关于磁记忆检测机理的分析与讨论

黎连修

(中国铁道科学研究院 金化所，北京 100081)



关于磁记忆检测机理的分析与讨论

黎连修

(中国铁道科学研究院 金化所，北京 100081)

从铁磁性材料的基本特性出发，利用热力学准则和磁致伸缩方程，研究了金属磁记忆检测技术的原理和激发磁记忆的条件，分析了漏磁场的形成原因及其分布规律，讨论了应力、极化场和材料性能对磁记忆现象的不同影响，解释了地磁场的作用和漏磁场垂直分量过零点的物理原因，提出了从磁记忆磁场中提取缺陷或潜在缺陷信息的方法，强调了磁场分布的相对差别或相对变化对磁记忆检测的重要性。

铁磁体；多晶体；压磁效应； 磁记忆

金属磁记忆检测是利用应力在材料中激发的磁场进行检测的，自出现之日起便一直受到我国广大无损检测人员的普遍关注，并成为近年来最具活力的科研题材之一[1-11]。其中任吉林、黄松岭、周俊华、李路明、黎连修等从不同角度对磁记忆现象的机理开展了研究；李路明、钟力强等还对地磁场的影响进行了深入探讨，仲维畅特别关注了材料断裂时磁场的瞬态变化情况;耿荣生、沈功田等则分别对航空飞行器和特种设备开展了磁记忆检测技术应用方面的研究。

磁记忆是铁磁材料在应力和外磁场作用下所产生的一种磁现象，其实质是一种力磁效应或磁致伸缩的逆效应，亦即压磁效应。在应力和外磁场的作用下，磁畴会产生定向和不可逆的重新取向，甚至在载荷消除后这种磁状态还依然存在或部分存在，形成磁记忆磁场。通过对这种磁记忆磁场的检测，可发现应力集中区域或其他潜在危险缺陷，是一种非接触式的无损检测新方法。

经过十几年的研究和观察，我国对磁记忆的认识取得了重大进展，并且继国际标准(ISO 24497《无损检测 金属磁记忆》)后，也制定了相关的国内标准(GB/T 26641《无损检测 磁记忆检测总则》、JB/T11605《无损检测仪器 金属磁记忆检测仪 技术条件》等)，有力地促进了该技术的推广和应用。但该技术目前还存在诸多问题没达成共识，例如： ① 磁记忆现象是如何产生的，规律如何；② 磁记忆与哪些因素有关,如何有关;③ 磁记忆磁场为何在交变应力的反复作用下会逐渐增强;④ 磁记忆为何与地磁场有关，如何有关;⑤ 磁记忆磁场为何有法向分量过零点的现象;⑥ 磁记忆磁场的分布状态与哪些因素有关,如何有关;⑦ 材料的性能和状态能否影响磁记忆,如何影响;⑧ 如何从磁记忆磁场中提取有用信息,磁场中的哪些量与应力集中或潜在危险密切相关等。

上述问题的全部解决，可能需要一个漫长而复杂的研究过程，笔者试图寻找解决上述问题的研究可行方向。

作为一个物理现象，磁记忆也应有它的始点、终点和变化过程。这里的终点是指应力造成了材料破裂，文中并不涉及破裂时的瞬态变化，而只是对磁记忆现象产生的初始时刻和之后的发展变化过程进行讨论。除特别注明处外，文中研究对象为多晶铁磁性材料，压磁效应和压磁性分别特指材料在应力作用下能产生净磁场的一种力磁现象和磁性能。

1 磁记忆现象的产生

1.1 热力学分析

铁磁性材料从高温状态降至居里温度以下时，会产生自发磁化而形成磁畴。磁畴是铁磁材料一切磁特性的基础，而磁畴的形成则是各种能量共同作用的结果。其中与磁记忆有关的能量主要为外磁场能、应力能和退磁场能等。根据热力学准则，在平衡条件下，磁畴或磁矩的实际存在状态，应是使总自由能取最小值的状态。

