试验 研究 近年来，越来越多的大跨空间钢结构、高层空 间钢结构、大型厂房钢结构等一大批钢结构建筑 相继落成并投入使用，这些重大工程早期损伤的 健康监测与安全评定技术正成为土木工程领域所 面临的瓶颈问题. ∆HP ε σ ε 金属磁记忆无损检测技术作为目前唯一能够 对铁磁材料进行早期损伤探测的绿色检测技术， 将此应用于建筑钢结构领域的危险预警和健康监 测当中，将会对国家和人民具有重大的实际意义. 为此，西安建筑科技大学的苏三庆、王威教授团队 对此做了大量的工作. 文献 [12，24] 选用典型建筑 用钢 Q235 钢为研究对象，对 Q235 钢试件进行静 载拉伸试验，证实磁记忆检测方法是应用于建筑 钢结构早期损伤检测的一种行之有效的方法. 利 用建筑钢材 Q235 钢对接焊缝试件为研究对象，对 无缺陷焊缝试件和有缺陷焊缝试件均施加拉伸及 弯曲荷载，研究结果发现漏磁场峰值处梯度信号 的迅猛增强时刻为焊缝构件即将破坏的依据. 文献 [25] 对建筑钢 Q345B 小孔缺陷试件和无缺陷 试件施加轴向拉伸荷载，试件断裂后形貌图如 图 5 所示，发现法向磁场强度可用来对试件的危 险区域进行定位. 文献 [52−55] 对无缺陷钢板件进 行静载拉伸试验，建立了磁场梯度指数 和应力 的量化关系，提出磁场梯度指数 可以表征构件 的应力状态. 并分析了钢板件在三点受弯状态下 的磁记忆信号曲线，研究发现，在初始梯度曲线中 50 100 150 200 250 150 100 50 250 200 150 100 (a) 50 Stress/MPa Temperature/ ℃ Hy /(A·m−1) 5 4 3 1 2 (b) 50 100 150 200 250 250 200 150 100 50 Stress/MPa Temperature/ ℃ k(x) /(kA·m−2) 300 Stress/MPa 350 400 450 180 160 140 120 (c) 250 200 150 100 50 Temperature/ ℃ Hy /(A·m−1) 5 4 3 (d) 300 Stress/MPa 350 400 450 250 200 150 100 50 Temperature/ ℃ k(x) /(kA·m−2) Hy Hy 图 3    不同温度和拉伸载荷下信号特征值模型的理论预测[48] . （a）弹性状态下法向磁信号平均值， ；（b）弹性状态下切向磁信号的斜率值，k(x)； （c）塑性状态下法向磁信号平均值， ；（d）塑性状态下切向磁信号的斜率值，k(x) Fig.3    Theoretical prediction of signal eigenvalue model under different temperatures and tensile loads[48] : (a) average of normal magnetic signals in elastic  state;  (b)  slope  value  of  tangential  magnetic  signal  in  elastic  state;  (c)  average  of  normal  magnetic  signals  in  plastic  state;  (d)  slope  value  of tangential magnetic signal in plastic state · 1562 · 工程科学学报，第 42 卷，第 12 期

苏三庆等：金属磁记忆检测技术研究新进展与关键问题 1563· 2 (a) a=2 mm (b) -=5 mm 1.0 b=2 mm 。-b=4mm 6=8 mm a=10 mm a=10 mm -b=8 mm d=1 mm =20mm =1 mm 0.5 b=16 mm 1=2 mm y=2 mm 0 0.5 Values divided by the peak values for a=10 mm -1.0 Values divided by the peak values for b=8 mm -40-30-20-1001020 3040 -40-30-20-10010203040 x/mm x/mm 1.5(c) 。