黎連修

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 金化所，北京 100081)

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關(guān)于磁記憶檢測(cè)機(jī)理的分析與討論

黎連修

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 金化所，北京 100081)

從鐵磁性材料的基本特性出發(fā)，利用熱力學(xué)準(zhǔn)則和磁致伸縮方程，研究了金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)的原理和激發(fā)磁記憶的條件，分析了漏磁場(chǎng)的形成原因及其分布規(guī)律，討論了應(yīng)力、極化場(chǎng)和材料性能對(duì)磁記憶現(xiàn)象的不同影響，解釋了地磁場(chǎng)的作用和漏磁場(chǎng)垂直分量過(guò)零點(diǎn)的物理原因，提出了從磁記憶磁場(chǎng)中提取缺陷或潛在缺陷信息的方法，強(qiáng)調(diào)了磁場(chǎng)分布的相對(duì)差別或相對(duì)變化對(duì)磁記憶檢測(cè)的重要性。

鐵磁體；多晶體；壓磁效應(yīng)； 磁記憶

金屬磁記憶檢測(cè)是利用應(yīng)力在材料中激發(fā)的磁場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)的，自出現(xiàn)之日起便一直受到我國(guó)廣大無(wú)損檢測(cè)人員的普遍關(guān)注，并成為近年來(lái)最具活力的科研題材之一[1-11]。其中任吉林、黃松嶺、周俊華、李路明、黎連修等從不同角度對(duì)磁記憶現(xiàn)象的機(jī)理開展了研究；李路明、鐘力強(qiáng)等還對(duì)地磁場(chǎng)的影響進(jìn)行了深入探討，仲維暢特別關(guān)注了材料斷裂時(shí)磁場(chǎng)的瞬態(tài)變化情況;耿榮生、沈功田等則分別對(duì)航空飛行器和特種設(shè)備開展了磁記憶檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用方面的研究。

磁記憶是鐵磁材料在應(yīng)力和外磁場(chǎng)作用下所產(chǎn)生的一種磁現(xiàn)象，其實(shí)質(zhì)是一種力磁效應(yīng)或磁致伸縮的逆效應(yīng)，亦即壓磁效應(yīng)。在應(yīng)力和外磁場(chǎng)的作用下，磁疇會(huì)產(chǎn)生定向和不可逆的重新取向，甚至在載荷消除后這種磁狀態(tài)還依然存在或部分存在，形成磁記憶磁場(chǎng)。通過(guò)對(duì)這種磁記憶磁場(chǎng)的檢測(cè)，可發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域或其他潛在危險(xiǎn)缺陷，是一種非接觸式的無(wú)損檢測(cè)新方法。

經(jīng)過(guò)十幾年的研究和觀察，我國(guó)對(duì)磁記憶的認(rèn)識(shí)取得了重大進(jìn)展，并且繼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(ISO 24497《無(wú)損檢測(cè) 金屬磁記憶》)后，也制定了相關(guān)的國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 26641《無(wú)損檢測(cè) 磁記憶檢測(cè)總則》、JB/T11605《無(wú)損檢測(cè)儀器 金屬磁記憶檢測(cè)儀 技術(shù)條件》等)，有力地促進(jìn)了該技術(shù)的推廣和應(yīng)用。但該技術(shù)目前還存在諸多問(wèn)題沒(méi)達(dá)成共識(shí)，例如： ① 磁記憶現(xiàn)象是如何產(chǎn)生的，規(guī)律如何；② 磁記憶與哪些因素有關(guān),如何有關(guān);③ 磁記憶磁場(chǎng)為何在交變應(yīng)力的反復(fù)作用下會(huì)逐漸增強(qiáng);④ 磁記憶為何與地磁場(chǎng)有關(guān)，如何有關(guān);⑤ 磁記憶磁場(chǎng)為何有法向分量過(guò)零點(diǎn)的現(xiàn)象;⑥ 磁記憶磁場(chǎng)的分布狀態(tài)與哪些因素有關(guān),如何有關(guān);⑦ 材料的性能和狀態(tài)能否影響磁記憶,如何影響;⑧ 如何從磁記憶磁場(chǎng)中提取有用信息,磁場(chǎng)中的哪些量與應(yīng)力集中或潛在危險(xiǎn)密切相關(guān)等。

