关于铁磁材料的磁声发射的研究

D0I:10.13374/j.issm1001-053x.1985.02.008 北京钢铁学院学报 1985年第2期 关于铁磁材料的磁声发射的研究* 物理教研节 穆向荣 张秀林 摘 要 铁磁材料的磁畴不连续运动产生声发射，该类声发射与材材的磁滞伸缩效应有关，称之谓磁声发射(1 gne tomecnical AcoustiC Emission),简称MAE,磁声发射作为无损检测的方法，较之于x射线，声表面法等有其突 出的优点，C成为正在发展的一项新技术，本文主要研究含碳量不同的铁钢材料和含镍量不同的铁镍合金的磁声 发射特征，讨论磁声发射对磁场和村料的化学成分，应力状态，塑性变形，微观结构的依赖关系，并根据声发射和 铁磁学理论提出了磁声发射产生的机制模型，对实验结果作了较详细地分析， 一、前 言 声发射(A)乃是由于材料受到外界作用，材料内部存在某些缺陷，产生能量释放而 发出的一种应力脉冲。材料内部的位错结、位错断裂、位错间作用、李晶，相变等皆可构成 声发射的源。声发射的特征与源的类型和过程进行的速率息息相关。因此声发射获得的信息 是材料内部微观运动的动态反映。 本文所研究的磁声发射(MAE)是铁磁材料的磁畴和畴壁的不连续运动引起的。与其 他类型的声发射相比，磁声发射发展较迟。首先美国人Lor发现镍在磁化过程产生声发 射，且声发射数随磁场急剧增加口。Kusangii证明了该类声发射与应力有关(2)。Hi一 ggens等研究了纯铁晶体在弹性拉伸过程产生的声发射3]，并根据内耗及弹性模量的变 化，揭示出这种声发射是由于应力负载使磁畴再分布而引起的。后来在硅铁等铁磁材料中也 发现了这种应力效应【4)。这项发现使得MAE有可能用来作为残余应力的无损检测。近年来 K.Ono和M.Shibata对纯铁和钢的磁声发射MAE,作了较系统地研究r5r6,并在压力 容器，焊接钢板，铁轨以及重型武器装备上作了应力分布的检测，对MAE的实际应用进行 了有益的探索。 据目前的研究认为，磁声发射MAE是与巴克豪森效应(Barkhausen Noise)相对应 的8)。巴氏效应是由于畴壁的不连续运动引起的电应脉冲，而MAE则是视为巴氏效的力 学效应。进一步研究MAE与巴氏效应间的联系和规律是今后探索的重要课题。 我们在研究Fe-Ni合金的MAE的同时，测量了磁弹性内耗，结果表明两者有相似的 机制和变化规律，将两者联系起来为研究磁性材料的微观结构提供了新的有效方法。本文专 门讨论铁磁材料的磁声发射，有关磁弹性内耗部分我们将在另一篇论文中叙述[9] 毒物80届学生陈践和吴心峰参了本实工， 80

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年 第 期 ， 翩 勺 旧沪 曰 一喃 一 一 ‘ 甲 ‘ 一 曰 明口 一一 一 一 一一一 一 一— 一一一一 一 一— 面 一— — — — 一 一 一 一 — 一 一 — — 一 一 一 一 — 一 一 一 一 一 一 一 关于铁磁材料的磁声发射的研究 ‘ 物 理教 研 室 穆 向荣 张 秀 林 摘 要 铁 磁 材 料的磁 畴不连续运动产生声发射 ， 该类声发射与材材的磁滞伸缩效应有关 称之谓磁声发 射 从 万 。 。 一 。 。 至。 。 ， 简称 。 磁声发 射作为无损检测 的方法 ， 较之 于 射线 ， 声表面 法等有其突 出的优点 成 为正 在发展的一项新技术 本文 主要研究含碳量不同 的铁钢 材料和含镍量不同的铁镍合 金的磁声 发射恃征 ， 讨论磁声发射对磁场和 材料的化学成分 、 应力状态 、 塑性变形 、 微观结构的依赖关系 ， 并根据声发射 和 铁磁学理 论提出了磁声发射产生的机制模型 对实验结果 作了 较详细 地分析 前 ，之一 曰 声发射 乃是 由于材料受到外界作 用 ， 材料 内部 存在某些 缺 陷 ， 产生能量释放 而 发 出的一种 应力脉 冲 。 材料 内部 的位错 结 、 位错断裂 、 位错 间作 用 、 孪晶 ， 相 变等皆可构 成 声发射的源 。 声发射的特征 与源 的类 型和过 程进行 的速率 息 息相关 。 因此声发射获得的信息 是 材料内部 微观运 动的动态 反映 。 本文所研 究的磁声发射 是 铁磁材料的磁畴 和畴 壁 的不连续运 动引起 的 。 与其 他类 型 的声发射相 比 ， 磁声 发射发展较 迟 。 首先 美国人 发现镍 在磁 化过 程 产 生 声 发 射 ， 且声发射数随 磁 场急剧增 加 〔 ‘ 〕 。 证 明了该 类声发射与应力有 关 ‘ “ ’ 。 一 等研 究了纯铁 晶体 在弹性拉 伸过 程 产生 的声发射 〔 ” ’ ， 并 根 据 内耗及 弹性模量 的变 化 ， 揭示 出这种声 发射是 由于应力 负载使磁畴 再分 布而 引起 的 。 后 来 在硅铁等铁磁材料 中也 发 现 了这种应力效应 〔 ’ 。 这 项发现使得 有可能 用来作为残余应力的无损检测 。 近年来 和 七 对 纯铁和钢 的 磁声 发 射 ， 作 了较 系统地研究 〔 ” 」「“ “ ， 并 在 压 力 容 器 ， 焊接钢 板 ， 铁轨 以 及重 型武 器装备 匕作 了应力分 布的检测 ， 对 的实际应 用进 行 了有益 的探 索 。 据 目前的研 究认 为 ， 磁声发射 是 与 巴克豪森效 应 相 对应 的 ‘ “ ’ 。 巴 氏效 应是 由于畴 壁 的不连续运动 引起 的电应脉 冲 ， 而 则是视 为 巴 氏 效 的 力 学效 应 。 进一 步研 究 与 巴 氏效 应 间的联 系和 规律是今后探索 的重 要课 题 。 我 们 在研究 一 合金 的 的 同时 ， 测量 了磁 弹性 内耗 ， 结果表 明两者 有相 似 的 机制和变化规律 ， 将 两者联 系起 来为研 究磁性材料的微观结 构提供 了新 的有效 方法 。 本文 专 门讨论铁磁材料的磁 声发射 ， 有关 磁弹性 内耗部分我们将在另一篇论文 中叙 述 〔 “ 〕 物 届 学生 陈践和 吴 少峰参 加 了 本实 脸工 作 ， DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．1985．02．008

