环境磁场对磁记忆信号的影响

段振霞，任尚坤，赵珍燕，祖瑞丽，樊清泉

(无损检测技术教育部重点实验室(南昌航空大学)，南昌 330063)

环境磁场对磁记忆信号的影响

段振霞，任尚坤，赵珍燕，祖瑞丽，樊清泉

(无损检测技术教育部重点实验室(南昌航空大学)，南昌 330063)

金属磁记忆检测技术是一种可早期准确判断构件的应力集中位置和评估疲劳损伤程度的无损检测技术新方法，而磁记忆信号的存在离不开环境磁场。为探讨环境磁场对磁记忆信号的具体影响，在不同环境磁场下，对45钢进行静载拉伸试验，测量在相同环境磁场下不同应力作用下的磁记忆信号。试验结果表明：环境磁场不能改变磁记忆信号曲线的形状，但可以改变磁记忆信号值的大小；在一定的磁场范围内，磁记忆信号值随环境磁场的增加而增加，但当环境磁场超过某一临界值时，磁记忆信号值反而随环境磁场的增加而减少；若环境磁场为零或完全被抵消，应力则不能产生磁记忆信号。故在磁记忆检测实践中，特别是在定量检测应用中必须考虑环境磁场的影响。

无损检测；金属磁记忆检测；应力集中；环境磁场

0 引言

金属磁记忆检测方法的原理是在地磁场环境下对自发漏磁场进行分析[1-2]，而这种自发漏磁场分布于铁磁性材料的应力集中区、组织结构的不完整性和不均匀性区域[3]，故它是一种新型的无损检测技术[4-5]。由于地球各地理位置的纬度和高度不同，所处地磁场的大小和方向也不一样，即随地理位置的不同，地磁场并不是恒定的，而是随机性地变化，而地磁场的方向和大小却影响磁记忆信号，磁记忆信号随地磁场改变而改变，故金属磁记忆方法不能提供可靠的检测。环境磁场是怎样影响磁记忆信号？或者环境磁场在金属磁记忆检测中起到一个什么样的作用？针对这两个问题，2003年李路明等[6]提出地磁场对金属磁记忆检测没有本质的影响；任尚坤等[7]提出当环境磁场为零时，力磁关系近似为一条水平的直线；邱忠超等[8-9]指出适当增加外磁场的大小可以排除噪声信号的干扰，以至于提高金属磁记忆检测系统的灵敏度；Zhong等[10]提出环境磁场的大小和应力都能使磁信号发生畸变，但磁畸变的取向由更强大的一个决定；Huang等[11-12]指出环境磁场不能改变磁记忆信号的形状，只能改变磁记忆信号值的大小，而信号值的大小却随环境磁场的增大而增大。而本研究为探讨环境磁场对磁记忆信号的影响，在不同环境磁场下，对45钢进行静载拉伸试验，测量在相同环境磁场下不同应力作用下的磁记忆信号。

1 试验材料、设备及方法

1.1 试验材料

本试验材料选用45钢，由于它是中碳钢，也是优质碳素结构钢，所以在工业生产中广泛应用于叶轮泵、齿轮、螺栓、螺柱、活塞以及曲轴等受力零件。为保证试验结果的准确性，本次试验共制作了13根材料及尺寸完全一样的45钢圆棒，分别编号为1#～13#，结构尺寸如图1所示，试件的平行长度110 mm，直径10 mm，对加工后的所有试件进行去应力退火处理，消除试件内的残余应力。

1.2 试验设备

为产生外加磁场，制作一个螺线管，如图2所示。螺线管直径13 mm，漆包线丝径0.67 mm，在圆柱面上绕漆包线3层，每层160匝，螺线管长度120 mm，得到单位长度内匝数为4 000。对螺线管通直流电60 mA，图3为螺线管轴线上的磁场分布，图中B为磁感应强度，L为轴线上的位移。从图中可以看出，当20 mm≤L≤100 mm时，B基本不变，所以L在[20,100]范围内时，该螺线管所产生的磁场基本为匀强磁场。图4为螺线管内部均匀磁感应强度与电流I的关系，可以看出B与I基本呈线性关系，其拟合的直线为