上述問(wèn)題的全部解決，可能需要一個(gè)漫長(zhǎng)而復(fù)雜的研究過(guò)程，筆者試圖尋找解決上述問(wèn)題的研究可行方向。

作為一個(gè)物理現(xiàn)象，磁記憶也應(yīng)有它的始點(diǎn)、終點(diǎn)和變化過(guò)程。這里的終點(diǎn)是指應(yīng)力造成了材料破裂，文中并不涉及破裂時(shí)的瞬態(tài)變化，而只是對(duì)磁記憶現(xiàn)象產(chǎn)生的初始時(shí)刻和之后的發(fā)展變化過(guò)程進(jìn)行討論。除特別注明處外，文中研究對(duì)象為多晶鐵磁性材料，壓磁效應(yīng)和壓磁性分別特指材料在應(yīng)力作用下能產(chǎn)生凈磁場(chǎng)的一種力磁現(xiàn)象和磁性能。

1 磁記憶現(xiàn)象的產(chǎn)生

1.1 熱力學(xué)分析

鐵磁性材料從高溫狀態(tài)降至居里溫度以下時(shí)，會(huì)產(chǎn)生自發(fā)磁化而形成磁疇。磁疇是鐵磁材料一切磁特性的基礎(chǔ)，而磁疇的形成則是各種能量共同作用的結(jié)果。其中與磁記憶有關(guān)的能量主要為外磁場(chǎng)能、應(yīng)力能和退磁場(chǎng)能等。根據(jù)熱力學(xué)準(zhǔn)則，在平衡條件下，磁疇或磁矩的實(shí)際存在狀態(tài)，應(yīng)是使總自由能取最小值的狀態(tài)。

(1) 外磁場(chǎng)能EH

外磁場(chǎng)能EH與外磁場(chǎng)強(qiáng)度H和晶體的磁化強(qiáng)度MS有關(guān)：

(1)

式中：θ為外磁場(chǎng)H和磁化強(qiáng)度MS間的夾角。

EH∝cosθ，與余弦函數(shù)的一次方成正比，外磁場(chǎng)能取最小值的方向只有θ=0的方向，因此磁化強(qiáng)度只能靠向外磁場(chǎng)，對(duì)外可產(chǎn)生一個(gè)剩余磁場(chǎng)，即凈磁場(chǎng)。

(2) 應(yīng)力能ET

應(yīng)力能ET取如下形式[12]：

(2)

式中：T0為應(yīng)力幅度；λs為飽和磁致伸縮常數(shù)。

ET∝cos2θ，與余弦函數(shù)的偶次方成正比。當(dāng)某個(gè)θ方向是應(yīng)力能取最小值的方向時(shí)，那么這個(gè)方向的反方向(θ+180°)也必然是應(yīng)力能取最小值的方向，磁化強(qiáng)度在這兩個(gè)相反方向上的分布是等價(jià)、隨機(jī)的。對(duì)于多晶材料來(lái)說(shuō)，原來(lái)在三維空間隨機(jī)分布的磁化強(qiáng)度，在應(yīng)力作用下會(huì)變成二維(應(yīng)力的垂直平面上)隨機(jī)分布或一維(應(yīng)力的正反方向)隨機(jī)分布，但都可相互抵消，不會(huì)產(chǎn)生剩余磁場(chǎng)，因而對(duì)外不顯示磁性。即應(yīng)力可改變材料的某些磁性，但卻不能產(chǎn)生磁記憶現(xiàn)象。

1.2 壓磁方程

為了描述磁記憶現(xiàn)象的規(guī)律，解釋各因素的作用，筆者者曾用磁致伸縮方程組進(jìn)行過(guò)分析[6,11]，其中與磁場(chǎng)和應(yīng)力直接有關(guān)的方程為[13-14]：

(3)

對(duì)于多晶材料，壓磁常數(shù)d=0，即其中各元素全都為零。從公式(3)可看出，即使有應(yīng)力也不會(huì)產(chǎn)生出磁場(chǎng)，與從熱力學(xué)分析得出的結(jié)論相同。

1.3 材料的極化和壓磁常數(shù)

為產(chǎn)生磁記憶現(xiàn)象，需要改變材料的磁各向同性，使d不等于0。最簡(jiǎn)單的方法是對(duì)材料施加一極化場(chǎng)進(jìn)行極化，類似于壓電材料的電極化。極化后的材料不再是各向同性，d中的各元素也不再全為零。若將極化方向取作z方向(即33方向)，則d具有如下簡(jiǎn)單形式[14]：

(4)

可見，極化場(chǎng)改變了材料的壓磁性，使d不等于0。對(duì)于線性磁致伸縮，d31=d32=-0.5d33。

1.4 磁記憶磁場(chǎng)