d=lmm 4d) 。-1=1mm 1.0=10mm .d=2 mm 3 a=10 mm 1=2 mm b=8 mm d5mm =5 mm 2 6=8 mm =10mm 0.5 y=2 mm d=10 mm d=1 mm 0.5 -1.0 -1.Values divided by the peak values for d5mm Values divided by the pek values for )=5mm -40-30-20-10010203040 -40-30-20-10010203040 x/mm x/mm 图4理论模型预测不同因素对磁记忆信号法向分量的影响s)()缺陷长度：(b)缺陷宽度：(c)缺陷深度：(d)检测提离值 Fig.4 Influence of different factors on the normal components of magnetic memory signals(a)length of defects,(b)defect width,(c)defect depth. (d)lift-off value 磁畴反转的角度入手，通过对Q235钢梁四点受弯 试验中应变与磁信号的变化曲线分析，提出了应 变与磁信号之间具有一定的相关关系.建立了磁 (b) 信号平均值与应力之间的关系，定量化地研究了 磁记忆信号表征铁磁构件的损伤程度.目前，现有 的磁记忆试验研究主要集中于钢构件的单轴拉 图5Q345B建筑钢板件拉伸断裂后形貌图(a)缺口试件：(b)光 伸，对钢构件的受弯研究却很少.而钢结构中梁板 滑试件 等主要构件的受力均是以受弯和受剪为主，因此， Fig.5 Morphologies of structural steel sheet after tensile fractures. 研究构件在受弯、受剪状态下的磁信号变化规律， (a)notched specimen;(b)smooth specimen 是将磁记忆检测技术应用于钢结构必不可少的 出现具有最大幅值的畸变位置能够用来准确地判 过程 别初始缺陷的位置.对比了光滑钢板试件和人工 2.2.2磁记忆检测技术在钢丝绳领域的试验研究 预制浅槽缺陷钢板试件在静载拉伸荷载下的磁信 钢丝绳作为一种柔性承载构件，由多根钢丝 号变化规律，分析了磁信号变化量K随着应力σ的 捻制而成，其承载强度高，过载及变形能力强，自 变化特征，提出将磁信号特征参量K作为评判构 重轻，工作状态下噪声小，被广泛应用于煤矿、冶金、 件是否进入塑性阶段的依据，并且采用了ANSYS 建筑、石油等领域.同时，钢丝绳在长期的工作下 有限元分析软件，进行地磁场下拉伸荷载的力磁 还面临着磨损、断丝、锈蚀等损害情况，因此，对 效应二维模拟，研究了Q345建筑用钢早期损伤和 钢丝绳的检测技术的研究势在必行.文献[5刀研 金属磁记忆信号的相关关系，得到人工浅槽缺陷 究了带缺陷钢丝绳单根钢丝受拉破坏时的磁记忆 试件在不同荷载下法向分量与梯度值的变化规 信号变化规律全过程，由于钢丝加载方向和放置 律，并将模拟结果与试验结果进行验证，证实了模 方向均为竖向，这就不同于水平放置的铁磁材料 拟结果的可行性和可靠性.文献[13,56从应变和 在地磁场作用下的力磁规律，不仅将磁记忆检测

K ′ σ K ′ 出现具有最大幅值的畸变位置能够用来准确地判 别初始缺陷的位置. 对比了光滑钢板试件和人工 预制浅槽缺陷钢板试件在静载拉伸荷载下的磁信 号变化规律，分析了磁信号变化量 随着应力 的 变化特征，提出将磁信号特征参量 作为评判构 件是否进入塑性阶段的依据. 并且采用了 ANSYS 有限元分析软件，进行地磁场下拉伸荷载的力磁 效应二维模拟，研究了 Q345 建筑用钢早期损伤和 金属磁记忆信号的相关关系，得到人工浅槽缺陷 试件在不同荷载下法向分量与梯度值的变化规 律，并将模拟结果与试验结果进行验证，证实了模 拟结果的可行性和可靠性. 文献 [13, 56] 从应变和 磁畴反转的角度入手，通过对 Q235 钢梁四点受弯 试验中应变与磁信号的变化曲线分析，提出了应 变与磁信号之间具有一定的相关关系. 建立了磁 信号平均值与应力之间的关系，定量化地研究了 磁记忆信号表征铁磁构件的损伤程度. 