铁磁构件磁记忆检测技术的研究进展

冷建成,徐敏强,邢海燕

(1大庆石油学院机械科学与工程学院,黑龙江大庆163318;2哈尔滨工业大学航天学院,哈尔滨150001)

铁磁构件磁记忆检测技术的研究进展

冷建成1,2,徐敏强2,邢海燕1

(1大庆石油学院机械科学与工程学院,黑龙江大庆163318;2哈尔滨工业大学航天学院,哈尔滨150001)

金属磁记忆技术在检测铁磁构件应力集中和疲劳损伤等早期失效方面具有潜力。从磁记忆效应的机理研究、基础性试验探讨到检测信号的影响因素分析以及工程应用,对该技术在近几年来的发展现状进行了综述,并讨论了其在理论和实际应用中存在的问题。在国内外现有研究的基础上,指出了磁记忆检测技术的特点和需要进一步研究的发展方向。

早期失效;金属磁记忆;力磁耦合;影响因素;判断准则

无损检测技术对保障设备在设计试验、生产制造、运行使用等各个阶段的可靠性和安全性起着重要的作用,但传统的无损检测方法仅能发现宏观缺陷,而绝大多数宏观缺陷都是由各种微缺陷发展而来的。微缺陷的形成常常与应力集中有关,构件中的应力集中区域在产生可检测的裂纹或缺陷之前,已经存在隐性损伤。构件在服役过程中,承载能力会逐步降低,尤其是一些大幅值交变载荷作用下的机械设备,从微缺陷发展到宏观缺陷具有突发性,有可能在毫无征兆的情况下导致构件的突然失效,如飞机、压力容器、蒸汽机转子叶片等设备。因此,对应力集中状态尤其是裂纹产生前的临界应力-应变状态进行诊断,是对设备和构件的结构强度与可靠性评价的重要依据,但目前常规的无损检测方法对于还未形成明显的物理不连续如应力集中,难以实施有效的评价。

20世纪七八十年代,前苏联金属物理研究所、应用物理研究所,西德费尔什捷尔研究所等研究中心测量试件残余磁场要预先磁化,试件的自然磁场被视为干扰因素。俄罗斯学者Dubov最早于1994年提出金属磁记忆的概念[1]。1998年,在第50届国际焊接学术会议上,Dubov提出了金属应力集中区-微观变化-磁记忆检测相关技术[2],能可靠检测出以应力集中为特征的铁磁材料的危险部位,是对铁磁构件进行早期诊断的一种新的无损检测方法。1999年汕头召开的第7届全国无损检测学术年会暨国际学术研讨会上,Dubov发表了一篇介绍磁记忆检测基本原理及其在管道、压力容器上应用的文章[3],得到国内学术界的普遍关注。

由于磁记忆检测源自工程实践,目前尚缺乏完善的理论体系,影响弱磁信号的各种因素解释不清,致使工程应用中很难制定相应的检测标准。不同于传统的漏磁检测方法,金属磁记忆是一种检测应力状态的方法,它利用的是工作载荷和地磁场共同作用下形成的位错稳定滑移带区域中出现的自有漏磁场,而漏磁检测测量的是外加磁场在缺陷处的漏磁场,二者具有本质的不同。该技术集无损检测、断裂力学、金属学等学科于一体,不仅可以用来准确确定在役运行设备上正在形成或发展中的金属缺陷区段,亦可以在设备或构件的疲劳试验中准确确定应力集中的部位,为无损评估技术在构件失效前的早期诊断提供了新的方向[2]。

1 磁记忆效应的机理研究

构建反映磁记忆效应的机理模型,是无损检测定量化的基础,也是工程应用标准化的要求,对于推广和提高磁记忆技术的实践应用具有重要的指导意义。

1.1 唯象本构模型

金属磁记忆方法的物理基础源自磁弹性效应和磁机械效应、应力集中区中位错壁上磁畴边界的固锁效应以及金属天然磁化强度条件下组织和机械强度不均匀性造成的漏磁场效应[2],其实质是铁磁性构件在恒定弱磁场,如地磁场下的力-磁耦合作用。在金属磁记忆理论提出之前,应力与磁性能之间的关系早已受到各国学者的关注,并做了大量的试验来研究拉压[4,5]、扭转[6]等不同应力下对磁化过程、磁滞回线、磁导率、矫顽力等参数的影响。