公式(3)中的B由兩部分組成，前一部分由壓磁效應(yīng)產(chǎn)生，記作BT，可稱為壓磁磁場(chǎng)，或磁記憶磁場(chǎng)；后一部分則由外磁場(chǎng)(如地磁場(chǎng))磁化產(chǎn)生，為常規(guī)的鐵磁體的磁化，記為BH。

(5)

(6)

由式(5)可以看出，當(dāng)T和d都不為0時(shí)，BT不等于0，該壓磁磁場(chǎng)或其剩磁場(chǎng)(應(yīng)力消失后)泄漏到材料外面，就成了可測(cè)量的磁記憶磁場(chǎng)。磁記憶磁場(chǎng)不是壓磁磁場(chǎng)的全部，而是其中的一部分。在文中暫不特別區(qū)分全部和部分，除特別注明外，統(tǒng)稱為磁記憶磁場(chǎng)，而壓磁磁場(chǎng)則特指全部磁場(chǎng)。

BT可以有三個(gè)分量：

(7)

可以看出：① 不僅極化場(chǎng)方向有磁場(chǎng)，而且極化場(chǎng)的垂直方向上也可有磁場(chǎng);② 法向應(yīng)力激發(fā)的磁場(chǎng)在極化場(chǎng)方向上; ③ 切向應(yīng)力激發(fā)的磁場(chǎng)在極化場(chǎng)的垂直方向上，但極化場(chǎng)垂直平面內(nèi)的切向應(yīng)力不產(chǎn)生磁場(chǎng)。

2 磁記憶磁場(chǎng)的增強(qiáng)和泄漏

磁記憶磁場(chǎng)在應(yīng)力作用期間產(chǎn)生，而又往往在應(yīng)力作用后測(cè)量，并且產(chǎn)生于表面以下，而卻在表面以外測(cè)量，測(cè)量的只是泄漏到材料外部的那部分漏磁場(chǎng)。為研究磁記憶磁場(chǎng)與應(yīng)力之間的關(guān)系，有必要對(duì)磁記憶產(chǎn)生的初始情況、變化過(guò)程和磁場(chǎng)的保持及泄漏規(guī)律等進(jìn)行研究。

2.1 磁場(chǎng)的產(chǎn)生

由式(5)可以看出，只要應(yīng)力T和壓磁常數(shù)d都不為零，磁場(chǎng)B就不為零；反之，只要T和d都為零或其中之一為零，B即為零?？梢?，應(yīng)力和壓磁性是產(chǎn)生磁記憶的兩個(gè)必要條件，二者缺一不可。多晶材料未極化時(shí)不具有壓磁性，應(yīng)力不能在未極化的多晶材料中激發(fā)磁場(chǎng)。

如果對(duì)多晶鐵磁性材料施加一外磁場(chǎng)進(jìn)行磁化，材料中會(huì)產(chǎn)生一極化場(chǎng)，從而便獲得了壓磁性，在有應(yīng)力作用時(shí)就可激發(fā)出磁場(chǎng)。外磁場(chǎng)可能有多種類型和形式，其中最普遍、最穩(wěn)定且可自然獲得的外磁場(chǎng)就是地磁場(chǎng)。在一些產(chǎn)品的制造或加工階段，例如鑄件的鑄造和焊縫的焊接階段，外磁場(chǎng)往往就僅有地磁場(chǎng)，地磁場(chǎng)也就成了唯一能改變材料壓磁性的外磁場(chǎng)，這也正是大家特別重視地磁場(chǎng)的重要原因。

2.2 磁場(chǎng)的增強(qiáng) 在應(yīng)力作用的初始階段，地磁場(chǎng)或外磁場(chǎng)較弱，材料的壓磁性以及由此激發(fā)的初始磁場(chǎng)也較弱。但如果有交變應(yīng)力的反復(fù)作用，相當(dāng)于壓磁磁場(chǎng)對(duì)材料反復(fù)磁化，則材料的壓磁性以及磁記憶磁場(chǎng)會(huì)因磁滯效應(yīng)而逐步增強(qiáng)[11]，其變化規(guī)律可做如下定性解釋：

(1) 初始狀態(tài)：極化場(chǎng)和材料的壓磁性都十分微弱，當(dāng)應(yīng)力T從0逐漸增大到極大值T0時(shí)，壓磁磁場(chǎng)B沿圖1中的oa路徑逐步增大至a，d則沿圖2 中的o1a路徑逐步增大至a。在此過(guò)程的每一時(shí)刻，極化場(chǎng)與壓磁磁場(chǎng)的合成磁場(chǎng)，即為該時(shí)刻的新的極化場(chǎng)，所以a點(diǎn)處極化場(chǎng)的幅值大于原點(diǎn)處極化場(chǎng)的幅值。