目前，现有 的磁记忆试验研究主要集中于钢构件的单轴拉 伸，对钢构件的受弯研究却很少. 而钢结构中梁板 等主要构件的受力均是以受弯和受剪为主，因此， 研究构件在受弯、受剪状态下的磁信号变化规律， 是将磁记忆检测技术应用于钢结构必不可少的 过程. 2.2.2    磁记忆检测技术在钢丝绳领域的试验研究 钢丝绳作为一种柔性承载构件，由多根钢丝 捻制而成，其承载强度高，过载及变形能力强，自 重轻，工作状态下噪声小，被广泛应用于煤矿、冶金、 建筑、石油等领域. 同时，钢丝绳在长期的工作下 还面临着磨损、断丝、锈蚀等损害情况，因此，对 钢丝绳的检测技术的研究势在必行. 文献 [57] 研 究了带缺陷钢丝绳单根钢丝受拉破坏时的磁记忆 信号变化规律全过程，由于钢丝加载方向和放置 方向均为竖向，这就不同于水平放置的铁磁材料 在地磁场作用下的力磁规律，不仅将磁记忆检测 (a) Hy 2 1 0 −1 −2 −40 −30 −20 −10 0 x/mm 10 20 30 40 b=8 mm d=1 mm y=2 mm a=2 mm a=5 mm a=10 mm a=20 mm Values divided by the peak values for a=10 mm (c) Hy 1.5 1.0 0.5 0 −1.0 −0.5 −1.5 −40 −30 −20 −10 0 x/mm 10 20 30 40 a=10 mm b=8 mm y=2 mm d=1 mm d=2 mm d=5 mm d=10 mm Values divided by the peak values for d=5 mm (d) Hy 4 3 2 1 0 −2 −1 −4 −3 −40 −30 −20 −10 0 x/mm 10 20 30 40 a=10 mm b=8 mm d=1 mm y=1 mm y=2 mm y=5 mm y=10 mm Values divided by the peak values for y=5 mm (b) Hy 1.0 0.5 0 −0.5 −1.0 −40 −30 −20 −10 0 x/mm 10 20 30 40 a=10 mm d=1 mm y=2 mm b=2 mm b=4 mm b=8 mm b=16 mm Values divided by the peak values for b=8 mm 图 4    理论模型预测不同因素对磁记忆信号法向分量的影响[51] . （a）缺陷长度；（b）缺陷宽度；（c）缺陷深度；（d）检测提离值 Fig.4    Influence of different factors on the normal components of magnetic memory signals[51] : (a) length of defects; (b) defect width; (c) defect depth; (d) lift-off value (a) (b) 图 5    Q345B 建筑钢板件拉伸断裂后形貌图[25] . （a）缺口试件；（b）光 滑试件 Fig.5     Morphologies  of  structural  steel  sheet  after  tensile  fracture[25] : (a) notched specimen; (b) smooth specimen 苏三庆等： 金属磁记忆检测技术研究新进展与关键问题 · 1563 ·

·1564 工程科学学报，第42卷，第12期 技术引人到钢丝绳领域，更有利于研究复杂力磁 验验证了所提方法的有效性和可行性.南京航空 环境下的磁信号规律.文献[23]同样以钢丝绳带 航天大学刘瑞等@研究设计一种带有两种检测模 缺陷的单根钢丝为试验研究对象，提出可将波峰 式的磁记忆检测系统，分析研究了两种检测方法 波谷差值曲线作为磁记忆检测技术应用于钢丝的 的临界使用条件，实现静态，动态测量 判别手段.文献[58]利用ANSYS有限元模拟软 2.2.4磁记忆检测技术在压力容器及压力管道方 件，对具有预制缺陷的50Mn钢丝绳分别进行静 面的试验研究 力场计算和受环境磁场及自身剩磁场共同作用下 压力容器的运行环境和使用材料具有高温高 的三维静磁场磁标量计算，并对其进行力-磁耦合 压、易燃易爆的特性，因此加强对压力容器的无损 分析，将试验结果和模拟结果进行对比，进一步证 检测也就变得尤为重要6！