(1) 外磁场能EH

外磁场能EH与外磁场强度H和晶体的磁化强度MS有关：

(1)

式中：θ为外磁场H和磁化强度MS间的夹角。

EH∝cosθ，与余弦函数的一次方成正比，外磁场能取最小值的方向只有θ=0的方向，因此磁化强度只能靠向外磁场，对外可产生一个剩余磁场，即净磁场。

(2) 应力能ET

应力能ET取如下形式[12]：

(2)

式中：T0为应力幅度；λs为饱和磁致伸缩常数。

ET∝cos2θ，与余弦函数的偶次方成正比。当某个θ方向是应力能取最小值的方向时，那么这个方向的反方向(θ+180°)也必然是应力能取最小值的方向，磁化强度在这两个相反方向上的分布是等价、随机的。对于多晶材料来说，原来在三维空间随机分布的磁化强度，在应力作用下会变成二维(应力的垂直平面上)随机分布或一维(应力的正反方向)随机分布，但都可相互抵消，不会产生剩余磁场，因而对外不显示磁性。即应力可改变材料的某些磁性，但却不能产生磁记忆现象。

1.2 压磁方程

为了描述磁记忆现象的规律，解释各因素的作用，笔者者曾用磁致伸缩方程组进行过分析[6,11]，其中与磁场和应力直接有关的方程为[13-14]：

(3)

对于多晶材料，压磁常数d=0，即其中各元素全都为零。从公式(3)可看出，即使有应力也不会产生出磁场，与从热力学分析得出的结论相同。

1.3 材料的极化和压磁常数

为产生磁记忆现象，需要改变材料的磁各向同性，使d不等于0。最简单的方法是对材料施加一极化场进行极化，类似于压电材料的电极化。极化后的材料不再是各向同性，d中的各元素也不再全为零。若将极化方向取作z方向(即33方向)，则d具有如下简单形式[14]：

(4)

可见，极化场改变了材料的压磁性，使d不等于0。对于线性磁致伸缩，d31=d32=-0.5d33。

1.4 磁记忆磁场

公式(3)中的B由两部分组成，前一部分由压磁效应产生，记作BT，可称为压磁磁场，或磁记忆磁场；后一部分则由外磁场(如地磁场)磁化产生，为常规的铁磁体的磁化，记为BH。

(5)

(6)

由式(5)可以看出，当T和d都不为0时，BT不等于0，该压磁磁场或其剩磁场(应力消失后)泄漏到材料外面，就成了可测量的磁记忆磁场。磁记忆磁场不是压磁磁场的全部，而是其中的一部分。在文中暂不特别区分全部和部分，除特别注明外，统称为磁记忆磁场，而压磁磁场则特指全部磁场。

BT可以有三个分量：

(7)

可以看出：① 不仅极化场方向有磁场，而且极化场的垂直方向上也可有磁场;② 法向应力激发的磁场在极化场方向上; ③ 切向应力激发的磁场在极化场的垂直方向上，但极化场垂直平面内的切向应力不产生磁场。

2 磁记忆磁场的增强和泄漏

磁记忆磁场在应力作用期间产生，而又往往在应力作用后测量，并且产生于表面以下，而却在表面以外测量，测量的只是泄漏到材料外部的那部分漏磁场。为研究磁记忆磁场与应力之间的关系，有必要对磁记忆产生的初始情况、变化过程和磁场的保持及泄漏规律等进行研究。

2.1 磁场的产生

由式(5)可以看出，只要应力T和压磁常数d都不为零，磁场B就不为零；反之，只要T和d都为零或其中之一为零，B即为零。可见，应力和压磁性是产生磁记忆的两个必要条件，二者缺一不可。多晶材料未极化时不具有压磁性，应力不能在未极化的多晶材料中激发磁场。

