金属磁记忆检测技术研究综述*

余光海,盛光鸣,徐观明,张元昊

(1.合肥工业大学 机械工程学院,安徽 合肥 230009;2.湖南绿色再生资源有限公司,湖南 长沙 410699)

在当今全球化的背景下,环境污染和资源短缺问题已经变得日益严重。因此,再制造工程作为一种战略性新兴产业,具有显著的资源节约和环境保护效果。我国工程机械的数量庞大,其中80%超过了保质期,每年报废量高达120万台。如何有效利用这些废旧设备成为全面提高资源利用率的关键因素。金属磁记忆检测技术作为一种新兴的无损检测方法,在不损坏被测对象的前提下,利用材料内部结构异常所引起的表面漏磁场变化来确定零件缺陷的位置和损伤程度。这一技术正在逐渐成为工程领域中重要的检测手段之一。当前,随着工业制造业的发展和技术水平的提高,金属结构件的安全性和可靠性要求也越来越高。因此,发展高效、准确、可靠的无损检测技术对于确保工程结构的安全运行具有至关重要的意义。

金属磁记忆检测技术作为一种新兴的无损检测方法,能够在不损坏被测对象的前提下,利用材料内部结构异常所引起的表面漏磁场变化来确定零件缺陷的位置和损伤程度。近些年,金属磁记忆逐渐成为再制造毛坯损伤程度评估和修复质量评价的常用手段,例如,Su H等通过对J-A模型的分析可以反映疲劳程度[1];Wang W等认为金属磁记忆是一种新的被动无损应力状态评估方法,可用于铁磁材料的早期损伤检测[2];J.Juraszek介绍了一种利用自身剩余磁场识别钢丝绳损伤的方法[3]。本文旨在详细阐述金属磁记忆检测技术的工作原理和国内外研究成果,梳理其面向再制造工程的应用现状,并结合具体的案例进行分析。通过对金属磁记忆检测技术的应用现状进行全面阐述,以期为该技术在再制造领域的应用提供更多的思路和方法。

上述内容总结了金属磁记忆检测技术在再制造工程中的应用现状和一些具体的案例,这也是本综述的主要内容。随着再制造产业的不断发展和技术的不断进步,金属磁记忆检测技术在再制造工程中的作用将会更加突出。希望通过对金属磁记忆检测技术的综述,可以为该技术在再制造工程中的应用提供更多的思路和方法,促进再制造产业的可持续健康发展。

1 金属磁记忆检测的理论研究综述

在铁磁材料中,受应力和环境磁场共同作用时,会产生力磁耦合效应,导致材料的磁化强度和几何尺寸发生变化,即磁致伸缩效应。这也涉及磁机械效应,即施加应力会改变材料的磁化强度。金属磁记忆检测技术是一个涉及铁磁学、力学和物理学等多方面知识的跨学科新兴领域。其影响机制复杂,因此采集的磁信号较微弱,长期以来主要用于定性分析而难以准确用于定量研究,这在科学研究和工程应用中受到限制。磁记忆检测机理可以通过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来理解。在铁磁材料内部存在许多磁畴和磁畴壁。在无外物理场作用下,这些磁畴和磁畴壁处于无规律的自由状态,宏观上不显磁性。但当铁磁材料受到地磁场和应力场的共同作用时,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,从而在宏观上显示出磁性。

1.1 磁机械效应理论研究进展

在1984年,Jiles和Artherton基于已有的畴旋转和畴壁理论,通过考虑各种能量项,进一步推导出铁磁材料的状态方程。对该微分方程进行求解显示了铁磁回滞的基本特征,并解释了应力对磁化的影响。随后的1995年,Jiles提出了“接近原理”,研究了铁磁材料在施加单轴应力时磁化强度的变化情况,并建立了铁磁材料的J-A模型理论[4]。

Wang G等[5]对铁磁材料在应力作用下的磁记忆效应进行了系统的理论和实验研究。他们通过能量平衡理论分析了应力与磁特性之间的关系,并计算了力磁耦合过程中的电子能带结构、电子态密度和原子磁矩。研究结果表明,在应力作用下,铁磁材料的磁特性会减弱,磁记忆信号强度随应力的增加呈线性降低。

图1所示为单轴、等双轴、静压和纯剪切应力状态下无外加磁场的磁致伸缩应变随应力变化的情况。图1中,u、e、h和s分别表示单轴、等双轴、静压和纯剪切等应力状态。虽然已经提出了多轴应力下铁磁材料磁致伸缩应变的解析模型,但是需要指出该模型存在较强的预设,并且在各向异性或高均质情况下存在较大的局限性。另外,Zhang P等学者基于磁畴理论和接近定律,提出了一种各向异性非线性磁力学本构关系,并详细讨论了环境磁场与应力方向不同引起的角度效应。这项研究有助于铁磁材料缺陷尺寸与反演研究[6]。