B=0.3 123+0.0 496×I(1)

可见，B随I的增大而增大，当I=0时，B=0.3 123×10-4T，即螺线管内地磁场环境下的磁感应强度。

图1 45钢圆棒结构尺寸图Fig.1 Structure size of 45 steel rod

本试验采用WDW-100型电子拉伸试验机，最大加载载荷为100 kN，测力示值误差0.5%～1.0%。试件上某确定点漏磁场的数据采集利用LakeShore 421型弱磁场测量仪,其测量范围为0.001～300 000 Gs、测量误差±0.2%、分辨率4%，测量图1中的1～13采样点的漏磁场，每相邻2个采样点之间的距离相差8 mm。

图3 螺线管轴线上的磁场分布Fig.3 Magnetic field distribution on the solenoid axis

图4 螺线管内部磁感应强度与电流的关系

1.3 试验方法

对1#和7#试件，套上-15 mA直流电的螺线管(产生竖直向上的磁场-60 A/m)，竖直放置在拉伸试验机上进行静载拉伸试验，该拉伸试验机以2 mm/min的速度进行加载，在弹性阶段采取5 kN的加载梯度，在塑性阶段采取2 kN的加载梯度，当加载至预定载荷后停机，卸载至0，取下工件，以东西方向放置在远离铁磁性物体的水平台上，采用LakeShore 421型弱磁场测量仪测量试件上13个点的漏磁场；当试件被重新放置在更高预定载荷的试验机上，重复以上操作，直至工件断裂。

对3#和9#、4#和10#、5#和11#，以及6#和12#试件分别套上通20、40、60、80 mA的螺线管(分别产生竖直向下的磁场80、160、240、320 A/m)和不加螺线管的2#和8#试件(地磁场)，分别竖直放置在拉伸试验机上进行静载拉伸试验。

2 试验结果与分析

本试验内容先将13#试件进行常温条件下的静载拉伸，测定试件应力-应变曲线，该试件的屈服强度为510 MPa，抗拉强度为640 MPa。由于1#和7#、2#和8#、3#和9#、4#和10#、5#和11#，以及6#和12#试件的试验规律各基本相同，故以下只探讨1#～6#试件的试验结果。

2.1 地磁场下的45钢磁记忆信号

对2#试件进行静载拉伸试验，试验结果如图5所示，各拉应力作用下的磁记忆信号曲线近似为直线。图6a中，在弹性阶段，各拉应力下磁记忆信号曲线均过零点，左侧信号为正，右侧信号为负，随σ的增大，磁记忆信号曲线按顺时针方向旋转，磁记忆信号曲线的斜率k为负值，它在负方向上不断增大，磁记忆信号变化的最大值ΔBmax也不断增大，当σ增大到510 MPa(屈服应力)时，此时k为最大值，而ΔBmax=3.58×10-4T也为最大值；在塑性阶段，图6b中各曲线基本重合，即拉应力之间的k变化并不明显，ΔBmax也基本不变。

图5 不同拉应力下采样点的磁记忆信号

图6为图7中磁记忆信号拟合直线的斜率与拉应力之间的变化关系。由图6可以看出，在弹性阶段，当σ<510 MPa时，k随σ增大而减小；在塑性阶段，当σ增大到535 MPa时，k迅速增大，当σ再继续增大时，k基本不变。

研究发现，假设磁记忆信号分布的斜率k表示构件的磁化状态，在地磁场环境下，磁化状态随外拉力的增加而增加；当达到屈服点时，磁化处于最强状态(磁场分布斜率最大)；在塑性变形阶段，磁化状态近似稳定。表明磁记忆检测技术对弹性阶段的受力变化比较敏感，而对塑性变形阶段损伤程度的检测不敏感。