如果对多晶铁磁性材料施加一外磁场进行磁化，材料中会产生一极化场，从而便获得了压磁性，在有应力作用时就可激发出磁场。外磁场可能有多种类型和形式，其中最普遍、最稳定且可自然获得的外磁场就是地磁场。在一些产品的制造或加工阶段，例如铸件的铸造和焊缝的焊接阶段，外磁场往往就仅有地磁场，地磁场也就成了唯一能改变材料压磁性的外磁场，这也正是大家特别重视地磁场的重要原因。

2.2 磁场的增强 在应力作用的初始阶段，地磁场或外磁场较弱，材料的压磁性以及由此激发的初始磁场也较弱。但如果有交变应力的反复作用，相当于压磁磁场对材料反复磁化，则材料的压磁性以及磁记忆磁场会因磁滞效应而逐步增强[11]，其变化规律可做如下定性解释：

(1) 初始状态：极化场和材料的压磁性都十分微弱，当应力T从0逐渐增大到极大值T0时，压磁磁场B沿图1中的oa路径逐步增大至a，d则沿图2 中的o1a路径逐步增大至a。在此过程的每一时刻，极化场与压磁磁场的合成磁场，即为该时刻的新的极化场，所以a点处极化场的幅值大于原点处极化场的幅值。

(2) 周期变化：当应力从极大值降至0时，由于材料的磁滞性，B不会降至0，而是沿图1中的ab路径降至b，形成剩磁Br。压磁常数d则沿图2中的ab路径降至b，同样大于初始值。在下一个周期，应力相当于在一个压磁性较大的材料上激发磁记忆，因而能产生更强些的磁场，极化场和d也同样会有所增强或增大。

(3) 趋于极值：在交变应力反复作用下，B和d都会不断增大，直至各自的极大值形成一封闭的回线。

如果应力不断增大或足够大，B也会达到饱和值[11]。

图1 磁记忆磁场随交变应力的变化

图2 压磁常数随交变应力的变化

从上述变化过程可看出：

(1) 材料的压磁性是应力激发磁场的必要条件，而磁滞性则能使压磁性在交变应力的反复作用下逐步增强。即使应力幅值不变，磁记忆磁场的强度也会逐渐增大。

(2) 压磁效应激发的磁场，随即又成了极化场的一部分，使材料的压磁性和压磁磁场会在应力的反复作用下逐步增强，直至最大值。

2.3 磁场的保持和泄漏

材料的磁滞性是形成剩磁的直接原因，而剩磁的保持，则需依赖材料的矫顽力。若没有矫顽力，即使产生了很强的剩磁也会在自然环境中很快消失，得不到磁记忆磁场。

应力的作用不仅可激发压磁磁场，还可使材料的矫顽力升高，磁导率降低[6]，使其往硬磁方向发展，甚至会出现“软”材料、“硬”缺陷的情况，因此磁记忆比常规的材料磁化更容易产生和保持剩磁。

压磁磁场(或剩磁场)的泄漏与磁路中的磁阻变化有关。应力的作用还可使材料磁阻抗增大[6]，迫使一部分磁场泄漏到空气中而形成漏磁场，这部分漏磁场就是磁记忆检测所能测量的磁场。

总之，磁场的产生与材料的压磁性有关，剩磁的产生与材料的磁滞性有关，剩磁的保持与材料的矫顽力有关;而磁场的泄漏，或磁记忆磁场的形成，则与磁路中磁阻的变化情况有关。

3 应力的作用

在应力作用下，材料中会同时发生两种效应，一是力学性能的变化，如产生塑性形变或造成裂纹的萌生及扩展等;二是磁性能的变化和压磁磁场的产生。以上两种效应不仅同时发生，还会相互影响，如裂纹的萌生会增大磁路磁阻而影响漏磁场。磁记忆检测就是通过对漏磁场的检测去发现能够破坏材料力学性能的应力集中以及由其产生的裂纹等。

应力的作用主要包括： ① 在压磁材料中激发磁场，产生磁记忆;② 交变应力可使材料的压磁性以及压磁磁场逐步增强;③ 改变材料的某些磁性能，如使矫顽力升高、磁导率降低、磁阻增大等。