安徽省特种设备检测 明了金属磁记忆信号与有缺陷钢丝绳早期损伤的 院的张俊斌6]针对预制带有焊接缺陷管道进行检 内在联系规律.Su等基于传统的磁荷模型和 测，对检测信号采用向量叠加方法进行处理，进一 Jiles提出的力-磁本构模型，提出了一种新的应力 步得到裂纹缺陷信号特征，达到定量定性检测压 依赖性磁荷模型用来计算钢丝绳表面微缺陷处的 力管道焊缝裂纹缺陷目的.Shen等针对具有焊 磁记忆信号.通过对不同预制缺陷的单根钢丝绳 接伤痕的压力容器进行了金属磁记忆技术的检测 进行单轴拉伸试验研究分析，如图6所示，表明提 研究.Liu等6啊将金属磁记忆检测技术应用于油 出的该应力依赖性磁荷模型不仅能够很好地反应 井套管领域，验证了磁记忆检测技术能够有效地 钢丝绳表面缺陷周围法向磁记忆信号H,的变化规 判别油井套管的应力集中区域.Gog等s7对石油 律，而且也可用于钢丝绳表面磁记忆信号的数值 管道裂缝进行了磁记忆检测定量研究，提出采用 分析 回归分析模型来预测管道表面裂缝的长度、宽度 和深度，为金属磁记忆技术应用于管道裂缝的预 测提供了一种有效的方法 2.3工程应用 目前，国内外学者已在诸多工程领域开展了 金属磁记忆检测技术的应用研究.在国外，俄罗斯 学者Dubov等率先将金属磁记忆技术应用于热水 图6钢丝绳单根钢丝的磁记忆检测网 锅炉6、发电机护环等工程领域的现场检测； Fig6 Magnetic memory detection of single wire rope 波兰学者Roskose等o将磁记忆技术应用到动力 设备和机械设备的检测. 2.2.3磁记忆检测技术在高速铁路领域的试验研究 在国内，磁记忆检测技术已应用于电力（如汽 高速铁路是现代化的标志，在国家经济发展 轮机叶片四火力发电机组)、管道（如蒸汽发生 中起到了关键作用.高速列车车轮对在开行中承 器管道1、输油管道)、铁路（如无缝钢轨阿）、 受着越来越大的动荷载、静荷载、组装应力.在车 压力容器（如天然气储气瓶）、机械（如起重机轨 轮踏面、轮辋、轮辐及辐板孔附近容易出现局部 道m)、石油（如井下套管、钢丝绳）、汽车（如 应力集中和疲劳裂纹萌生，造成轮轨系统动力学 汽车曲轴连杆轴颈80)等各行业， 性能恶化，出现剧烈的振动、噪音.严重的甚至导 致车轮破碎，造成重大的安全事故.因此，检测高 3磁记忆检测技术的损伤评判 速列车轮对和轮轨的异常应力集中，预报轮对早 3.1应力集中 期故障具有重要的实际意义.为此，中国铁道科学 金属磁记忆检测技术主要用来诊断应力集中 研究院的范振中61对高铁中的常用材料U7IMn 发生的位置.磁偶极子模型理论认为，在漏磁场处 钢进行了拉伸试验，根据小波包不同空间能量谱 法向磁记忆信号过零点，切向磁记忆信号具有极 中能量的大小及分布判断试件的应力集中部位及 值现象，可以准确定位缺陷或应力集中位置8如 应力集中程度.江苏大学的张军等6通过自适应 图7所示，对以宽度变化为参变量的缺陷，可以利 阈值消噪提高磁记忆的信噪比，提出新的法向分 用切向分量极值大小来反应缺陷深度变化规律； 量相轨迹方法半定量评估高铁轮对的无应力集 对以深度变化为参变量的缺陷可以用法向分量的 中、弹性形变、塑性形变、断裂状态.最后通过实 峰谷差值和切向分量的峰值大小来定位缺陷深

Hy 技术引入到钢丝绳领域，更有利于研究复杂力磁 环境下的磁信号规律. 文献 [23] 同样以钢丝绳带 缺陷的单根钢丝为试验研究对象，提出可将波峰 波谷差值曲线作为磁记忆检测技术应用于钢丝的 判别手段. 文献 [58] 利用 ANSYS 有限元模拟软 件，对具有预制缺陷的 50Mn 钢丝绳分别进行静 力场计算和受环境磁场及自身剩磁场共同作用下 的三维静磁场磁标量计算，并对其进行力−磁耦合 分析，将试验结果和模拟结果进行对比，进一步证 明了金属磁记忆信号与有缺陷钢丝绳早期损伤的 内在联系规律. Su 等[59] 基于传统的磁荷模型和 Jiles 提出的力−磁本构模型，提出了一种新的应力 依赖性磁荷模型用来计算钢丝绳表面微缺陷处的 磁记忆信号. 