二、实验方法 实验所用的材料为普通钢和Fe-Ni合金。钢的含碳量分别为0.22%（低碳钢）、0.31% (中碳钢)0.8%（高碳钢）和1.1%(T10的高碳钢)。材料事先进行退火处理，在保护气氛中 加热1123~1183°C保温1小时。试验样品加工成圆柱形标准拉伸试样，直径为7毫米，长43毫 米，夹头直径16毫米，总长125毫米。试样两端留有铣槽，用来偶合换能器的探头。整个试样 要求一定光洁度，特别是铣槽部分要尽量光滑平整。 ·实验的原理如图1。磁化的外磁场是由螺线管线圈提供的。线圈长44.6毫米，内径31.5 毫米，外径46.5毫米，总匝数627匝，线圈通以50周交流电，电压由变压器调整。中心交处 变磁场的有效值为10.6I(KA/),其中I的单位为安培。样品的长度大于线圈的长度，有 退磁效应存在，不过这对给定几何形状下测量的相对值来说，并不重要。 ☒ ☒ 图1MAE实验装置试意图 1—一磁化线圈 2一—一铁磁材料的试验样品 3一换能器探头 4—一前置放大器 5一SF-Oz双通道声发射综合参数测试仪。它包括滤波器(6)，主放大器(7)和 声发射计数显示器(8)。 9一50Hz交流电源。10一NDF-1型高频微伏表 11一示波器 12-一一拉伸试验装置。 实验中样品经磁化产生的MAE信号，通过偶合在样品上的换能器探头接收，再经前置 放大，滤波、主放大，最后由高频微伏表测得信号的有效电压，或通过声发射仪测出声发射数。 示波器可观察信号的波形，还可用x一y记录仪记录信号随磁场，应力和应变的变化曲线。 实验过程整个系统的放大倍数选定85dB。探头的共振频率130KHz。 三、实验结果 1,磁场对EAM的影响 图2表示的为试样在无外力作用时，示波器上观察到的信号波形。 MAE信号随磁场H的变化如图3所示。可以看到，各样品的MAE皆随磁场而增强，逐 81

二 、 实验方法 实验所 用的材料为普通钢和 一 合金 。 钢 的含碳 量分别为 低碳锅 、 。 中碳钢 高碳钢 和 的高碳钢 。 材料事先进行退火处 理 ， 在保护气氛中 加热 一 “ 保温 小时 。 试验样 品加工 成圆柱形标准拉伸试样 ， 直径 为 毫米 ， 长 毫 米 ， 夹头直径 毫米 ， 总 长 毫米 。 试样两端 留有铣槽 ， 用来偶 合换能 器的探头 。 整个试样 要 求一定 光 洁 度 ， 特别是铣槽部 分要尽量 光滑平整 。 卖验的原 理如 图 。 磁化 的外 磁场是 由螺线管线 圈提供的 。 线 圈长 毫 米 ， 内 径 毫米 ， 外径 毫米 ， 总 匝数 匝 ， 线 圈通 以 周交流电 ， 电压 由变 压器调 整 。 中心 交 处 变 磁场 的有效 值为 ， 其中 的单位为安 培 。 样 品的长 度大于线 圈的长度 ， 有 退磁效应存在 ， 不过 这对给定几何形状下测量 的相 对值来说 ， 并不 重要 。 图 实验装置试 意 图 — 磁化 线 圈 — 铁磁材料 的试验 样 品 —换能器探 头 — 前置 放大器 — 一 双通道声发射综 合 参数测试仪 。 它 包括滤波器 ， 主放 大 器 和 声发射 计数显示 器 。 — 交 流 电源 。 — 一 型高频 微伏表 — 示 波 器 — 拉伸试验 装置 。 实验 中样 品经 磁化 产生 的 信号 ， 通过 偶合在样 品上 的换 能 器探 头接收 ， 再经 前置 放大 ， 滤波 、 主放 大 ， 最后 由高频微伏表 测得信号的有效 电压 ，或通过 声 发射仪测出声发射数 。 示波器可观察信号的波 形 ， 还可 用 一 记录仪 记录信号随磁场 ， 应 力和应变 的变化 曲线 。 实验过 程整个 系 统 的放大 倍数选定 。 探头 的共 振频率 。 三 、 实验结果 ， 磁场对 的影 响 图 表 示 的为试样在无外力作用时 ， 示 波 器上观察到 的信号波形 。 信 号随磁 场 的变化如图 所示 。 可 以看 到 ， 各样 品的 皆随磁场而 增 强 ， 逐