图7为弹性阶段的磁记忆信号曲线斜率与拉应力的拟合直线，拟合直线的表达式如式(2)。

式中，a和b都是与试件的材料和外加磁场有关的系数，a和b会随它们改变而改变，在本试验中，a=-0.000 4，b=-0.120。

图6 磁记忆信号曲线斜率与拉应力的关系

图7 弹性阶段斜率与拉应力的拟合直线

2.2 外加磁场下的45钢磁记忆信号

1)弹性阶段。

在弹性阶段，图8a为-60 A/m的外加磁场作用下的磁记忆信号曲线，当σ逐渐增大时，曲线按顺时针方向旋转，磁记忆信号曲线的斜率k为负值，它在负方向上不断增大，ΔBmax也不断增大，到σ达到屈服点时，k在负方向上增大到最大值，ΔBmax也增大到最大值，此时ΔBmax=8.34×10-4T，比地磁场作用下的ΔBmax大；图8b～图8e分别对应80、160、240、320 A/m的外加磁场作用下在弹性阶段的磁记忆信号曲线，与-60 A/m的磁记忆信号曲线趋势相反。当σ逐渐增大时，所有曲线都按逆时针方向旋转，磁记忆信号曲线的斜率在正方向上不断增大，ΔBmax也不断增大，到σ达到屈服点时，k增大到最大值，ΔBmax也增大到最大值；当H=80 A/m时，屈服点时的=8.161×10-4T，它却小于H=-60 A/m屈服点时的ΔBmax=8.34×10-4T，此时由于地磁场和拉伸试验机的夹头所形成的磁场为竖直向上，它与H=-60 A/m的外加磁场进行了叠加，它与竖直向下的H=80 A/m进行了相减，H=-60 A/m与地磁场拉伸机所形成总的外加磁场的数值大于H=80 A/m与地磁场拉伸机所形成总的外加磁场的数值；当H=160 A/m时，ΔBmax=18.06×10-4T；当H=240 A/m时，ΔBmax=27.548×10-4T；当H=320 A/m时，ΔBmax=27.141×10-4T，故增大到240 A/m，屈服点时的ΔBmax不断增大，但当H继续增大时，屈服点时的ΔBmax反而减小。

为了更好地进行对比，本试验只讨论拉应力255、382 MPa不同外加磁场下的磁记忆信号曲线，如图9所示。从图9可以看出，当H<240 A/m，磁记忆信号曲线按逆时针方向旋转，斜率k和ΔBmax不断增大，当H再继续增大到320 A/m时，斜率k和ΔBmax反而减小，当H=240 A/m时，斜率k和ΔBmax为最大，故在弹性阶段，磁记忆信号曲线值的大小并不是随着外加磁场的增大而一直增大。在地磁场与竖直向下的磁场80 A/m左右，总会有环境磁场为零或完全被抵消的情况，此时应力不能产生磁化效应，即金属磁记忆检测离不开环境磁场的激励。

由于本试验中各45钢试件的屈服强度不是很一致，故为了更一致地进行讨论，图10、图11中的弹性阶段只讨论σ<382 MPa之间的拉应力。

不同外加磁场下斜率和拉应力的关系如图10所示，当为地磁场和H=-60 A/m时，随σ的增大，k在负方向上不断增大；当H分别为80、160、240、320 A/m时，随σ的增大，k在正方向上不断增大，故在弹性阶段，相同外加磁场作用下，随σ的增大，k值(不考虑方向)不断增大。不同拉应力下斜率与外加磁场之间的关系如图11所示，相同拉应力作用下，当H<240 A/m时，随H的增大，k不断增大，H=240 A/m时，k为最大值，当H>240 A/m时，随H的增大，k反而减小；故在弹性阶段，相同拉应力作用下，随H的增大，k值(不考虑方向)不断增大，当H超过某一临界值时，反而减小。

图8 弹性阶段不同外加磁场作用下的磁记忆信号曲线Fig.8 Magnetic memory signal curves in the elastic stage under different applied magnetic field

图9 相同拉应力不同外加磁场作用下的磁记忆信号曲线Fig.9 Magnetic memory signal curves induced by same stress with different magnetic field