4 极化场

极化场可改变多晶材料的压磁性，使d不等于0。极化场实际上就是材料中真实存在的磁场，该磁场由两部分组成，一是外磁场对材料磁化而产生的磁场HO;二是由压磁效应产生的磁场HT。极化场HP为二者的矢量和：

(8)

当外磁场仅有地磁场一种磁场时，HO就变成了地磁场在材料中激发的磁场HG。

一般说来，HO或HG，弱而稳定，近似常数；HT则会随应力的变化而变化,并逐步增强。

在应力作用的初始时刻，材料中只有HO。HO在强度、方向和分布上，都可能与外磁场(包括地磁场)存在很大差异，主要表现在如下几方面：

(1) 强度：由于工件的磁导率很高，由式(6)可知，工件中的磁场一般会强于外磁场。

(2) 方向：根据磁路折射定律，在磁导率大的材料中，磁感应线的折射角大，反之则小。工件中的磁导率一般远大于空气中的磁导率，因此工件中的磁场多趋向于工件表面。

(3) 分布：由于工件中的折射磁感应线在入射平面(入射磁感应线与界面法线所决定的平面)内，当工件表面为非平面时，各点处的法线会各不相同，相当于磁感应线不断改变方向，相应地入射平面和折射磁感应线也在不断地改变方向，使得一个平行磁场进入工件后会变成一个紊乱磁场，各点处磁场的方向也会有所不同。

另外，由于退磁场的影响，工件中的磁场会与工件形状有关，一般说来，在工件长度方向或圆形工件的圆周方向容易磁化，在同样外磁场的情况下，这些方向的磁场会相对强些。

总之，工件中最初的极化场HO，多在工件长度方向或圆周方向占优势，靠近表面且平行于表面的分量占优势，方向则随表面曲率的变化而变化，存在一定的发散性。

5 地磁场

在讨论磁记忆原理或提及杜波夫的中心观点时，总要强调地磁场的作用，地磁场是研究磁记忆无法回避的重要问题[15-16]。其实，地磁场只是诸多外磁场中的一个或一部分，其作用与其他外磁场完全一样。只不过由于地磁场无处不在，且难以驱离，所以才常被提起，成了外磁场的一个代名词。

5.1 地磁场激发极化场 地磁场可激发极化场，从而使多晶材料具有压磁性，当有应力作用时，材料中便会产生出压磁磁场。

压磁磁场一旦出现，便与地磁场叠加成一个新的磁场(假设没有其他外磁场)，这个磁场就是总的极化场HP。压磁磁场成了HP的一部分，即式(8)中的HT。压磁磁场或HT会因磁滞性而在应力的反复作用下逐渐增强，并可能逐渐占据主导地位，地磁场的作用则会相对逐渐减小，以致后来甚至可以忽略不计，使得测量到的磁记忆磁场仅与应力作用有关，这对磁记忆检测无疑是十分有利的。

不过，当材料本身不是磁各向同性时，或d各元素不全为零时，则即使没有地磁场(或其他外磁场)也同样能够产生磁记忆现象，因而地磁场并非永远必不可少，关键是材料是否具有压磁性。

5.2 地磁场并非极化场

地磁场可激发极化场，但极化场“并非就是”地磁场，而应是这个地磁场在工件中激发出的磁场HG，二者并不相等。同时地磁场可能只是外磁场的一部分，HG更可能只是全部极化场一部分(HO)的一部分。只有在没有其他外磁场的情况下，并且是在应力作用的初始时刻，HG才是唯一的，也只有在这种情况下，地磁场才是必不可少的。

6 垂直分量过零点现象

有关磁记忆原理的另一个中心观点，就是磁场的垂直分量过零点。有人甚至把这一现象视作磁记忆磁场的判据，认为只要出现了过零点现象，就是有了磁记忆。

其实，垂直分量过零点是所有漏磁场的共同特点，并非磁记忆所独有。磁记忆是一种漏磁场，其垂直分量自然应有过零点现象。

当磁路中某处磁阻突然增大或发生突变时，根据磁路定律，磁力线(磁感应线)会自发选择一条磁阻最小的路径通过，迫使部分磁力线逸出表面形成漏磁场，并出现正负两个磁极。漏磁场的磁力线从N极导出然后再回到S极，呈弯曲状，其斜率必定有正负变化，或垂直分量必然过零点。即使是地磁场，在赤道附近垂直分量也会反向，否则地球就变成了一个单磁极。