(a)铜 (b)高碳钢 （c)中碳钢 (d)低碳钢 图2铁磁材料的MAE信号 渐趋于饱和，其饱和值依赖于材料的化学成分。 合碳量为0.2%左右的低碳钢的MAE强度最 低碳钢 大.随含碳量的升高，MAE随之减弱.当MAE 达到饱和后，减弱磁场H,可观寨到滞后现象 中碳解 (图4) 60 高联钢 图5显示的是1秒内的声发射数随磁场的变 化。很明显，声发射数随H急剧增加，这和 50 =A 1ord在镍棒的直流磁化过程观察到的结果是 高碳钢(T10) 一致的。另外，在给定门槛电压(0.1伏)条 件下，各样品产生声发射所需的磁场数值差异 很大。低碳钢约为2.5KA/m,而T10的高碳钢 则为10KA/m。这从另一侧面反映了钢的 MAE随含碳量而变化的难易程度 5 10 20 外如磁场H(kA/m） 图3铁磁材料的MAE 80 80 低碳潮 低 钢 中碳锅 60 高酿钢 50 50叶 9 A)3YW 40 高碳锅(T10) 30 30 2叶 4 10 15 10 6 20 外加磁场H(KA/m) 外险H(KA/m) 图4MA下的碰滞后效应 图5MAF的声发射款 82

铜 。 高碳钢 ‘ 中被钢 图 铁磁材料 的 卫信号 低碳钢 低碳钢 口 一 ， 中破钢 城 一 珑一 书一 一 高 一碳钢一 笋肠 ‘ 一 ‘一 口 ， 吞曰 公 舀一 一 一 ， 自 、 洲尸 尚砚朋戈工工 ， 渐趋 于饱 和 其饱和值依赖于材料的化学成分 。 合碳量 为 左右的低碳钢的 ’ 强 度 最 大 随含 碳 量的升高 ， 随之减弱 当 达到饱和后 ， 减弱磁场 ，可 观察到 滞后 现 象 图 图 显示 的是 秒 内的声发射数随磁 场 的变 化 。 很 明显 ， 声发 射数随 急 剧 增 加 ， 这 和 在镍棒的直流磁化过 程观察到的 结 果 是 一致 的 。 另外 ， 在 给定门槛电 压 伏 条 件下 ， 各样 品产生 声发射所需的磁场数值差异 很 大 。 低碳钢约为 ， 而 的高 碳 钢 则 为 。 这 从另一侧面 反 映 了 钢 的 随含 碳量 而变化的难易程 度 咧的劝们 劝加 碱卜目万‘ 外加 进场 ， 图 铁磁材 料的 俄钠高︵葵 碳俐中 ， 低碳钢 ﹃州训勿和创 、 ， 卜卜、 ‘ 犷 尹尹赢 尹赢下 口叼‘吸几巧甘︺八甘 国芝八叫古 外加姆场 ‘ 人 也 认了 ‘ 州助 ，山 喇 户， 几声 外加磁场 人 图 代的 磁滞后效应 阳 的声发射稚

90 90 中碳钢 高碳钢 70 10MPa s 70外 0 OMP& 60 0一0一0一0 50 150M1Pa 150M Pa 40 40t 6-4—A- 240MPa 240M Pa 30 30 20 20 10 15 5 10 15 20 外如磁场(KA/m) 外加磁场(KA/) 图6不同应力下的MAF 中心叛率130KH: 70 中心饿率130KH: 总放大倍数85dB 总放大倍数85dD 60 60 A日 中碳钢 50 高碳钢 50 H=14K A/m A)3VW H=14KA/m 40 40 0 H=5.5KA/m H=5.5KA/m 30 40 80120160200240 4080120160.200,240 外加应力p(MP),一云· 外m应力c(MPa) 图7应力对MAE的影响和应力滞后效应 2.外加应力对MAE的影响 有关应力、应变对MAE的影响试验是在材料试验机上，按标准拉伸方式进行，。国6给 出g=0,150MPa,240Mpa三个应力水平下MAE。显然是由于应力的存在，Vr~H曲 83

中破钢 吕 高碳钢 ， ‘ 口 。 一 ，臼 。 洲产 ‘ 一 。 吕 日 户口口 荟凶︶‘ 护沪 ， 一 一 入 合 一 ‘ 一 洲 一 甘 一 赞 一 舀一石一 返 “ 、 尸 办一 一 减 一 城 ‘ 户 一 一 矿 ，黝印 汽卜国目﹄‘ 留 钾峨 外加成场 长 瓜 》 外加磁场 人 图 不 同应力下 的 梦 丫 中心频率 总放大倍数 戈 中心频率 三 ， 总放大 倍数 分 ‘ 卜国︵袱荟︶亡 乞 高 碳钢 盛 二 喊二念 ， 、户了。 、 ‘ 荟必 、 外加应力口 幻 ‘ 、 、 才 一 外加司 兰 ‘ 图 应力对 的影响和应 力滞后效应 外加应力对 的影响 有关 应力 、 应变对 的影响试验是在材料试验机上 ， 按标准拉伸 方式进行 。 周 给 出 口 ， ， 三个 应力水平 下 。 显然是 由于应 力的存在 ， 一 曲 吕