(2) 周期變化：當(dāng)應(yīng)力從極大值降至0時(shí)，由于材料的磁滯性，B不會(huì)降至0，而是沿圖1中的ab路徑降至b，形成剩磁Br。壓磁常數(shù)d則沿圖2中的ab路徑降至b，同樣大于初始值。在下一個(gè)周期，應(yīng)力相當(dāng)于在一個(gè)壓磁性較大的材料上激發(fā)磁記憶，因而能產(chǎn)生更強(qiáng)些的磁場(chǎng)，極化場(chǎng)和d也同樣會(huì)有所增強(qiáng)或增大。

(3) 趨于極值：在交變應(yīng)力反復(fù)作用下，B和d都會(huì)不斷增大，直至各自的極大值形成一封閉的回線。

如果應(yīng)力不斷增大或足夠大，B也會(huì)達(dá)到飽和值[11]。

圖1 磁記憶磁場(chǎng)隨交變應(yīng)力的變化

圖2 壓磁常數(shù)隨交變應(yīng)力的變化

從上述變化過(guò)程可看出：

(1) 材料的壓磁性是應(yīng)力激發(fā)磁場(chǎng)的必要條件，而磁滯性則能使壓磁性在交變應(yīng)力的反復(fù)作用下逐步增強(qiáng)。即使應(yīng)力幅值不變，磁記憶磁場(chǎng)的強(qiáng)度也會(huì)逐漸增大。

(2) 壓磁效應(yīng)激發(fā)的磁場(chǎng)，隨即又成了極化場(chǎng)的一部分，使材料的壓磁性和壓磁磁場(chǎng)會(huì)在應(yīng)力的反復(fù)作用下逐步增強(qiáng)，直至最大值。

2.3 磁場(chǎng)的保持和泄漏

材料的磁滯性是形成剩磁的直接原因，而剩磁的保持，則需依賴材料的矯頑力。若沒(méi)有矯頑力，即使產(chǎn)生了很強(qiáng)的剩磁也會(huì)在自然環(huán)境中很快消失，得不到磁記憶磁場(chǎng)。

應(yīng)力的作用不僅可激發(fā)壓磁磁場(chǎng)，還可使材料的矯頑力升高，磁導(dǎo)率降低[6]，使其往硬磁方向發(fā)展，甚至?xí)霈F(xiàn)“軟”材料、“硬”缺陷的情況，因此磁記憶比常規(guī)的材料磁化更容易產(chǎn)生和保持剩磁。

壓磁磁場(chǎng)(或剩磁場(chǎng))的泄漏與磁路中的磁阻變化有關(guān)。應(yīng)力的作用還可使材料磁阻抗增大[6]，迫使一部分磁場(chǎng)泄漏到空氣中而形成漏磁場(chǎng)，這部分漏磁場(chǎng)就是磁記憶檢測(cè)所能測(cè)量的磁場(chǎng)。

總之，磁場(chǎng)的產(chǎn)生與材料的壓磁性有關(guān)，剩磁的產(chǎn)生與材料的磁滯性有關(guān)，剩磁的保持與材料的矯頑力有關(guān);而磁場(chǎng)的泄漏，或磁記憶磁場(chǎng)的形成，則與磁路中磁阻的變化情況有關(guān)。

3 應(yīng)力的作用

在應(yīng)力作用下，材料中會(huì)同時(shí)發(fā)生兩種效應(yīng)，一是力學(xué)性能的變化，如產(chǎn)生塑性形變或造成裂紋的萌生及擴(kuò)展等;二是磁性能的變化和壓磁磁場(chǎng)的產(chǎn)生。以上兩種效應(yīng)不僅同時(shí)發(fā)生，還會(huì)相互影響，如裂紋的萌生會(huì)增大磁路磁阻而影響漏磁場(chǎng)。磁記憶檢測(cè)就是通過(guò)對(duì)漏磁場(chǎng)的檢測(cè)去發(fā)現(xiàn)能夠破壞材料力學(xué)性能的應(yīng)力集中以及由其產(chǎn)生的裂紋等。

應(yīng)力的作用主要包括： ① 在壓磁材料中激發(fā)磁場(chǎng)，產(chǎn)生磁記憶;② 交變應(yīng)力可使材料的壓磁性以及壓磁磁場(chǎng)逐步增強(qiáng);③ 改變材料的某些磁性能，如使矯頑力升高、磁導(dǎo)率降低、磁阻增大等。