图10 不同外加磁场下斜率和拉应力的关系

图11 不同拉应力下斜率与外加磁场的关系

图10表明，假设斜率k表示构件的磁化状态，磁化状态是环境磁化场和应力的二元函数，在弹性阶段某一固定环境磁场下，磁化状态k与应力成正比。 图11表明，在弹性阶段某一应力作用下，在一定环境磁场范围内，磁化状态k与环境磁场H成正比；磁化状态在一定条件下可表示为k=k(H,σ)=c(H+a)(σ+b)，其中a、b和c都为常数，对于确定的环境磁场，磁化状态与应力成正比，据此可由磁化状态推断构件曾经受到的作用力。

2) 塑性阶段。

在塑性阶段不同外加磁场对磁记忆信号的影响，为了更好地进行对比，本试验只讨论561、586 MPa不同外加磁场下的磁记忆信号曲线，如图12所示。图12a中，当H<240 A/m时，随H的增大，磁记忆信号曲线按逆时针方向旋转，斜率k和ΔBmax也慢慢增大，当H=240 A/m时，k和ΔBmax为最大值，当H>240 A/m时，即当H=320 A/m，k和ΔBmax却减小。同理在图12b中，当H=240 A/m时，k和ΔBmax也为最大值。从图12可以看出，在地磁场与竖直向下的磁场80 A/m之间，总会有环境磁场为零或完全被抵消的情况，此时应力不能产生磁化效应，即金属磁记忆检测离不开环境磁场的激励。在塑性阶段，磁记忆信号也与环境磁场有关，在一定的磁场范围内，磁记忆信号随环境磁场的增加而增加，环境磁场超过某一临界值，磁记忆信号反而随随环境磁场的增加而减少。

图12 相同拉应力不同外加磁场作用下的磁记忆信号曲线Fig.12 Magnetic memory signal curves induced by same stress with different applied magnetic field

3 结论

1)假设磁记忆信号随空间分布的斜率k表示构件的磁化状态，在地磁场环境下，磁化状态随拉应力的增加而增加；当达到屈服点时，磁化处于最强状态；在塑性变形阶段，磁化状态近似稳定，表明磁记忆检测技术对弹性阶段的应力变化比较敏感，对检测塑性变形的损伤程度却不敏感。

2)外加磁场不能改变磁记忆信号曲线的形状，但可以改变磁记忆信号值的大小。

3)磁记忆信号与环境磁场有关，在一定的磁场范围内，磁记忆信号值随环境磁场的增加而增加，但当环境磁场超过某一临界值时，磁记忆信号值反而随环境磁场的增加而减少。在磁记忆检测实践中，特别是在定量检测应用中必须考虑环境磁场的影响。

4)应力磁化效应与环境磁场有关，如环境磁场为零或完全被抵消，应力却不能产生磁化效应。

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Influence of Environmental Magnetic Field on Magnetic Memory Signal

DUAN Zhen-xia，REN Shang-kun，ZHAO Zhen-yan，ZU Rui-li，FAN Qing-quan

(KeyLaboratoryofNondestructiveTesting(MinistryofEducation),NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China)

Metal magnetic memory testing technology is a new method of nondestructive testing technology which can accurately judge the location of stress concentration of components and evaluate the degree of fatigue damage, and the magnetic memory signal cannot deviate from the environmental magnetic field. In order to discuss the specific influence of environmental magnetic field on the magnetic memory signal, a static load tensile test on 45 steel was carried out under different environmental magnetic field, and the magnetic memory signals under different stress with same magnetic field were measured. The result shows that environmental magnetic field cannot change the shape of magnetic memory signal curve, but can change the size of the value of magnetic memory signal. In a certain range of magnetic field, the value of magnetic memory signal increases with the increase of the environmental magnetic field, but the value of magnetic memory signal decreases when the environmental magnetic field exceeds a certain threshold value. When the environmental magnetic field is zero or completely offset, stress cannot produce magnetic memory signals. Therefore, the impact of environmental magnetic field must be considered in the magnetic memory testing practice, especially in the quantitative detection applications.

nondestructive testing; metal magnetic memory testing; stress concentration; environmental magnetic field

2016年12月17日

2017年2月1日

国家自然科学基金(51261023)

任尚坤(1963年-)，男，博士，教授，主要从事检测技术等方面的研究。

TG115.28

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.01.003

1673-6214(2017)01-0013-06