线的形状发生了变化，饱和值明显下降。而且应力从0至150Mpa,MAE变化强烈，而150~ 240Mpa范围内，下降就不那么显著了。图7表示在给定磁场H=5.5KA/m和H=14KA/m 的条件下，测得的MAE随应力的变化。在外加应力较小时，MAE的强度降低较快，随着 外应力的进一步增大，MAE的变化趋于平缓。这与图5的变化趋势是一致的。这表明应力 阻碍磁畴和畴壁的运动，当应力增大一定程度这种阻碍作用就受到了一定限制。 实验还观察到MAE的应力滞后效应。 中心叛率130KH, 70 总放大倍数85dB 3.塑性变形对MAE的影响 H=14KA/m 令样品在试验机上缓慢拉伸，在一定变形条件下测 E,=0 量MAE随应力的变化，即得如图8所示的曲线。倘若 中豪铜 固定磁场的数值(H=14KA/m)研究MAE随塑形变 形，变化，则得到如图9所示的曲线。结果表明对低 碳钢，Vr开始随e减少，在ep=1.0%左右达到最小 值，然后又开始增大，在形变达到ep=5%时出现极 大值的峰，随后Vr又连续下降。在低磁场也有类变似的 变化，不过峰值较低。从图看出中碳钢的MAE对塑性变 形的依赖关系与低碳钢有所不同。在高磁场下，形变 市01016020240 初期Vr升高，在ep=0.8%左右达到极大值，之后连续 保持下降的趋势。在低磁场下峰无值出现，一开始就下 图8有塑性变形时MAE随应力的变化 降。 H=14KA/m 中碳解 60 H=5.5K A/m 50 低碳钢 3 H=14KA/m 40 50 H=5.5K A/m 30 681012 显性变形e,(%)7 塑性变形e,(%) 图9MAE随塑性变形的变化

线的形状发 生 了变化 ， 饱 和值明显下降 。 而 且应力从。 至 ， 变化强烈 ， 而 范围 内 ， 下 降就不 那 么显著 了 。 图 表 示 在给定 磁场 二 和 二 的 条件下 ， 测得 的 随应 力的变化 。 在外 加 应力较小 时 ， 的强 度降低较快 ， 随 着 外应力的进一 步增大 ， 的变化趋于平缓 。 这 与图 的变化趋势是一 致 的 。 这表 明应 力 阻碍 磁畴和畴壁 的运动 ， 当应力增大一 定 程 度这 种阻碍 作 用 就受到 了一定 限制 。 实验还观察到 的 应力滞后效 应 。 中心倾率 ， 井 总欣大倍撤弱 二 盛 ， “ 中砍祝 “ ” 。 · 卫丽 一 丽 丽二二 有塑 性变形时 随应力 的变化 塑 性变形对 的影响 令样 品在试验机上缓慢拉伸 ， 在一定变形 条件下测 量 随应 力的变化 ， 即得如图 所示 的 曲线 。 倘 若 固定磁场 的数值 研究 随塑 形 变 形。 变化 ， 则得到如图 所示 的曲线 。 结果表 明 对 低 碳钢 ， 开始随 。 减少 ， 在。 左右 达 到 最 小 值 ， 然后 又 开始增大 ， 在形变达 到。 二 时 出 现 极 大值的峰 ， 随后 又连续下降 。 在低磁 场也有类变似的 变化 ， 不过峰值较低 。 从图看出中碳钢的 对塑 性变 形 的 依赖关 系 与 低碳钢 有所不 同 。 在高磁场下 ， 形 变 初 期 升 高 ， 在“ 。 左右达到极大 值 ， 之后 连续 保持 下降 的趋势 。 在低磁场下 峰无值出现 ， 一 开始就下 降 。 几甘 不图 ， ︺ ‘ 、 叶 沪儿尸叼汽乏冈卜荟 ‘一叮 丫丫 。， 入 “ 飞 是 人 众尾沈 谈 布 “ 在 、 通 飞 ’ 百 一 里性变形。 。 ‘ 了 塑性变形。 ， 图 随塑性变形 的变化

由此看来，塑性场对MAE的影响受到磁场、应力、化学成分诸因素的制约，函数关系数较 复杂。尽管如此，倘若确定了标准条件，仍然有可能区别和量度材料的变形行为，确定冷加 工的量，为无损检测提供一个新的试验方法。 4.微观结构对MAE的影响 120 热处理可以改变钢的微观结构，因而影响 低腺钢(0.226)回火 MAE的特征。图10表示了低碳钢经退火、谇 100 退火 火、回火等热处理工艺后，其MAE的变化。 80N 在1123°C保温1小时下退火，其组织均匀，内之 60 应力较小，故MAE较高。淬火是在900°C,保 温30分钟，然后水淬。在此过程材料由高温下 0 淬火 奥氏体（面心立方体）结构转变为体心立方体 20 或体心正方马氏体结构，两者比容不同，造成体 积膨胀不均匀，引起强烈的内应力，磁畴运动 5 15 受阻碍，从而导致MAE减弱，仅为原退火状 外加磁场H(KA/m) 态的2/5左右。淬火后再高温回火，加热600°C 图10热处理工艺对MAE的影响 保温一小时，随炉冷到400°C,再空冷，其MAE值基本上恢复或略高于退火状态，这是因 为回火过程马氏体分解，进行重新结晶，内应力消除，有利于磁畴和畴壁的运动。类似的 效应在中碳钢，高碳钢也观察到。基于此，MAE可用于确定材料的微观组织变化，区分热 处理工艺。 5.铁镰合金的MAE 研究Fe-Ni合金的所用材料型号为1J34,1J40,1J51,1J67,1J79,1J85的薄带，其尺寸 为厚0.05mm,宽15mm,材料分为热处理的和未热处理的。实验装置基本与图1所示的相 同。不过图中声发射仪改用SF一O1型，总放大倍数95dB,该系统的灵敏度与SF-O2型大 体一致。为适应薄带的测量，磁化线圈改为长螺线管，长19.53厘米，直径4.35厘米总匝数 280匝。中心处有效磁场为140I(A/m),其中I的单位为安培。 鉴于Fe-Ni合金的MAE信号较弱，对微伏表测得的有效电压进行校正。实验中微伏 表的指示数Vr包含了噪音信号电压Vo和实际信号电压Vπ，两部分信号相互独立，故Vr= V0+Tr,即 V:=VV:-V: 该部分MAE信号皆用校正后V,来表示。 实验表明，Fe一N的MAE也是化学成分，应力、应变、微观组织的函数，与钢相 比，有相同之处，也有差异。图11所示为几种Fe-Ni合金的MAE随H的变化曲线。显然， MAE也随H而增强，渐趋于饱和。其饱和值依懒于Ni含量，其中1J51最强，其次是1J40, J34,1J67,信号最弱的属1J79,1J85。而在低磁场下1J51的MAE最弱，1J40最强。这种 变化是合金的磁学性质决定的。1J51具有矩形磁滞回线，所以磁化初期MAD相应为弱。根据 实验结果可画出MAE随Ni含量的变化曲线，如图12，可以看到MAE对Ni的依赖与磁致伸 缩系数有很好的对应关系。 85