在磁记忆现象中，应力集中或缺陷引起材料磁阻变化并造成漏磁场，漏磁场也会反映出应力或缺陷的某些特征。如遇到应力集中或裂纹时，磁阻变化十分突然，漏磁场会相对集中，垂直分量强，磁力线陡峭；当遇有一些离散性或体积状缺陷时，磁阻变化缓慢，漏磁场会相对分散，垂直分量弱，磁力线也相对平缓。

总之，漏磁场的分布状态与磁场处磁阻的相对变化有关，进而与应力集中程度或缺陷情况有关。垂直分量过零点的地方，是正负磁极的分界点，往往也正是应力集中或缺陷的所在位置。

7 磁记忆信息的提取

磁场强度：由式(6)可以看出，压磁磁场的幅值与应力幅值成正比，但实际测量到的磁场并非压磁磁场的全部，而仅是泄漏到工件外面的一部分，该部分漏磁场的大小与多种因素有关，其中包括应力集中区域的部位、方向和材料的特性、状态等，因而并非都能真实地反映出应力大小。

磁场梯度：即磁场的变化趋势，相对于位置的一阶微分，能够较好地反映应力集中程度或缺陷的某些形态，是磁记忆检测中的重要参量，在杜波夫的研究和有关磁记忆的国际国内标准中都强调了该参量。

梯度变化：磁场梯度的相对变化，即磁记忆磁场的二阶微分，可反映出应力集中区域的相对差别，该差别出现异常时，表示应力集中出现异常，直接给出了危险的存在。

磁记忆磁场还有另一个变化量，即随时间的变化量，反映的是应力状态随时间的变化情况。当该变化突然增大时，说明应力集中程度发生重大变化，同样能够较好地反映危险程度。

可见，磁记忆磁场的相对差别或相对变化，有时比磁场强度的幅值更重要。在磁记忆检测中，采用相对测量或比较测量，有时比绝对测量(测量信号幅值)更可靠。

8 结论与讨论

(1) 产生磁记忆的机理和条件

磁记忆是压磁效应产生的一种磁现象，压磁性和应力是产生磁记忆的两个必要条件，缺一不可。但要产生一个有实用价值的磁记忆必须具备三个基本条件，即材料的压磁性、磁滞性和应力的反复作用。

(2) 材料的压磁性

多晶材料不具有压磁性。使多晶材料具有压磁性的简单方法是对其进行磁化，即在材料中激发出极化场。材料的压磁性及其压磁常数的大小与材料中极化场的大小有关，或者说与材料的磁化状态有关。

(3) 应力的作用

一是激发磁记忆磁场，二是改变材料的磁特性，而磁特性的改变又会影响磁记忆的产生。

激发磁场：能够且只能够在具有压磁性的材料中激发磁场，而不能在未极化的多晶材料中激发磁场。

改变磁特性：使材料的矫顽力升高、磁导率降低、磁阻增大，往“硬磁”方向发展。交变应力的反复作用还可使压磁性逐步增强。

(4) 极化场

极化场是材料中实际存在的磁场，主要由两部分叠加而成。一是由外磁场对材料磁化而产生的磁场，二是由压磁效应直接产生的磁场。前者一般弱而固定，在初始时刻起关键作用；后者则随应力的变化而变化，并逐步增强以致起主导作用。

外磁场激发的极化场在强度和方向等方面都可能与其自身有较大差异，一般情况下，极化场的强度大于外磁场强度，在工件的长度和圆周方向上往往占优势，而方向则多平行于工件表面，在工件表面为非平面时，还可能会有一定的畸变或离散。