图1 无外加磁场下的磁致伸缩应变与应力的关系

1.2 磁偶极子理论模型研究进展

在恒定和已知方向的磁场中,铁磁材料试样通常会优先通过磁通量,但当存在缺陷时,磁通量会泄漏并在缺陷周围形成漏磁场。这种漏磁现象提供了关于表面断裂缺陷的重要信息。在高压载荷和地磁场的作用下,铁磁试样的磁畴可以有规律地定向,产生应力集中区和应变集中区自发磁化区域。即使在释放载荷后,这些自发磁化区域也会产生漏磁信号。图2所示为应力集中引起的金属磁记忆信号,目前金属磁记忆检测的主要研究方法是磁偶极子理论,该理论可以成功解释缺陷表面产生的漏磁场,并分析缺陷形状参数对漏磁场信号的影响。根据磁偶极子理论,在地磁场和外载荷的作用下,铁磁材料试件出现裂纹损伤时,会在裂纹两端表面形成极性相反的磁荷,形成极性相反的磁极,因此可以利用磁偶极子理论获得不同表面裂纹产生的磁信号的解析解。

图2 应力集中引起的金属磁记忆信号

磁偶极子理论模型在材料科学和工程领域中具有广泛的应用,近年来相关研究取得了重要进展。以改进的解析三维漏磁模型为例[7],该模型通过使用2个参数描述法向量,成功实现了在更大范围的缺陷形状下对漏磁信号的近似分析。综合这些研究结果,磁偶极子理论模型在实际工程和材料科学中的应用前景十分广阔,为相关领域的发展提供了重要的理论基础和实验验证。

2 金属磁记忆检测实验研究

通过测量45冷轧钢试样确定位置的磁感应强度与拉应力之间的关系,从实验中获得了45冷轧钢试样在拉应力下的应力磁化关系,通过测量磁信号的特征可以评价试样的应力状态和安全状态,普通碳素结构钢试样示意图如图3所示。

图3 普通碳素结构钢试样示意图

针对钢筋混凝土结构中的腐蚀和疲劳损伤问题,磁偶极子理论模型被广泛应用于研究和实验中。Zhou J等基于磁偶极子模型推导出了自漏磁信号法向分量的理论公式,为锈蚀钢筋混凝土梁抗弯强度与自漏磁信号关系的实验研究奠定了基础,并提出了一种基于微磁传感器的锈蚀钢筋混凝土梁剩余弯曲强度评估新方法[8]。Xia R等利用磁偶极子模型对自有漏磁进行了理论计算,并结合实验分析了不同腐蚀程度钢绞线附近的磁信号[9],45个冷轧钢试件在屈服点附近的漏磁与拉应力的关系如图4所示。他们提出了利用法拉第第一电解定律计算钢材料腐蚀程度的方法,并通过水平和垂直扫描得到腐蚀区域的长度和范围,为土木工程的无损检测提供了新的手段。Zhang D等提出了磁力学模型研究钢筋疲劳损伤与表面磁记忆信号之间的关系,并在拉伸疲劳试验中测量了试样的表面磁通密度,结果表明,磁通密度在疲劳过程中表现出3个阶段,提出的模型能有效地描述钢筋在疲劳过程中的磁化变化趋势[10]。Wu J等研究了材料内部缺陷的漏磁过程,并提出了一种由亥姆霍兹线圈磁化和高磁导率磁芯感应线圈组成的高灵敏度漏磁检测方法,增加了内部缺陷的可探测深度,极大地提高了检测深埋缺陷的能力[11]。这些研究为相关领域的发展提供了新的理论支持和实验验证,为工程结构的健康监测和无损检测提供了新的方法和技术手段。

a) 硬化程度小时塑性变形状态

磁偶极子理论模型研究专家们对金属材料的磁性及其在应力状态下的变化进行了广泛探讨。首先,Z.Maazaz等[12]研究了塑性应变对铁素体-珠光钢剩磁的影响,发现塑性应变显著降低了剩余磁化强度,但在外加应力下会有恢复的趋势。He G等[13]通过非接触管道磁检测技术建立了磁信号的数值模型,提出了新的参数来反映管道环焊缝的应力状态,为管道检测提供了科学依据。Tong K等[14]结合磁化理论,研究了弱磁激励条件下钢筋的力-磁耦合效应,并提出了新的思路用于钢筋混凝土结构的无损检测。此外,Xia R等[15]提出了有初始腐蚀和无初始腐蚀的磁机械效应的理论分析方法,为铁磁材料的应力-腐蚀耦合分析提供理论依据。Liu B等[16]提出了改进的磁力效应模型并结合仿真分析对钢丝绳损伤进行检测,为铁磁材料的损伤检测提供了新方法。最后,Ge J等[17]研究了在逆弯曲置和应力集中位置法向漏磁信号随应力的变化规律,并建立了磁性和力学性能之间的物理机制,为材料的损伤程度评估提供了新的参数和方法。这些研究为金属材料在应力状态下的磁性变化和相关的无损检测技术提供了重要的理论和实验依据,对工程和材料领域具有重要的指导意义。