目前力-磁关系研究中较为系统的是磁机械效应理论。早先Bozorth[7]基于磁化过程是可逆的假设,探讨了由于磁致伸缩而引起的磁场强度的变化;Brown[8]在其提出的理论中,假设弱磁场下应力对畴壁位移的作用遵循瑞利定律,但与后来的实验数据[9]不相符合;无限小可逆条件下建立的热动力学关系方程与磁化过程本质上是不可逆的相矛盾。Jiles和Atherton[10]提出了接近定律,并基于有效场理论建立了单向应力作用下铁磁性材料的磁机械效应理论模型[11]。该模型认为磁化过程包括可逆和不可逆磁化,材料磁化强度的变化不仅与应力有关,还与材料的非滞后磁化强度有关;外加应力对磁化强度的影响是一个剩余磁化强度不断向非滞后磁化强度靠近的不可逆过程。随后,Li[12]在原有模型的基础上引入弱磁场中磁化的瑞利定律,提出了改进的磁机械效应模型。

在上述磁机械效应的研究中都存在外加磁场,很少提及地磁场的任用;而磁记忆效应强调了地磁场作为激励源的作用。磁机械效应主要描述应力对磁化的关系模型,为磁性材料的各种应用提供理论基础;而磁记忆效应偏重于应力集中及微损伤引起的磁信号畸变特征,并将其应用于无损检测领域。二者的本质是一致的,其根源来自铁磁性材料的自发磁化和能量平衡原理。目前磁机械效应的研究主要局限于弹性范围,其理论模型仅适用于弹性阶段;磁记忆效应中也只提到磁弹性效应,那么是不是也有相应的“磁塑性效应”?这些问题的深入研究都有助于解释实验及检测中出现的复杂现象。

1.2 微观机制

上述唯象本构模型并不涉及对材料的微细观结构的解释,但从微观角度分析,应力的增加将导致磁畴的运动和变化。Fukawa[13]对Si-Fe单晶表面圆珠划痕进行了应力分析和磁畴观察,Sablik[14]建立了磁滞和应力影响磁性能的微磁模型。Yamanoto[15]观察了1A/m弱磁场下应力产生的磁畴变化,Notoji[16]在塑性变形区发现了材料表面有楔形磁畴出现。Zhu[17]建立了应力影响磁畴运动的微磁模型,并通过实验和仿真进行了验证;Bulte[18]则从原子尺度上引入磁矩的自旋-自旋耦合和自旋-轨道耦合,对应力致磁进行了微观解释。任吉林[19]利用粉纹法来观察受力程度不同的试件的磁畴结构,分析了不同残余应力对磁畴的影响。事实上,应力将促使材料内部的磁畴组织发生变化,畴壁产生不可逆偏转,并改变了磁导率,进而改变试件表面的微观结构,从而使得所测磁场发生改变。

尽管对于铁磁材料力磁耦合行为的细观本构已有一些探索,但目前还没有较为成熟的模型。借助微磁学理论可以揭示磁性材料内部的磁矩分布和畴壁演化过程,同时得到材料的宏观磁参数,有望建立微观磁性和宏观磁性之间的联系。

2 磁记忆效应的基础性试验研究

在进行磁记忆机理的研究中,国内外学者更多的是开展试验研究。

2.1 静载试验

大多数静载拉伸实验结果表明:未退磁试件表面各点磁场强度的法向分量,即磁信号在弹性和塑性阶段具有不同的变化趋势,弹性阶段由初始无规律分布逐渐向磁有序状态转变,而塑性阶段磁信号几乎不再随载荷变化[20,21];退磁试件在弹性范围内近似为一斜直线分布,直线斜率的绝对值随载荷的增加而变大,至屈服极限时达到最大,塑性变形后逐渐减小[22,23]。无论加载前试件是否经过退磁处理,断裂瞬间均有一致的表现:断口处磁信号激增,且两端极性相反,呈明显的漏磁缺陷信号曲线特征。在拉伸试验中,对弹性范围内磁信号与应力之间的关系研究较多,基于磁机械效应的等效场理论模型很好解释了应力导致畸变磁场反向的原因[24];塑性阶段力磁关系变得更为复杂,大多是从位错运动的微观角度进行简单分析。唯一的拉压试验[25]表明压应力对材料磁化强度的影响远小于拉应力,这也许是文献中很少利用压缩试验来探讨磁记忆效应的原因。