通过对不同预制缺陷的单根钢丝绳 进行单轴拉伸试验研究分析，如图 6 所示，表明提 出的该应力依赖性磁荷模型不仅能够很好地反应 钢丝绳表面缺陷周围法向磁记忆信号 的变化规 律，而且也可用于钢丝绳表面磁记忆信号的数值 分析. 2.2.3    磁记忆检测技术在高速铁路领域的试验研究 高速铁路是现代化的标志，在国家经济发展 中起到了关键作用. 高速列车车轮对在开行中承 受着越来越大的动荷载、静荷载、组装应力. 在车 轮踏面、轮辋、轮辐及辐板孔附近容易出现局部 应力集中和疲劳裂纹萌生，造成轮轨系统动力学 性能恶化，出现剧烈的振动、噪音. 严重的甚至导 致车轮破碎，造成重大的安全事故. 因此，检测高 速列车轮对和轮轨的异常应力集中，预报轮对早 期故障具有重要的实际意义. 为此，中国铁道科学 研究院的范振中[60] 对高铁中的常用材料 U71Mn 钢进行了拉伸试验，根据小波包不同空间能量谱 中能量的大小及分布判断试件的应力集中部位及 应力集中程度. 江苏大学的张军等[61] 通过自适应 阈值消噪提高磁记忆的信噪比，提出新的法向分 量相轨迹方法半定量评估高铁轮对的无应力集 中、弹性形变、塑性形变、断裂状态. 最后通过实 验验证了所提方法的有效性和可行性. 南京航空 航天大学刘瑞等[62] 研究设计一种带有两种检测模 式的磁记忆检测系统，分析研究了两种检测方法 的临界使用条件，实现静态，动态测量. 2.2.4    磁记忆检测技术在压力容器及压力管道方 面的试验研究 压力容器的运行环境和使用材料具有高温高 压、易燃易爆的特性，因此加强对压力容器的无损 检测也就变得尤为重要[63] . 安徽省特种设备检测 院的张俊斌[64] 针对预制带有焊接缺陷管道进行检 测，对检测信号采用向量叠加方法进行处理，进一 步得到裂纹缺陷信号特征，达到定量定性检测压 力管道焊缝裂纹缺陷目的. Shen 等[65] 针对具有焊 接伤痕的压力容器进行了金属磁记忆技术的检测 研究. Liu 等[66] 将金属磁记忆检测技术应用于油 井套管领域，验证了磁记忆检测技术能够有效地 判别油井套管的应力集中区域. Gong 等[67] 对石油 管道裂缝进行了磁记忆检测定量研究，提出采用 回归分析模型来预测管道表面裂缝的长度、宽度 和深度，为金属磁记忆技术应用于管道裂缝的预 测提供了一种有效的方法. 2.3    工程应用 目前，国内外学者已在诸多工程领域开展了 金属磁记忆检测技术的应用研究. 在国外，俄罗斯 学者 Dubov 等率先将金属磁记忆技术应用于热水 锅炉[68]、发电机护环[69] 等工程领域的现场检测； 波兰学者 Roskose 等[70] 将磁记忆技术应用到动力 设备和机械设备的检测. 在国内，磁记忆检测技术已应用于电力（如汽 轮机叶片[71] ，火力发电机组[72] ）、管道（如蒸汽发生 器管道[73]、输油管道[74] ）、铁路（如无缝钢轨[75] ）、 压力容器（如天然气储气瓶[76] ）、机械（如起重机轨 道[77] ）、石油（如井下套管[78]、钢丝绳[79] ）、汽车（如 汽车曲轴连杆轴颈[80] ）等各行业. 3    磁记忆检测技术的损伤评判 3.1    应力集中 金属磁记忆检测技术主要用来诊断应力集中 发生的位置. 磁偶极子模型理论认为，在漏磁场处 法向磁记忆信号过零点，切向磁记忆信号具有极 值现象，可以准确定位缺陷或应力集中位置[81] . 如 图 7 所示，对以宽度变化为参变量的缺陷，可以利 用切向分量极值大小来反应缺陷深度变化规律； 对以深度变化为参变量的缺陷可以用法向分量的 峰谷差值和切向分量的峰值大小来定位缺陷深 图 6    钢丝绳单根钢丝的磁记忆检测[59] Fig.6    Magnetic memory detection of single wire rope[59] · 1564 · 工程科学学报，第 42 卷，第 12 期