4 極化場(chǎng)

極化場(chǎng)可改變多晶材料的壓磁性，使d不等于0。極化場(chǎng)實(shí)際上就是材料中真實(shí)存在的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)由兩部分組成，一是外磁場(chǎng)對(duì)材料磁化而產(chǎn)生的磁場(chǎng)HO;二是由壓磁效應(yīng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)HT。極化場(chǎng)HP為二者的矢量和：

(8)

當(dāng)外磁場(chǎng)僅有地磁場(chǎng)一種磁場(chǎng)時(shí)，HO就變成了地磁場(chǎng)在材料中激發(fā)的磁場(chǎng)HG。

一般說(shuō)來(lái)，HO或HG，弱而穩(wěn)定，近似常數(shù)；HT則會(huì)隨應(yīng)力的變化而變化,并逐步增強(qiáng)。

在應(yīng)力作用的初始時(shí)刻，材料中只有HO。HO在強(qiáng)度、方向和分布上，都可能與外磁場(chǎng)(包括地磁場(chǎng))存在很大差異，主要表現(xiàn)在如下幾方面：

(1) 強(qiáng)度：由于工件的磁導(dǎo)率很高，由式(6)可知，工件中的磁場(chǎng)一般會(huì)強(qiáng)于外磁場(chǎng)。

(2) 方向：根據(jù)磁路折射定律，在磁導(dǎo)率大的材料中，磁感應(yīng)線的折射角大，反之則小。工件中的磁導(dǎo)率一般遠(yuǎn)大于空氣中的磁導(dǎo)率，因此工件中的磁場(chǎng)多趨向于工件表面。

(3) 分布：由于工件中的折射磁感應(yīng)線在入射平面(入射磁感應(yīng)線與界面法線所決定的平面)內(nèi)，當(dāng)工件表面為非平面時(shí)，各點(diǎn)處的法線會(huì)各不相同，相當(dāng)于磁感應(yīng)線不斷改變方向，相應(yīng)地入射平面和折射磁感應(yīng)線也在不斷地改變方向，使得一個(gè)平行磁場(chǎng)進(jìn)入工件后會(huì)變成一個(gè)紊亂磁場(chǎng)，各點(diǎn)處磁場(chǎng)的方向也會(huì)有所不同。

另外，由于退磁場(chǎng)的影響，工件中的磁場(chǎng)會(huì)與工件形狀有關(guān)，一般說(shuō)來(lái)，在工件長(zhǎng)度方向或圓形工件的圓周方向容易磁化，在同樣外磁場(chǎng)的情況下，這些方向的磁場(chǎng)會(huì)相對(duì)強(qiáng)些。

總之，工件中最初的極化場(chǎng)HO，多在工件長(zhǎng)度方向或圓周方向占優(yōu)勢(shì)，靠近表面且平行于表面的分量占優(yōu)勢(shì)，方向則隨表面曲率的變化而變化，存在一定的發(fā)散性。

5 地磁場(chǎng)

在討論磁記憶原理或提及杜波夫的中心觀點(diǎn)時(shí)，總要強(qiáng)調(diào)地磁場(chǎng)的作用，地磁場(chǎng)是研究磁記憶無(wú)法回避的重要問(wèn)題[15-16]。其實(shí)，地磁場(chǎng)只是諸多外磁場(chǎng)中的一個(gè)或一部分，其作用與其他外磁場(chǎng)完全一樣。只不過(guò)由于地磁場(chǎng)無(wú)處不在，且難以驅(qū)離，所以才常被提起，成了外磁場(chǎng)的一個(gè)代名詞。

5.1 地磁場(chǎng)激發(fā)極化場(chǎng) 地磁場(chǎng)可激發(fā)極化場(chǎng)，從而使多晶材料具有壓磁性，當(dāng)有應(yīng)力作用時(shí)，材料中便會(huì)產(chǎn)生出壓磁磁場(chǎng)。

壓磁磁場(chǎng)一旦出現(xiàn)，便與地磁場(chǎng)疊加成一個(gè)新的磁場(chǎng)(假設(shè)沒(méi)有其他外磁場(chǎng))，這個(gè)磁場(chǎng)就是總的極化場(chǎng)HP。壓磁磁場(chǎng)成了HP的一部分，即式(8)中的HT。壓磁磁場(chǎng)或HT會(huì)因磁滯性而在應(yīng)力的反復(fù)作用下逐漸增強(qiáng)，并可能逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，地磁場(chǎng)的作用則會(huì)相對(duì)逐漸減小，以致后來(lái)甚至可以忽略不計(jì)，使得測(cè)量到的磁記憶磁場(chǎng)僅與應(yīng)力作用有關(guān)，這對(duì)磁記憶檢測(cè)無(wú)疑是十分有利的。