但不管怎样,试件本身的剩余磁场强度会对检测结果产生明显不同的影响;由于某些人为的预制缺口位置也会出现磁信号过零现象,但这实际上并不一定是应力集中区,所以仅仅借助过零点特征不能完全表征试件的潜在危险部位。

相比拉伸实验,扭转和弯曲实验做得较少。在扭转载荷作用下,磁信号在弹性区呈单调递增而塑性区呈缓慢下降趋势[26];但也有试验发现试件屈服后磁信号会产生较大幅度的提高[27]。在三点弯曲复杂应力状态下[28],磁信号在受拉层和受压层表现为不同的极性,中性层中心处的磁场梯度值与切应力相对应。

可见,铁磁性材料中机械应力和由它引起的漏磁场间有着相当复杂的关系,并无期望的单值对应关系。由于缺乏相应的理论模型,对磁信号与应力之间的对应关系解释很笼统,没有提出试件达到屈服或颈缩临界状态时的磁记忆敏感参数;当然,塑性阶段的应力或应变与磁信号之间的定量关系更无从说起。

2.2 疲劳试验

拉-拉疲劳被广泛用于疲劳试验研究,未退磁试件表面各点的磁信号在前几轮加载循环后迅速改变,达到一定次数后逐渐趋于稳定并保持至试件断裂[29],同时表明磁记忆信号对高载疲劳和含缺陷试件的损伤判别能力更强[30];退磁含缺口试件在应力集中部位磁信号出现异常畸变,且峰峰值和疲劳裂纹长度具有线性相关性[31,32]。与拉伸断裂时相似,在疲劳破坏前瞬间也产生磁场突变现象。由于散射磁场法向分量和切向分量的物理意义并不明确,切向分量被尝试用于拉压疲劳试验分析中,结果表明在整个疲劳过程中表现出振荡、突变和收敛的规律[33]。

在三点弯曲疲劳试验中,不同循环次数下应力集中区的磁场峰峰值与疲劳过程的三个阶段相对应,表明磁记忆技术可用于疲劳损伤评估[34]。如何提取表征疲劳损伤的特征参数,以及建立特定铁磁材料的剩余寿命预测模型还需要很多工作要做。

综上所述,磁记忆效应的基础性试验研究常见于对特定实验条件下的现象进行定性分析和解释,试验结果没有比较的标准,致使不同学者做的相同试验可能会得到不同的实验现象,其中的原因还有待澄清,不同材料、形状、热处理条件以及环境磁场等初始参数对磁记忆检测的影响有待明确,只有找出不同应力作用下磁记忆效应适用的一般性规律,才能对检测结果作出准确、科学的评价。

3 磁记忆检测信号的影响因素分析

除了基础性试验研究中涉及的铁磁材料的化学成分、试件形状和人为缺口、热处理工艺、环境磁场等原始参数对磁记忆信号具有明显的影响之外,人为因素如检测方法及分析手段也会影响到检测信号中特征量的提取,从而影响最终诊断结果。

3.1 检测过程

构件的放置方向会影响所测磁场强度的大小,但磁场的分布规律没有改变,即对应力集中区的判断不会影响[35];但也有研究建议检测时试件东西水平放置可减小地磁场对检测结果的干扰[36]。可见,虽然地磁场是磁记忆效应的激励源已被基本公认,但表征磁记忆现象的磁场与地磁场之间的关系尚缺乏一致的结论。

另外,提离值对所测磁信号的影响类似漏磁检测:随着提离值的增加,磁信号值越来越小,但整个磁场强度分布曲线并没改变[35]。所以,为了减小人为测量误差,可采用自动扫描装置进行信号采集。

在工程实际中,由于被检对象的安装位置和放置方向一般来说都是固定的,所以尽可能在方便的方位进行检测,但探头与检测面的提离值应尽量保持相同。

当试件在加载和卸载不同条件下进行磁记忆检测时,得到的磁信号差别显著[37]:当试验机夹具由铁磁性材料制成时会产生较强的磁场,这就相当于在试件两端有一个变化的外加磁场干扰,因而在线检测结果就会受到较大影响,从而使诊断判据失效;相比之下,对应的离线检测效果良好,能够捕捉到应力集中区或危险部位。