苏三庆等：金属磁记忆检测技术研究新进展与关键问题 1565 100r (a) 160b) 80 140 60 b,=0.5mm 120 -b,=0.5mm 40 -b,=1.0mm -6=1.0 mm -6=1.5 mm 100 -6,=1.5 mm 20 80 0 60 -20 -40 20 -60 0 -80 -20 -1000-8-6 -4-20246810 40 10-8-6-4-20246810 x/mm x/mm 图7铁磁构件磁信号随缺陷宽度b变化规律（缺陷深度=1mm).(a)法向分量：(b)切向分量 Fig.7 Variation in magnetic signal of ferromagnetic component with defect width b(defect depth h=1 mm):(a)normal component;(b)tangential component 度.张静和周克印2，任吉林等)，和戴光等4的 Shi等oo的研究表明，在材料进入塑性阶段，法向 试验结果均表明磁记忆信号与铁磁构件的损伤有 磁场曲线的斜率仍旧随之增加.这些研究都聚焦 着明显的关系，可以用来检测铁磁材料的隐性损 于磁记忆信号的法向分量，究竟磁记忆信号的哪 伤.但是，并不是在所有的应力集中位置磁记忆信 一法向的分量与施加的外应力有着更加密切的相 号的法向分量都过零点，因此，仅仅考虑法向磁信 关性，对于这一问题仍1旧没有清晰的结论.Roskoze 号过零点来诊断应力集中位置是不完全准确的5-阿， 与Gawrilenkolo对铁磁材料表面3种不同的剩 尤其是在在线加载试验研究当中7针对此类问 磁场信号分量（垂直于加载方向的磁信号切向分 题，相关学者提出利用磁记忆信号评判应力集中 量H!,平行于加载方向的磁信号切向分量H2以及 位置的新方法.陈星等)认为法向磁信号曲线的 法向磁信号分量H,)进行测量，研究表明，相比其 最大值位置范围即为应力集中位置.张军与王彪 他2种磁信号分量，平行于加载方向的切向磁信 认为综合磁信号梯度值和峰-峰值可以用来确定 号与材料所处的应力水平有着很好的相关性，其 应力集中区域.陈海龙等0认为通过分析磁信号 研究结果与Wilson等1的研究结果一致.此外， 梯度张量模量和局部磁信号梯度波数分布特征可 Roskoze等IIo3-10阿提出.无论是在定性分析还是定 以确定材料应力集中位置 量分析上，残余应力磁场梯度值和分布都与残余 3.2应力状态 应力有着很好的相关性 目前的研究表明，铁磁材料表面的漏磁场强 3.3损伤评判参数 度可以用来表征应力状态.Su等则通过对Q345 近年来，针对金属磁记忆检测的损伤评判参 钢制成的有缺陷对接焊缝试件和无缺陷对接焊缝 数有着大量的研究.胡先龙与池永滨o和Dog等o7 试件进行单轴拉伸和三点受弯磁记忆检测试验， 研究发现磁场梯度K随着应力集中因子的增大而 研究表明，(1)在拉伸试验中，屈服阶段可由磁信 增大，磁场强度K能够用来表征铁磁材料表面的 号曲线形状（特征）进行判别；(2)在三点受弯试验 应力集中程度.Huang等o1提出法向磁信号梯度 中磁信号曲线发生反转现象能够成为评判试件是 最大值Kmax与平均磁信号梯度值Ka的比值可用来 否失效的标准；当光滑试件进行退火或退磁作用 定量描述应力集中程度.王威等基于金属磁记 后，材料表面的法向磁记忆信号沿着检测线呈线 忆检测技术对波纹直腹板桥钢箱梁进行弯曲试验，研 性分布，其斜率的变化可以被用来评判材料所处 究分析中引入磁信号特征参数K,(磁信号沿梁高方 的应力状态2-91.Dong等9，王丹等时，Guo等 向自上而下的变化率)，建立磁信号特征参数Kae 和Bao等-的试验结果也表明法向磁信号曲线 (磁信号平均变化率)，通过建立Ke-P(P为箱梁 的斜率在弹性阶段随着外加应力的增大而线性增 承受的集中荷载)之间的函数关系式来定量描述钢 大，在接近屈服极限状态时达到最大值，在塑性阶 箱梁腹板磁信号与荷载之间的对应关系.Bao等o1 段斜率下降.然而，与前述研究结果不同的是， 提出磁记忆检测新的损伤评判参数一磁集中因