不過(guò)，當(dāng)材料本身不是磁各向同性時(shí)，或d各元素不全為零時(shí)，則即使沒(méi)有地磁場(chǎng)(或其他外磁場(chǎng))也同樣能夠產(chǎn)生磁記憶現(xiàn)象，因而地磁場(chǎng)并非永遠(yuǎn)必不可少，關(guān)鍵是材料是否具有壓磁性。

5.2 地磁場(chǎng)并非極化場(chǎng)

地磁場(chǎng)可激發(fā)極化場(chǎng)，但極化場(chǎng)“并非就是”地磁場(chǎng)，而應(yīng)是這個(gè)地磁場(chǎng)在工件中激發(fā)出的磁場(chǎng)HG，二者并不相等。同時(shí)地磁場(chǎng)可能只是外磁場(chǎng)的一部分，HG更可能只是全部極化場(chǎng)一部分(HO)的一部分。只有在沒(méi)有其他外磁場(chǎng)的情況下，并且是在應(yīng)力作用的初始時(shí)刻，HG才是唯一的，也只有在這種情況下，地磁場(chǎng)才是必不可少的。

6 垂直分量過(guò)零點(diǎn)現(xiàn)象

有關(guān)磁記憶原理的另一個(gè)中心觀點(diǎn)，就是磁場(chǎng)的垂直分量過(guò)零點(diǎn)。有人甚至把這一現(xiàn)象視作磁記憶磁場(chǎng)的判據(jù)，認(rèn)為只要出現(xiàn)了過(guò)零點(diǎn)現(xiàn)象，就是有了磁記憶。

其實(shí)，垂直分量過(guò)零點(diǎn)是所有漏磁場(chǎng)的共同特點(diǎn)，并非磁記憶所獨(dú)有。磁記憶是一種漏磁場(chǎng)，其垂直分量自然應(yīng)有過(guò)零點(diǎn)現(xiàn)象。

當(dāng)磁路中某處磁阻突然增大或發(fā)生突變時(shí)，根據(jù)磁路定律，磁力線(磁感應(yīng)線)會(huì)自發(fā)選擇一條磁阻最小的路徑通過(guò)，迫使部分磁力線逸出表面形成漏磁場(chǎng)，并出現(xiàn)正負(fù)兩個(gè)磁極。漏磁場(chǎng)的磁力線從N極導(dǎo)出然后再回到S極，呈彎曲狀，其斜率必定有正負(fù)變化，或垂直分量必然過(guò)零點(diǎn)。即使是地磁場(chǎng)，在赤道附近垂直分量也會(huì)反向，否則地球就變成了一個(gè)單磁極。

在磁記憶現(xiàn)象中，應(yīng)力集中或缺陷引起材料磁阻變化并造成漏磁場(chǎng)，漏磁場(chǎng)也會(huì)反映出應(yīng)力或缺陷的某些特征。如遇到應(yīng)力集中或裂紋時(shí)，磁阻變化十分突然，漏磁場(chǎng)會(huì)相對(duì)集中，垂直分量強(qiáng)，磁力線陡峭；當(dāng)遇有一些離散性或體積狀缺陷時(shí)，磁阻變化緩慢，漏磁場(chǎng)會(huì)相對(duì)分散，垂直分量弱，磁力線也相對(duì)平緩。

總之，漏磁場(chǎng)的分布狀態(tài)與磁場(chǎng)處磁阻的相對(duì)變化有關(guān)，進(jìn)而與應(yīng)力集中程度或缺陷情況有關(guān)。垂直分量過(guò)零點(diǎn)的地方，是正負(fù)磁極的分界點(diǎn)，往往也正是應(yīng)力集中或缺陷的所在位置。

7 磁記憶信息的提取

磁場(chǎng)強(qiáng)度：由式(6)可以看出，壓磁磁場(chǎng)的幅值與應(yīng)力幅值成正比，但實(shí)際測(cè)量到的磁場(chǎng)并非壓磁磁場(chǎng)的全部，而僅是泄漏到工件外面的一部分，該部分漏磁場(chǎng)的大小與多種因素有關(guān)，其中包括應(yīng)力集中區(qū)域的部位、方向和材料的特性、狀態(tài)等，因而并非都能真實(shí)地反映出應(yīng)力大小。