实质上,在线加载检测对应工作应力下的磁信号变化,而离线卸载检测对应残余应力下的磁信号变化。如果没有外加磁场的干扰,在线检测可用于确定局部应力集中区的位置并评价其性质;离线检测可反映制件和焊接接头的组织的不均匀性。不管哪种检测都可以发现早期缺陷,从而找到构件损坏发展的主要根源。

3.2 结果分析

为了评价应力集中区,常用的诊断参数是磁场法向分量符号变换线(Hy=0线)及其梯度最大;要定量评估应力集中水平,需要确定通过应力集中线磁场法向分量Hy的梯度值,即应力集中区漏磁场梯度值;定义磁指标,即可用来确定被检金属是否濒临损伤的极限状态[38]。在焊接裂纹的磁记忆检测中,曾提出用6个信号特征来判别[39],但所提参数在工程中是否可靠或通用,还有待实践的检验。

磁记忆信号属于弱磁信号,所以很容易受外界环境及探头抖动等其他因素干扰,对噪声很敏感。确切地说,磁记忆检测信号属于低频空间域信号,具有非平稳特性。通过实验发现,磁记忆信号由于是铁磁工件自然散射的漏磁场,受探头移动速度影响不大,所以可直接应用时间域信号的处理方法。对于这种含有噪声非平稳性的磁记忆信号,将指数小波去噪技术和 Hilbert变换[40]、数字平滑和小波去噪方法[41]引入到磁记忆检测系统的信号处理中,可以提高信噪比。

在分析危险部位磁记忆异常信号的基础上,利用现代信号处理技术进行特征提取,并通过神经网络等人工智能方法进行自动识别,还有很长的一段路要走;但明确这些人为因素对磁记忆检测精度的影响将有助于指导工程应用时的检测过程和结果分析,从而为检测报告及标准的制定提供依据。

4 工程应用

俄罗斯动力诊断公司最先开发了专门的检测仪器TSCM-2FM,TSC-1M-4型应力集中磁指示仪和EMIC-1型裂纹电磁指示仪。目前国内已相继推出了基于霍尔元件的磁记忆传感器和基于磁敏电阻的磁记忆传感器,厦门爱德森电子有限公司开发出 EMS-2000智能磁记忆金属诊断仪及相关软件系统,近年西安永安检测设备有限公司亦开发出ZWJ-A型智能微磁检测仪。此外,清华大学、北京理工大学等高校也开发了相应的磁记忆检测设备。

磁记忆检测技术能否得到有效应用的一个关键就是检测设备,而检测设备的核心则是磁敏传感器的研制。空间中磁场强度有3个方向,而目前的磁记忆仪多为检测法向分量,这样就丢失了2个切向信息,因此研制3个方向的微磁传感器是有必要的;另外,对于重要设备的在线监测,需要开发能连续自动采集的磁测系统。

在工程应用方面,Dubov等证明了金属磁记忆方法用于早期诊断的可行性[2,3],将磁记忆技术应用于化工设备、锅炉、涡轮叶片、管道的现场检测,并提出了用金属磁记忆技术来判断金属性能的方法;通过对带有缺陷的铁磁性管件受力时散射磁场特点的研究,提出了确定铁磁性材料产品中残余应力的方法[42],并利用金属磁记忆方法来控制焊接质量[43];总结了传统无损检测方法在剩余寿命评估上的局限性,对比论证了磁记忆技术探测应力集中区域进行寿命评估的可行性[44]。

波兰学者Lesiak等将神经元分类器应用于铁轨的磁记忆检测[45],英国学者Wilson等通过拉伸试验研究用磁记忆技术测量应力[46]。国内对磁记忆技术的应用也进行了大量研究,李午申等对焊接裂纹磁记忆信号的零点特征[47]及特征提取[48]、定量化[49]进行了比较深入的研究;张卫民等将磁记忆技术应用到应力腐蚀[50]、压力容器[51]、承载铁磁性连接件[52]等金属零部件。目前,磁记忆检测技术已应用于航空[53]、电力[54]、石油[55]、化工[56]、机械[57]等各行业。