度. 张静和周克印[82] ，任吉林等[83] ，和戴光等[84] 的 试验结果均表明磁记忆信号与铁磁构件的损伤有 着明显的关系，可以用来检测铁磁材料的隐性损 伤. 但是，并不是在所有的应力集中位置磁记忆信 号的法向分量都过零点. 因此，仅仅考虑法向磁信 号过零点来诊断应力集中位置是不完全准确的[85−86] ， 尤其是在在线加载试验研究当中[87] . 针对此类问 题，相关学者提出利用磁记忆信号评判应力集中 位置的新方法. 陈星等[88] 认为法向磁信号曲线的 最大值位置范围即为应力集中位置. 张军与王彪[89] 认为综合磁信号梯度值和峰−峰值可以用来确定 应力集中区域. 陈海龙等[90] 认为通过分析磁信号 梯度张量模量和局部磁信号梯度波数分布特征可 以确定材料应力集中位置. 3.2    应力状态 目前的研究表明，铁磁材料表面的漏磁场强 度可以用来表征应力状态. Su 等[91] 通过对 Q345 钢制成的有缺陷对接焊缝试件和无缺陷对接焊缝 试件进行单轴拉伸和三点受弯磁记忆检测试验， 研究表明，（1）在拉伸试验中，屈服阶段可由磁信 号曲线形状（特征）进行判别；（2）在三点受弯试验 中磁信号曲线发生反转现象能够成为评判试件是 否失效的标准；当光滑试件进行退火或退磁作用 后，材料表面的法向磁记忆信号沿着检测线呈线 性分布，其斜率的变化可以被用来评判材料所处 的应力状态[92−93] . Dong 等[94] ，王丹等[95] ，Guo 等[96] 和 Bao 等[97−99] 的试验结果也表明法向磁信号曲线 的斜率在弹性阶段随着外加应力的增大而线性增 大，在接近屈服极限状态时达到最大值，在塑性阶 段斜率下降. 然而，与前述研究结果不同的是， Hx1 Hx2 Hy Shi 等[100] 的研究表明，在材料进入塑性阶段，法向 磁场曲线的斜率仍旧随之增加. 这些研究都聚焦 于磁记忆信号的法向分量，究竟磁记忆信号的哪 一法向的分量与施加的外应力有着更加密切的相 关性，对于这一问题仍旧没有清晰的结论. Roskoze 与 Gawrilenko[101] 对铁磁材料表面 3 种不同的剩 磁场信号分量（垂直于加载方向的磁信号切向分 量 ，平行于加载方向的磁信号切向分量 以及 法向磁信号分量 ）进行测量，研究表明，相比其 他 2 种磁信号分量，平行于加载方向的切向磁信 号与材料所处的应力水平有着很好的相关性，其 研究结果与 Wilson 等[102] 的研究结果一致. 此外， Roskoze 等[103−105] 提出，无论是在定性分析还是定 量分析上，残余应力磁场梯度值和分布都与残余 应力有着很好的相关性. 3.3    损伤评判参数 Kmax Kstd Kh K ave h K ave h − P 近年来，针对金属磁记忆检测的损伤评判参 数有着大量的研究. 胡先龙与池永滨[106] 和Dong 等[107] 研究发现磁场梯度 K 随着应力集中因子的增大而 增大，磁场强度 K 能够用来表征铁磁材料表面的 应力集中程度. Huang 等[108] 提出法向磁信号梯度 最大值 与平均磁信号梯度值 的比值可用来 定量描述应力集中程度. 王威等[109] 基于金属磁记 忆检测技术对波纹直腹板桥钢箱梁进行弯曲试验，研 究分析中引入磁信号特征参数 （磁信号沿梁高方 向自上而下的变化率），建立磁信号特征参数 （磁信号平均变化率），通过建立 （P 为箱梁 承受的集中荷载）之间的函数关系式来定量描述钢 箱梁腹板磁信号与荷载之间的对应关系. Bao 等[110] 提出磁记忆检测新的损伤评判参数——磁集中因 100 (a) b1=0.5 mm b2=1.0 mm b3=1.5 mm b1=0.5 mm b2=1.0 mm b3=1.5 mm 80 60 40 20 0 −20 −40 −60 −80 −100 −10 −8 −6 −4 −2 0 2 x/mm 4 6 10 8 Hy/(A·m−1 ) 100 (b) 80 60 160 140 120 40 20 0 −20 −40 −10 −8 −6 −4 −2 0 2 x/mm 4 6 10 8 Hy/(A·m−1 ) 图 7    铁磁构件磁信号随缺陷宽度 b 变化规律（缺陷深度 h=1 mm）. （a）法向分量；（b）切向分量 Fig.7    Variation in magnetic signal of ferromagnetic component with defect width b (defect depth h = 1 mm): (a) normal component; (b) tangential component 苏三庆等： 金属磁记忆检测技术研究新进展与关键问题 · 1565 ·