由此看来 ， 塑性 场对 的影响 受到磁场 、 应力 、 化学成分诸 因素的制约 ， 函数关 系数较 复杂 。 尽管如 此 ， 倘若确定 了标准条件 ， 仍 然 有可 能 区 别和量 度材料 的变形 行为 ， 确定冷 加 工 的量 ， 为 无 损检 测提供一个新 的试验方法 。 『 一 自 川的加 月芝任卜‘‘ 微 观结构对 的影 响 热 处 理 可以改 变钢 的微观结 构 ， 因而影 响 的特征 。 图 表示 了低碳 钢经 退 火 、 淬 火 、 回 火等热 处 理 工艺后 ， 其 的 变 化 。 在 保温 小 时下退火 ， 其组 织 均 匀 ， 内 应 力较小 ， 故 较高 。 淬火是在 “ ， 保 温 分 钟 ， 然后水淬 。 在此过程 材 料 由高温 下 奥氏体 面心 立方 体 结构 转变为体心 立方体 或 体心 正方马 氏体 结 构 ， 两 者比霖木同 ， 造 成体 积 膨 胀不均 匀 ， 引起强烈 的 内应 力 ， 磁畴 运 动 受阻碍 ， 从而导 致 减 弱 ， 仅为原 退 火 状 态 的 左右 。 淬火后 再高温 回火 ， 加热 。 “ 低 碳钢 乡幻 回 火 ‘ ，曰匕 ‘ 二二山 一 外加磁场 图 热处 理 工 艺对 的影响 保温一小时 ， 随 炉冷到 ” ， 再空冷 ， 其 值基 本上 恢复或 略高于退火状态 ， 这是 因 为回火过 程马 氏体分解 ， 进行重新 结 晶 ， 内应力消除 ， 有利于磁 畴 和畴 壁 的运动 。 类 似 的 效 应在 中碳钢 ， 高碳钢也观察到 。 ’ 基 于此 ， 可 用 于确定材料的微 观组 织变化 ， 区 分 热 处 理 工 艺 。 铁镍合金的 研 究 一 合金 的所 用材料 型号为 ， ， ， ， ， ， 的薄带 ， 其尺寸 为厚 ， 宽 ， 材料分 为热 处 理 的和 未热处 理 的 。 实验装置基本 与图 所示 的 相 同 。 不过 图 中声发 射 仪改 用 一 型 ， 总放 大 倍数 ， 该系统 的灵敏度与 一 型 大 体一 致 。 为适 应薄带 的测量 ， 磁化线 圈改 为长螺线管 ， 长 厘米 ， 直径 厘米 总匝 数 匝 。 中心处有效 磁场 为 ， 其中 的单位 为 安 培 。 鉴 于 一 合金 的 信号较 弱 ， 对微 伏表 测 得 的有效 电压进 行校 正 。 实 验 中 微 伏 表 的指示 数 包含 了噪 音信 号电压 。 和 实际信 号 电压节 ， 两部分信 号相 互独 立 ， 故 ’ ， 即 票 斌 早一 二 该部 分 信 号皆 用 校 正后 来 表 示 。 实验表 明 ， 一 的 也是化学成分 ， 应 力 、 应变 、 微 观组 织 的 函 数 ， 与 钢 相 比 ， 有相 同之处 ， 也有差异 。 图 所示为 几种 一 合金 的 随 的变化 曲线 。 显然 ， 也随 而 增强 ， 渐趋于饱和 。 其饱 和 值 依赖 于 含 览 ， 其 中 最强 ， 其次是 ， ， · ， 信号最弱的 属 ， 。 而 在低 磁 场下 的 最 弱 ， 最 强 。 这 科 ， 变化 是 合金 的磁学性 质决定 的 。 具 有矩形磁 滞回 线 ， 所 以磁化初期 相 应为弱 。 根据 实验 结果可 画 出 随 含量的变 化 曲线 ， 如 图 ， 可 以看到 对 的 依赖 与磁 致 伸 缩系数有很好 的对应关 系