可见,磁记忆技术在压力容器、管道等领域应用较多,有研究表明块状构件并不适于磁记忆检测[58];因此该技术对检测对象是否有局限性或其适用范围,还有待于理论和实践来证实。

在行业检测标准制订和推广方面,俄罗斯国家标准委员会正式出版三个无损检测金属磁记忆方法的标准:术语与定义、基本要求、工业和运输项目应力-变形状态检测基本要求,俄罗斯焊接科学技术学会批准了设备和结构焊接接头金属磁记忆方法(磁记忆方法-检测)标准,但这些标准多为指导性的,只是作为实际检测的参考。国际标准化组织颁布了三个金属磁记忆技术的标准,包括词汇、一般要求、焊接接头检测。在国内,磁记忆技术虽然在不同领域得到了应用,但检测的可靠性还需得到验证,目前还未在任何行业领域建立相应的检测标准,尚缺乏统一的指导性建议。

5 展望

虽然早在1900年就发现了拉应力作用下铁制工件磁化强度会发生改变,1982年应力致磁化改变现象用于无损检测应用,但直到磁记忆概念的提出,一种确定金属结构实际应力-变形状态的新无损检测方法才得到大家的关注。作为一门问世不久的崭新技术,磁记忆检测还面临许多有待解决的问题,尤其在以下几个方面需要开展进一步研究。

(1)磁记忆效应的宏微观机理研究

磁记忆检测机理的研究涉及铁磁学、磁性物理学、金属学、弹塑性力学、断裂力学等多个学科,借助磁弹性和热磁弹性理论可研究应力场和磁场之间的关系,尤其是磁场畸变与结构发生塑性变形、细观损伤以及宏观缺陷之间的定量关系;借助铁磁学和磁性物理学从微观角度可研究应力作用时磁畴、畴壁的可逆与不可逆转向,分析组织的微观变化与宏观磁化之间的对应。磁记忆技术宏观规律和微观机制理论体系的建立,无疑会大大促进磁无损检测技术的发展。

(2)磁记忆信号的影响因素分析

影响力-磁效应的因素很多,包括前文提到的原始参数和人为干扰,只有找到各种因素之间的关联,并确定在不同初始条件下应力集中区损伤程度与磁信号之间的定量对应关系,才能用于铁磁制件早期损伤的准确诊断。研究如何去除诸多因素对磁记忆检测方法的干扰,为确定可靠的诊断参数提供依据。

(3)检测手段的提高与判断准则的制定

目前的磁记忆检测仪大多只提供散射磁场的法向分量,这样就很难精确描述应力引起的磁场变化,因此发展和完善多通道、多参量诊断系统具有重要的应用意义;并在此基础上确定特定条件下的检测过程和损伤判断准则。另外,任何一种无损检测方法都不是万能的,磁记忆技术也不例外,在工程应用中应注意和其他方法相结合,在充分发挥其早期发现缺陷的优势的同时,利用传统无损检测方法如漏磁检测可更好地实现宏观缺陷定量化。

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Research Progress of Metal Magnetic Memory Testing Technique in Ferromagnetic Components

L ENGJian-cheng1,2,XU Min-qiang2,XING Hai-yan1
(1 Department of Mechanical Science and Engineering,Daqing Petroleum Institute,Daqing 163318,Heilongjiang,China;2 School of Astronautics,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

Metal magnetic memory technique has potentials to detect early failure,such as stress concentration and fatigue damage of ferromagnetic components.The paper summarizes recent advances in the developments of magnetic memory technique,from mechanism study,basic experiments to influence factors on detection signals and its engineering application,and discusses some questions in theory and practical applications.The characteristics and future research directions of metal magnetic memory technique are also presented on the basis of the current research status at home and abroad.

early failure;metal magnetic memory;magnetic-mechanical coupling;influence factor;failure criteria

TG115.28

A

1001-4381(2010)11-0088-06

国家自然科学基金资助项目(10772061);博士点青年教师基金(20092322120001);黑龙江省自然科学基金资助项目(A200907)

2009-05-08;

2010-04-08

冷建成(1977—),男,博士研究生,从事电磁无损检测方面研究工作,联系地址:哈尔滨工业大学飞行器动力学与控制研究所137#信箱(150001),E-mail:lbyljc@163.com