3 金属磁记忆检测损伤评价

S.Kolokolnikov等[18]在研究中讨论了基于金属磁记忆法的焊接试样焊后热处理前后应力状态的变化,指出在弱地磁场作用下焊接过程中形成自漏磁的磁场强度与焊接接头应力状态变化之间的关系,并提出了利用磁记忆法快速检测焊接接头应力状态不均匀区的方法。另外,S.Kotake[19]从力学角度和实验结果讨论了塑性变形对铁磁性金属剩余磁化的影响,提出了利用测量无磁场下试件残余磁化强度的降低来检测试样在拉应力或压应力作用下是否发生额外塑性变形的方法。S.Gontarz等[20]发展了被动磁性方法诊断模型,用于确定结构的应力和作用力状态,强调了通过将动力学引入系统,在分析受检物体磁场随其作用力的变化以及分析结构的整体作用力时,必须考虑一些参数。Yao K等[21]采用金属磁记忆(MMM)方法评估了铁磁材料在非铁磁和铁磁压头作用下的接触损伤,建立了早期接触损伤准则并提取评价参数。A.Arifin等[22]基于磁性金属记忆法的铁磁钢疲劳寿命估算中评估失效时的材料参数,即收缩值,通过早期疲劳载荷下的收缩值对漏磁特征进行评估,实验和分析表明,金属磁记忆方法的估计值在实际循环数范围内,说明该方法在早期定位疲劳裂纹位置以及估计部件疲劳寿命的能力。C.Abarkane等[23]验证了金属磁记忆技术在金属阻尼器定量损伤评估中的应用,并通过实验验证了该指数用于量化狭缝板阻尼器在循环荷载作用下的损伤,强调了拟议的金属磁记忆损伤指数的相关性。Huang H等[24]研究了基于磁记忆合金技术进行拆卸损伤评估的可行性,并提出了拆卸损伤评估方法,具体研究了轴与叶轮过盈配合接头的拆卸,应力集中和塑性变形刺激了磁畴的变化,导致表面自发磁场的畸变和金属磁记忆信号的感应。

He M等[25]的研究基于等效磁极化法和有限元边界元混合方法,提出了一种考虑铁磁材料非线性和磁滞特性的非线性漏磁检测信号数值模拟方法。结果显示,非线性漏磁检测信号的失真主要受材料的剩磁系数影响,而剩磁系数会受到塑性变形等微损伤的显著影响。此外,Wang H等[26]系统研究了焊接接头在不同疲劳循环次数下拉压疲劳全过程中金属磁记忆信号的变化规律,结果显示金属磁记忆检测是一种可行的评估在用焊接件疲劳应力甚至剩余疲劳寿命的方法。这些研究为金属磁记忆检测技术的应用提供了新的方法和实验验证,拓展了该技术在材料损伤评估、疲劳寿命估计和结构性能评估等领域的应用前景。

4 金属磁记忆检测影响因素研究

最近的研究成果表明,金属磁记忆技术在材料领域的应用有着广阔的发展前景。Li J等[27]的研究重点是外加载荷对磁机械效应的影响,特别是针对施加负载对体磁场和局部表面磁场的影响。在弹性变形阶段,应力对磁性的影响导致单轴各向异性的发展。然而,在塑性变形区域,根据磁塑性模型计算的磁化在塑性形变的初始阶段表现出急剧变化,然后随着塑性应变的增加而缓慢降低。Su S等[28]提出了一种在不同速度条件下重建任意缺陷轮廓的有效方法,基于有限元模型,该方法能获得更好的重建精度。该方法在无损检测剖面重建的实际应用中具有广阔的前景。Shen Z等[29]的研究主要讨论了表面断裂裂纹的表面粗糙度与检测信号之间的关系,分析了目前漏磁检测中存在的粗糙度磁压缩效应,将有助于对漏磁检测进行定量评价。N.Sonntag等[30]的实验表明,杂散场不仅是由磁弹性效应形成的,而且不均匀的塑性变形形成了形貌,这是杂散磁场形成的主要原因之一。Li H等[31]的分析结果表明,不管应力分布的形式如何,磁梯度随着应力的增加而增加,基于上述结论,提出了一种残余磁场特性:磁场的二阶导数,这可以作为估计不连续结构中最大应力的统一定量标准。M.Moonesan等[32]的研究结果显示,试样残余磁场与其对应的应力诱导磁场水平有较强的相关性,这对于金属磁记忆技术在应力评估中具有重要意义。Liu B等[33]的研究讨论了裂纹尺寸对金属磁记忆法应力评估的影响,结果显示沟槽位置与突变的关系,提供了一种新的方法来评估材料的应力状态。