测定Fe-Ni合金的MAE受应力的制约，是用自制的拉伸装置。结果显示，应力也使 Fe-Ni合金的MAE降低（图13） 研究微观组织对MAE的影响，所采用的热处理工艺由生产要求制定的，象1J34,在Hz保 护下加热至1000°C保温1小时，缓冷至600°C,再快冷至250°C出炉。有的如1J40还应用磁 场热处理工艺。我们用扫描电镜研究了材料热处理前后的组织变化，象1J34,1J51这类合金 具有品体和磁畴织构因而具有矩形磁滞回线。图14显示热处理引起的微观结构变化对MAE 的强烈影响。在低磁场下热处理使MAE大大增强，而在高磁场下热处理后的信号强。MAE 依赖热处理工艺的变化，类似于该合金磁化曲线随热处理的变化。 12 1J51 (话) 12 140 8 1J34 1J87 20×10 10 10 20 0 20 Fe 60 80 .681012 14 sH(A/m×102) 图11Fc一Ni合金的MAP 图12MAE和入随Ni含量的变化 1J51 未热处理 0=0 o=5MPa 2J34 12 △g=7.5MPa 6 ()W 已热处 未热处理 81012 14 H(Aim102) H(A/m×10) 图13应力对Pe一Ni合金的MA:的影响 图14一1 6

测定 一 合金的 它受应力的制约 ， 是用 自制的拉伸装置 。 结果显示 ， 应 力 也 使 一 合金 的 降低 图 研 究微观组 织对 的影响 ， 所采用的热处 理工艺 由生 产要求 制定的 ， 象 ，在 保 护下加热至 保温 小时 ， 缓冷至 ， 再快冷 至 出炉 。 有的如 还应 用磁 场热处 理工艺 。 我 们用 扫描 电镜研究了材料热处 理 前后 的组 织变化 ，象 ， 这类合金 具有晶体和 磁畴 织构 因而具 有矩形磁 滞回线 。 图 显示热 处理 引起的微观结构变化对 的强烈影响 。 在低磁场 下热处 理 使 大大 增强 ，而 在高磁场 下热处理后 的信号强 。 依赖热处理 工艺的变化 ， 类似于该合金 磁化 曲线随热处 理 的变化 。 ，乏 ， 、 谷 、 以，址 洲卜入司 犷 、 产 、 一 习 、幕令欠国碱万︵极裁备权 芝闰川卜，沪￡， 、 ‘ 一 挤 ︸ 挂八甘︵ 八卜属闪叫︶卜‘二 透 吸 ‘ 吕 图 一 合金的 图 人 和知随 、含量 的变 化 卜八已 · ﹄‘ 匕闯署阅 未热处理 只 口 二 “ △ 心 产碑 曰 ‘ 洲产 ， 口 汤尸‘ 一‘ 一 侧岑翻‘﹄ ‘ 一 吕 一 ’ 一 图 应力对 一阴 合 金 的 的影 响 代 人 瓜 入 工。 “ 图 一

1J67 1J51 ×未热处理 ×未热处理·已热处理 ·已热处理 日℃ YW 4 ： 0 2 8 1012 10 H(A/m×10) H(A/mx101) 图14热处理对ke一Ni合金的MAE的影响 四、讨 论 目前的研究虽已确认磁声发射是由磁畴和畴壁的运动引起的，然而都未给出具体确切的 模型，在这部分我们根据磁学和声发射理论，试图提出一个MAE源模型。 众所周知，铁磁物质由于磁品各向异性，呈现磁滞伸缩效应。设入。为饱和磁致伸缩系 数，20为磁场成8角的方向上磁滞伸缩系数。根据铁磁学理论，【10对多晶体的铁磁材料 0=88(e0s20-) 2&为8的函数。依照入s<0(正磁滞伸缩材料)或s<0（负的磁滞伸缩材料)，在磁场 方向取正的最大或负的最大、呈现伸长或缩短，在铁磁材料内部已自发饱和的磁畴，在其 自发磁化的方向也呈现伸长或缩短。然而对未磁化的宏观物体，因各磁畴的磁矩无规则排列， 故并没有哪个方向有明显的磁致伸缩。当材料在磁场作用下磁化时各磁畴的磁矩趋磁方 向，即有磁致伸缩，必伴随有磁应变或应力的释放，故激发出磁声发射的信号来。 以90°畴壁的不可逆位移来分析，磁化时通过畴壁的位移，两相邻磁畴的体积变化，接 近磁场的磁畴扩矿大，磁矩方向偏离磁场的磁畴缩小。两畴（相差90°)的磁滞伸缩系数不同， 因此，两畴的体积变化必导致磁应变的产生。另外畴壁位移并不是连续的，而是随磁场从一 个能量最小值积累到一定程度，突然跳跃至下一个能量的最小值。每一次跳跃定有相应的应 力脉冲释放。显然，材料的磁滞伸缩系数愈大，每次跳跃的能量差值愈大，跳跃愈迅速，则 应力和弹性能释放愈多，MAE信号愈强。 而180°畴略的不可逆位移，由于两相邻磁畴方向成180°，磁滞伸缩系数相同，所以在壁 移过程尽管两畴的体积变化，但并无磁应变产生，故无应力释放，当然也就无AMF信号 了。这点与巴克豪森效应是不同的。 由此可见，MAE是材料的磁滞伸缩引起的磁应变相联系的。可以予料，MAE与磁应 87