磁場(chǎng)梯度：即磁場(chǎng)的變化趨勢(shì)，相對(duì)于位置的一階微分，能夠較好地反映應(yīng)力集中程度或缺陷的某些形態(tài)，是磁記憶檢測(cè)中的重要參量，在杜波夫的研究和有關(guān)磁記憶的國(guó)際國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中都強(qiáng)調(diào)了該參量。

梯度變化：磁場(chǎng)梯度的相對(duì)變化，即磁記憶磁場(chǎng)的二階微分，可反映出應(yīng)力集中區(qū)域的相對(duì)差別，該差別出現(xiàn)異常時(shí)，表示應(yīng)力集中出現(xiàn)異常，直接給出了危險(xiǎn)的存在。

磁記憶磁場(chǎng)還有另一個(gè)變化量，即隨時(shí)間的變化量，反映的是應(yīng)力狀態(tài)隨時(shí)間的變化情況。當(dāng)該變化突然增大時(shí)，說(shuō)明應(yīng)力集中程度發(fā)生重大變化，同樣能夠較好地反映危險(xiǎn)程度。

可見，磁記憶磁場(chǎng)的相對(duì)差別或相對(duì)變化，有時(shí)比磁場(chǎng)強(qiáng)度的幅值更重要。在磁記憶檢測(cè)中，采用相對(duì)測(cè)量或比較測(cè)量，有時(shí)比絕對(duì)測(cè)量(測(cè)量信號(hào)幅值)更可靠。

8 結(jié)論與討論

(1) 產(chǎn)生磁記憶的機(jī)理和條件

磁記憶是壓磁效應(yīng)產(chǎn)生的一種磁現(xiàn)象，壓磁性和應(yīng)力是產(chǎn)生磁記憶的兩個(gè)必要條件，缺一不可。但要產(chǎn)生一個(gè)有實(shí)用價(jià)值的磁記憶必須具備三個(gè)基本條件，即材料的壓磁性、磁滯性和應(yīng)力的反復(fù)作用。

(2) 材料的壓磁性

多晶材料不具有壓磁性。使多晶材料具有壓磁性的簡(jiǎn)單方法是對(duì)其進(jìn)行磁化，即在材料中激發(fā)出極化場(chǎng)。材料的壓磁性及其壓磁常數(shù)的大小與材料中極化場(chǎng)的大小有關(guān)，或者說(shuō)與材料的磁化狀態(tài)有關(guān)。

(3) 應(yīng)力的作用

一是激發(fā)磁記憶磁場(chǎng)，二是改變材料的磁特性，而磁特性的改變又會(huì)影響磁記憶的產(chǎn)生。

激發(fā)磁場(chǎng)：能夠且只能夠在具有壓磁性的材料中激發(fā)磁場(chǎng)，而不能在未極化的多晶材料中激發(fā)磁場(chǎng)。

改變磁特性：使材料的矯頑力升高、磁導(dǎo)率降低、磁阻增大，往“硬磁”方向發(fā)展。交變應(yīng)力的反復(fù)作用還可使壓磁性逐步增強(qiáng)。

(4) 極化場(chǎng)

極化場(chǎng)是材料中實(shí)際存在的磁場(chǎng)，主要由兩部分疊加而成。一是由外磁場(chǎng)對(duì)材料磁化而產(chǎn)生的磁場(chǎng)，二是由壓磁效應(yīng)直接產(chǎn)生的磁場(chǎng)。前者一般弱而固定，在初始時(shí)刻起關(guān)鍵作用；后者則隨應(yīng)力的變化而變化，并逐步增強(qiáng)以致起主導(dǎo)作用。

外磁場(chǎng)激發(fā)的極化場(chǎng)在強(qiáng)度和方向等方面都可能與其自身有較大差異，一般情況下，極化場(chǎng)的強(qiáng)度大于外磁場(chǎng)強(qiáng)度，在工件的長(zhǎng)度和圓周方向上往往占優(yōu)勢(shì)，而方向則多平行于工件表面，在工件表面為非平面時(shí)，還可能會(huì)有一定的畸變或離散。

(5) 地磁場(chǎng)

地磁場(chǎng)是一種重要的外磁場(chǎng)，可在工件中激發(fā)極化場(chǎng)，從而使多晶材料具有壓磁性。地磁場(chǎng)不等于外磁場(chǎng)，而是外磁場(chǎng)中的一個(gè)或一部分。地磁場(chǎng)不等于極化場(chǎng)，地磁場(chǎng)在工件中激發(fā)出的磁場(chǎng)才是極化場(chǎng)(或其一部分)。