Liu B等[34]的研究发现,晶粒尺寸对金属磁记忆技术评估应力损伤有着显著影响。实验结果显示,随着晶粒尺寸的增大,磁场强度梯度略有减小,这是由于晶粒尺寸对变形能力的影响。同时,基于多项式函数确定了磁场强度梯度斜率与晶粒尺寸之间的关系。此外,Liu B等[35]还研究了外加磁场对磁记忆信号的影响,并采用有限元分析方法建立了X70管线钢的磁力学模型,研究发现在地磁场作用下,应力集中程度与磁记忆信号之间存在一对一的线性对应关系。另外,外部磁场强度的变化也影响着磁场信号的表现,从而对应力集中区的磁信号产生影响。Xie Z等[36]的研究集中在磁场对铁磁材料裂纹尖端应力强度因子的影响上,推导出了裂纹尖端附近结构变形引起的磁场扰动的半解析解,并定量评价了外加磁场对应力强度因子的影响。这些研究为我们提供了一种新的方式来理解磁场对材料裂纹行为的影响。M.P.van der Horst等[37]的研究则集中在应力诱导磁化对结构钢板应力集中区自漏磁的影响,结果显示,应力诱导的磁化强度在真实疲劳裂纹的前沿可能比在椭圆孔的尖端大得多,对于漏磁信号低得多的短椭圆表面裂纹,应力诱导磁化可能对缺陷附近的自漏磁信号有显著影响。这些研究成果为金属磁记忆技术的应用提供了新的思路和方法,拓展了该技术在材料性能评估、应力评估和缺陷检测等领域的应用前景。

5 结论与展望

根据近几十年来磁记忆技术的研究进展,本文综述了磁/应力耦合效应的理论研究、影响检测信号的因素、损伤状态的判断标准和缺陷识别等方面,总结了金属磁记忆技术的一些优点和关键问题。然而,磁/应力耦合模型的理论研究尚有待提升。目前的研究中,很少有模型能够准确描述张力释放和压缩释放过程中不同的磁化特征。因此,笔者提出了进一步优化相关参数的建议,以使模型更加准确。笔者还认为可以加入温度的影响来改进模型,并考虑更多的基本参数(如磁导率)来定量表征铁磁材料的应力应变状态。尽管人们进行了许多研究以探究磁场与应力集中区应力之间的关系,但仍存在诸多问题。在磁/应力耦合模型中缺乏能够准确描述张力释放和压缩释放过程中不同磁化特征的模型。此外,基于金属磁记忆方法的缺陷识别研究也相对少见,因为磁信号受应力状态、缺陷形状、缺陷深度、材料类型等多种因素的耦合影响。

金属磁记忆(MMM)是一种被动的磁性无损检测技术,可以高效简便地评估铁磁材料中的应力集中和早期损伤,具有预测构件寿命的潜力。然而,由于其相对较弱的磁信号和众多干扰因素,以及铁磁材料制造工艺和使用环境的差异,目前关于MMM技术能否准确表征残余应力和载荷大小仍存在争议。因此,该技术目前主要用作初步定性确定可能存在缺陷位置的方法。作为一种新兴的弱磁检测方法,MMM仍面临着多个尚未解决的问题,以充分发挥其在无损检测方面的潜力。首先,金属磁记忆的物理机理尚不明确,现有的磁-机械耦合模型仅适用于弹性阶段单轴应力作用下产生的磁场变化,无法解释塑性变形和断裂对材料磁性能的影响。其次,磁记忆检测数据的准确性和可重复性需要改进,必须明确影响磁记忆信号的可控因素及其影响程度,并排除磁干扰因素,提高检测的准确度。最后,为了实现对结构安全性的定量评估,需要建立材料损伤状态与评价参数的量化关系,为受力状态的反演做准备。

金属磁记忆检测信号的准确性和影响因素有待完善。磁记忆检测技术的损伤评判标准依赖于磁信号以及特征值的变化规律,因此磁信号的准确性是一个关键问题。由于磁信号是一种弱磁信号,受外界环境因素和人为因素的影响较大,需要逐一明确磁信号的干扰因素以及影响程度,以确保提取的检测信号的准确性。综上所述,解决这些问题将有助于进一步完善金属磁记忆检测技术的可靠性和实用性,推动其在无损检测和结构安全性诊断方面的应用。