翻 口 甲二 篇 未热处理 巳热 处理 来热处理 · 已热处理 三 昌叫闰︶ 子 ’ ‘ 一 ‘ 一 ’ 一 厂一 ， 书介白︸ 荟国碱︸三卜 ‘ 色 基‘ 白 ‘ 舍 一 魂 瓜 图 热处理 对价一州 合 金 的 仁的影响 四 、 讨 论 目前的研究虽已确认磁 声 发射是 由磁 畴和 畴 壁 的 运动 引起的 ， 然而都未给 出具体确 切的 模型 ， 在这部分我们根据 磁学 和 声发 射理论 ， 试 图提 出一个 源 模 型 。 众所 周知 ， 铁磁物 质 由于磁 晶各 向异性 ， 呈 现磁 滞伸缩 效 应 。 设入 。 为饱 和磁 致伸 缩 系 数 ， 久沙为磁 场 成吞角的方 向 上磁 滞伸缩 系数 。 根据 铁磁 学 理论 ， 创 对 多晶体 的铁磁 材料 又。 一 “ ‘ ” 一 ， 加 为侈 的 函数 。 依 照人。 正磁 滞伸缩材 料 或 久。 负的磁 滞伸 缩材料 ， 在磁场 方 向 凡取 正的最大 或 负的 最大 ， 呈 现 伸 长或 缩短 ， 在铁磁材料 内部 已 自发饱 和 的磁畴 ， 在其 自发磁化 的方 向也 呈 现伸 长或 缩短 。 然而 对 未磁化 的宏观物体 ， 因各磁 畴 的磁 矩 无规 则排 列 ， 故 并没 有哪 个方 向有 明显 的磁致 伸缩 。 当材料在磁 场 作 用下磁化时各磁畴 的磁矩 趋 向磁 场方 向 ， 即有磁 致 伸缩 ， 必伴随 有磁 应变 或 应力的释放 ， 故激 发 出磁 声发 射的信号来 。 以 “ 畴 壁 的不 可逆位 移 来分析 ， 磁 化时 通过 畴 壁的位 移 ， 两相 邻磁 畴的体 积 变 化 ， 接 近磁场 的磁畴 扩大 ， 磁 矩方 向偏离 磁场 的磁畴 缩小 。 两畴 相 差 “ 的磁 滞伸 缩系数 不 同 ， 因此 ， 两 畴 的体积变 化必导 致磁 应变 的产生 。 另 外 畴壁位 移并不是连续 的 ， 而 是随磁场 从一 个能量最小 值积 累到 一定 程 度 ， 突然 跳 跃 至 厂一 个能 量 的最小 值 。 每一次 跳跃 定 有相 应 的应 力脉冲释放 。 显 然 ， 材料 的磁 滞伸缩系数 愈大 ， 每次 跳跃 的能量 差 值愈大 ， 跳 跃愈迅速 ， 则 应力和 弹性能释放愈 多 ， 信 号愈强 。 而 。 畴 壁的不 可 逆 位移 ， 由于两相 邻 磁畴方 向成 “ ， 磁 滞 伸缩系数相 同 ， 所 以在壁 移过 程尽 管两畴 的体积变化 ， 但并 无磁 应变 产生 ， 故 无 应 力释放 ， 当然 也 就 无 信 号 了 。 这 点与 巴克豪森效 应 是不 同的 。 由此可 见 ， 是材料 的磁 滞伸 缩引起的磁 应变相 联系的 。 可 以予料 ， 与 磁 应

变的关系应类似于一般塑性变形中AE与塑性应变的关系。应用声发射理论可以导出MAE 的有效电压与磁应变率的关系 设某一体积元内畴壁的一次位移扫过的面积为.」，亦可作为非弹性变形扫过的面积。 此过程的应力脉冲的振幅应正比于A:,释放的能量E1正比于A:2而换能器测得的有效电 压（扔用Vr表示）的平方则正比于各元过程释放能量之和工E,即： (Vr)2 XZEi∑A:2 设各过程滑移的变形面积的平均值为A,单位时间内有个滑移带，那么，形变的速率ΣanA, 所以， (Vr)2Ai2=nA2QepA 亦即(V,)2aVP 可见，MAE信号Vr与磁应变速率的1/2次方成正比。倘若设体积元△V,壁移中产生磁应 变为Ae,所需时间为T,则 Vr=C(△eAV/T)1I2 式中是由材料性质决定的常数。显然，发生变形的体积AV和磁应变量4愈大，时间愈 短，则MAE的信号愈强。Ae的数值依赖于磁滞伸缩系数，而樑△e/x所表示的应变速率则 和材料的晶体和磁畴结构以及磁场强弱和频率有关。用该式很容易说明为什么90°畴壁不可 逆位移可产生MAE,而180°壁移则不能。” 上述模型同样适用于磁化第三阶段，即磁畴转动。当磁畴从易磁化方向转向磁场过程， 也是不连续的，每局部转动必导致磁应变A,故有MAE信号产生，但与畴壁的不可逆位 移相比，Ae较小，因此MAE信号也较弱。对于可逆磁化阶段，4e近于0，几乎无MAE。 MAE随磁场的变化曲线与磁化曲线的对应关系，证实了上述分祈的正确性。 五、结 论 (1)畴壁的不可逆位移是MAE的主要源 (2)180°畴壁位移不产生MAE,90°畴壁和磁畴的局部转动产生MAE。 (3)MAE的强弱取决于过程中磁应变和形变速率的大小。 (4)磁滞伸缩系数是影响MAE的主要参量。90°畴壁位移与入90相联系，而磁畴转动 则与28有关。 参考文献 [l]Lord,Jr、A、E、Acoustic emission in Physical acousticsⅡ，Mason.W.P. and Thurstor,R,N.Acadmic Press,New York (1975)p290. [2]Kusangi,H,Kimura.H and Sasaki H.Acoustic emission Charactoris tics during magnetization of ferromaginetic materials.J Appl phys 50(1980)P2985 [3]Higgens,F,Pand Carpenter,S,H,Sources of acoustic emission generated during the tensile deformation of pure iron.ACta Met 26 88