(5) 地磁场

地磁场是一种重要的外磁场，可在工件中激发极化场，从而使多晶材料具有压磁性。地磁场不等于外磁场，而是外磁场中的一个或一部分。地磁场不等于极化场，地磁场在工件中激发出的磁场才是极化场(或其一部分)。

地磁场(或外磁场)只有在应力作用的最初时刻才十分必要，后来的作用则会逐渐相对减弱以致可以忽略不计。开始时必不可少，测量时踪迹难觅，是地磁场的一个独有特点。

(6) 有关磁记忆磁场及过零点现象

磁记忆磁场是压磁磁场或其剩磁场的漏磁场。造成磁场泄漏的直接原因是磁路中磁阻的变化或差异，这种变化或差异往往是由应力或缺陷造成的。

漏磁场的分布状态与应力或缺陷的位置、形态等有关，是缺陷或潜在危险判定的重要依据。

不过，磁场的垂直分量过零点，是所有漏磁场的共同特点，并非磁记忆所独有。垂直分量过零点的地方，是正负磁极的分界处，往往也是应力集中或缺陷的所在位置，因而是定位的重要依据。

(7) 材料性能对磁记忆的影响

压磁性：是产生磁场的必要条件，若没有压磁性，应力无法激发磁记忆磁场。

磁滞性：是产生剩磁的直接原因，同时可使材料的压磁性在交变应力的反复作用下逐步增强。

矫顽力：是保持剩磁的直接原因，若没有矫顽力，则即使形成了很强的剩磁也无法保持。

磁阻抗：是造成漏磁场的重要原因，并影响漏磁场的强度和分布；磁阻与应力或缺陷情况有关。

磁导率：影响极化场的强度和方向，进而影响压磁磁场的强度和方向，同样与应力或缺陷情况有关。

结构形状：由于退磁场的存在，会影响外磁场对材料的磁化，进而影响极化场的大小及分布等。

(8) 磁记忆检测

磁记忆磁场与应力集中、缺陷或潜在危险的关联性受多种因素影响，并且因工件、条件不同而不同，需要长时间的研究和探讨。

磁场幅值：磁记忆磁场仅是压磁磁场的一部分，其幅值不一定与应力呈简单的比例关系。

磁场梯度：即磁场的一阶偏微分，能够较好地反映应力集中的程度。

梯度的变化率：即磁场的相对差别或二阶偏微分，反映了应力集中的危险程度。

时间变化率：即磁记忆磁场随时间的变化情况，是应力集中或潜在缺陷发展变化的重要判据。

可见，磁记忆检测较适用于比较法或对比法。尤其是磁场梯度的相对差异，以及磁场随时间的变化情况，能较好地反映应力集中的危险程度和发展趋势，是应该特别予以关注的。

感谢在文章的撰写过程中，得到沈建中教授和林俊明专家的大力帮助和指导。

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Analysis and Discussion on Principles of Magnetic Memory Detection Mechanism

LI Lian-xiu

(Metals & Chemistry Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

This paper investigated principles of magnetic memory detection techniques and the fundamental conditions of excitation of magnetic memory based on the properties of ferromagnetic material， thermodynamic criterion and magnetostriction equation. It also analyzed causes of magnetic leakage field and its distribution characteristics and discussed reactions of magnetic memory to stress, polarization field and the material properties. The role of geomagnetic field and the physical causes of zero crossing of the vertical component of magnetic leakage field were explained; A method of the detection of defects or potential defect signal was proposed and the importance of the relative discrepancy or variation of the distribution of magnetic field to the magnetic memory detection was emphasized.

Ferromagnetic; Polycrystalline; Piezomagnetic effect; Magnetic memory

2016-01-18

黎连修(1949-)， 男，研究员，主要从事铁道行业无损检测技术及其应用方面的研究。

黎连修，E-mail:lilianxiu@126.com。

10.11973/wsjc201611001

TG115.28

A

1000-6656(2016)11-0001-06