·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