变 的关 系应类 似于一般塑性变形 中 与塑性 应变 的关 系 。 应 用声发 射理论可 以 导 出 的有效 电压 与磁 应变率 的关系 设某一 体积元 内畴壁的一次位移 扫过 的面积为 针 ， 亦可作为非弹性 变形扫过 的 面 积 。 此过程 的应力 脉冲的振幅应 正比 于 ， 释 放 的能量 正 比 于 “ 而 换能 器 测 得 的 有 效 电 压 扔 用 表示 的平方 则正 比于各元过 程释放 能 量 之 和 ， 即 以 习 以 名 产 设各过 程滑移的 变形 面积的平 均 值为入 ， 单位时 间 内有 个滑 移带 ， 那 么 ， 形变 的速率 ， 所叔 ， ’ 以 ’ 二 以印入 亦即 ， 、 、 ， ，‘ ’ ” ，‘ 、 二二 “ 侧 可 见 ， 信 一 号 与磁 应变速率 的 忽次方 成 正比 。 倘 若设体 积 元八 ， 壁移 中产生 磁 应 变 为 月 ， 所 需时 间为丁 ， 则 △￡ 丁 ’ 式 中是 由材料 性质决定的常 数 。 显 然 ， 发 生变 形 的 体 积 』 和 磁 应变 量 」。 愈大 ， ， 时 间 愈 短 ， 则 的 信号愈强 。 。 的数 值依赖于 磁 滞伸缩 系数 ， 而裸△。 ，所表 示 的应变 速率 则 和 材料 的晶体和 磁畴 结构 以及磁场 强 弱和频率 有关 。 用该 式很 容 易说 明为什么 “ 畴 壁不 可 逆位移可 产生 ， 而 “ 壁移 则不 能 。 训 上 述模 型 同样适 用于磁 化第三阶段 ， 即磁 畴转 动 。 当磁 畴从易 磁 化方 向转 向磁场过 程 ， 也是不 连续 的 ， 每局 部转动必导致磁 应变 ， 故 有 信 号产生 ， 但 与畴壁 的 不 可 逆 位 移相 比 ， 」。 较 小 ， 因此 信 号也较弱 。 对 于可 逆磁 化阶 段 ， 加 近 于。 ， 几乎 无 。 随磁场 的变化 曲线 与磁化曲线 的对应关 系 ， 证实 了上述分祈 的正确性 。 五 、 结 论 畴 壁 的不 可 逆位移是 的主要源 “ 畴 壁位 移不 产生 ， “ 畴壁和 磁 畴的局部转 动 产生 。 的强弱 取决 于过 程 中磁 应变和 形 变 速率 的大小 。 磁 滞伸缩 系数 是影响 的主要 参量 。 。 畴 壁位 移 与久。 。 相 联系 ， 而磁 畴转 动 则与久。 有关 。 参 考 文 献 一〕 ， 、 、 、 七 ， ’ ， ， 。 。 ， 〔 〕 ， ， 七 七 仁 」 。 ， ’ ， ， ， ， ， 七合 七 七 七 七

(1987)p133 [4 ]Shimizu,M.ot al:Acouseic emission during Plasitc deformation in Aluminum Copper and 3%-Sillcon-iron.2nd AE Symp.Tokyo (1974) Session 5-1/22. [5]M.Shibata and K.Ono:Megnetomechnical acoustic emission of iron and stee1.Met Eva1 38 (1980)p55 6 ]K.Ono and M.Sibata:Megnetomechnical acoustic emission for non -destructive stvess measurement.NDT international October (1981)p227 [7 ]0.Sundstvoin and.Torronon:The use of Barchausen noise analysis in nodeststructive testing.Met Eval (1979)p81 [8]尾上守夫：而工一入子y才y夕工之y之3二)基础上应用（东京1976）P98 [9]穆向荣、张秀林、关于软磁材料磁声发射的研究(84年密精合金年会论文) [10]北京大学物理系：铁磁学(1976) A Study ot Magnetomechnical Acoustic Emission (MAE) n Ferromagnetic Material Department of Physics Mu Xiangrong Abstract Acoustic emission caused by the motion of magnetic domain walls in a ferromagnetic material ralates to magnetostriction effect This is called MAE (Magnetomechanical Acoustic Emission) Magnetomechnical acoustic emission depends on the microstruction, chemical composition and stress state of material.It can be used for non-destructive testing.As a newly developing non-destructive testing technique for residual stress measurements,it has a advance over other methods such as x-ray diffraction and acoustic surface wave. This paper mainly describes the chractries of MAE of steel with different carbon content and Fe-Ni alloys with different nickel content,influence of chemical composition,stress state,plastic deformation and heat treatment on MAE.A model of MAE origin mechanism is given in this paper according to the experimental results anb is discussed in detail 89

〔 〕 ， ， 。 七 七 一 一 一 「 七 〕 七 一 七 七 〔 〕 七 〔 尾 上 守 夫 办 二 一 久 夕 少 才 少 夕 二 乡 少 乡 曰 二 。 基础上 应 用 东 京 ， 〔 〕穆 向荣 、 张 秀林 、 关于软 磁材料磁声发射 的研 究 年密精合金年会论文 〔 〕北京大学 物 理 系 铁 磁 学 入 ， 七 、 七 七 七 ， 七 七 一 七 一 七 七 。 ， 一 ， 。 七 七 七 七 一 七 七 ， 、 。 。 七 、 七 易