地磁場(chǎng)(或外磁場(chǎng))只有在應(yīng)力作用的最初時(shí)刻才十分必要，后來(lái)的作用則會(huì)逐漸相對(duì)減弱以致可以忽略不計(jì)。開始時(shí)必不可少，測(cè)量時(shí)蹤跡難覓，是地磁場(chǎng)的一個(gè)獨(dú)有特點(diǎn)。

(6) 有關(guān)磁記憶磁場(chǎng)及過(guò)零點(diǎn)現(xiàn)象

磁記憶磁場(chǎng)是壓磁磁場(chǎng)或其剩磁場(chǎng)的漏磁場(chǎng)。造成磁場(chǎng)泄漏的直接原因是磁路中磁阻的變化或差異，這種變化或差異往往是由應(yīng)力或缺陷造成的。

漏磁場(chǎng)的分布狀態(tài)與應(yīng)力或缺陷的位置、形態(tài)等有關(guān)，是缺陷或潛在危險(xiǎn)判定的重要依據(jù)。

不過(guò)，磁場(chǎng)的垂直分量過(guò)零點(diǎn)，是所有漏磁場(chǎng)的共同特點(diǎn)，并非磁記憶所獨(dú)有。垂直分量過(guò)零點(diǎn)的地方，是正負(fù)磁極的分界處，往往也是應(yīng)力集中或缺陷的所在位置，因而是定位的重要依據(jù)。

(7) 材料性能對(duì)磁記憶的影響

壓磁性：是產(chǎn)生磁場(chǎng)的必要條件，若沒(méi)有壓磁性，應(yīng)力無(wú)法激發(fā)磁記憶磁場(chǎng)。

磁滯性：是產(chǎn)生剩磁的直接原因，同時(shí)可使材料的壓磁性在交變應(yīng)力的反復(fù)作用下逐步增強(qiáng)。

矯頑力：是保持剩磁的直接原因，若沒(méi)有矯頑力，則即使形成了很強(qiáng)的剩磁也無(wú)法保持。

磁阻抗：是造成漏磁場(chǎng)的重要原因，并影響漏磁場(chǎng)的強(qiáng)度和分布；磁阻與應(yīng)力或缺陷情況有關(guān)。

磁導(dǎo)率：影響極化場(chǎng)的強(qiáng)度和方向，進(jìn)而影響壓磁磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向，同樣與應(yīng)力或缺陷情況有關(guān)。

結(jié)構(gòu)形狀：由于退磁場(chǎng)的存在，會(huì)影響外磁場(chǎng)對(duì)材料的磁化，進(jìn)而影響極化場(chǎng)的大小及分布等。

(8) 磁記憶檢測(cè)

磁記憶磁場(chǎng)與應(yīng)力集中、缺陷或潛在危險(xiǎn)的關(guān)聯(lián)性受多種因素影響，并且因工件、條件不同而不同，需要長(zhǎng)時(shí)間的研究和探討。

磁場(chǎng)幅值：磁記憶磁場(chǎng)僅是壓磁磁場(chǎng)的一部分，其幅值不一定與應(yīng)力呈簡(jiǎn)單的比例關(guān)系。

磁場(chǎng)梯度：即磁場(chǎng)的一階偏微分，能夠較好地反映應(yīng)力集中的程度。

梯度的變化率：即磁場(chǎng)的相對(duì)差別或二階偏微分，反映了應(yīng)力集中的危險(xiǎn)程度。

時(shí)間變化率：即磁記憶磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化情況，是應(yīng)力集中或潛在缺陷發(fā)展變化的重要判據(jù)。

可見，磁記憶檢測(cè)較適用于比較法或?qū)Ρ确?。尤其是磁?chǎng)梯度的相對(duì)差異，以及磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化情況，能較好地反映應(yīng)力集中的危險(xiǎn)程度和發(fā)展趨勢(shì)，是應(yīng)該特別予以關(guān)注的。

感謝在文章的撰寫過(guò)程中，得到沈建中教授和林俊明專家的大力幫助和指導(dǎo)。

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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

黎連修(1949-)， 男，研究員，主要從事鐵道行業(yè)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用方面的研究。

黎連修，E-mail:lilianxiu@126.com。

10.11973/wsjc201611001

TG115.28

A

1000-6656(2016)11-0001-06