专利名称：一种金属磁记忆定量检测方法
技术领域：
本发明涉及一种无损检测领域的金属磁记忆定量检测方法。
背景技术：
金属磁记忆检测技术是一种早期诊断的无损检测技术，是俄罗斯学者Doubov教授于20世纪90年代率先提出的，一经问世，便受到世界各国同行的普遍重视。磁记忆效应产生的主要原理为外应力载荷的作用下，铁磁构件会产生弹性应变和磁致伸缩性质的形变，从而引起磁畴壁的位移及转动，增加磁场的能量，引起磁弹性能的变化，在构件内部的不连续部位形成应力集中区，该区域引发的磁畴组织的重新取向排列形成磁极(等效为磁性源)，磁性源在构件表面产生可测量的漏磁场。漏磁场的切向分量具有极大值，而法向分量则改变符号并具有过零点，据此效应可以早期的定性判断构件的应力集中区。金属磁记忆检测技术可以对结构损伤进行早期诊断的优点使该技术具备传统无损检测技术无法比拟的优势。但由于漏磁场信号与残余应力、缺陷特性的关系尚不清楚，使得目前该技术只能用于定性分析，还难以建立普适的构件表面漏磁场与应力集中大小之间的定量对应关系。这些问题的存在极大的限定了金属磁记忆技术的实际工程应用范围。如何将金属磁记忆技术发展成为定量的检测技术，成为各国研究者亟待解决的关键问题和热点问题。解决金属磁记忆技术的定量化问题，就可以准确的检测离线设备和在役运行设备上已有的缺陷区段，还可以根据应力集中部位的定量分析，对尚未成形的隐性损伤进行预测、对正在形成的微裂纹等进行表征，对发展中的缺陷进行评估。研究外应力、构件内的磁性源(磁化强度)、构件内应力集中和漏磁场四者之间的相互作用关系是实现金属磁记忆技术定量化的关键所在。相对而言，漏磁场与磁性源的关系较为明确，仅涉及电磁场问题。此外，还需要建立外应力、磁性源和应力集中的定量对应关系，这一问题的解决是该技术定量化的关键。由于涉及铁磁材料微观机理、微磁和微弹性效应、力-磁耦合效应等问题，使得此方面的研究较为困难。针对前者，目前已经建立了带磁偶极子等效模型(参见文献宋凯等基于磁畴聚合模型的磁记忆效应机理研究.2007. (6) =312-314)和磁荷理论模型(参见文献Wang Z. D. et.al. Theoretical studies of metal magnetic memory technique on magnetic flux leakage signals. NDT&E International 43(2010)354-359)等。这些定量方法都是从漏磁检测原理出发，将应力集中区的磁化强度作为磁性源，建立真空中的磁性源与漏磁场的定量关系。由此可以解释漏磁场的切向分量出现极大值、法向分量出现过零点的原因。 针对后者，即建立外应力、磁性源和应力集中的定量对应关系，关于此方面的研究则尚未见到报道。关于金属磁记忆定量检测问题，俄罗斯动力诊断公司并未从外应力、构件内的磁性源(磁化强度)、构件内应力集中和漏磁场四者之间的关系出发，而是直接建立构件外漏磁场扎和应力集中(机械应力的变化Δ σ)的简单关系式Hl= λ Η/μ Q Δ σ。这里
4 = 3 斤… 为磁弹性效应的不可逆分量，Bh为剩余磁感应强度，He为地磁场强度，μ ^为真空磁导率。λΗ是磁场与应力的函数，定义为剩余磁感应强度对应力的导数。显然，剩余磁感应强度为矢量，应力为张量，λ Η为张量，需要通过实验对不同铁磁材料的λΗ进行测定。而在实际测量过程中，通常对铁磁试件预制人工缺陷，用测量的漏磁场的法向分量的最大值代替剩余磁感应强度，测量应力并计算出最大主应力，进一步计算出λΗ(此时λΗ为标量)，再利用^= λΗ/μ0Δ σ关系式进行定量。λΗ随着缺陷的几何参数的不同而不同，这种方法不是普适的定量方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种金属磁记忆定量检测方法。本发明从金属磁记忆的微观物理机理出发，针对铁磁构件具有非均质、可磁化、磁晶各向异性、磁弹性耦合效应等特点，利用描述固态微结构演变、微弹性特性的相场方法， 综合考虑铁磁构件外应力、地磁场和内应力集中对应的能量多样性，通过磁畴演化、结构微弹性理论，建立外应力、铁磁构件内的磁性源、铁磁构件内应力集中和漏磁场四者间的定量关系，通过检测漏磁场信号，进行应力集中定量评价，定量化构件内部应力集中区的特征应力场。本发明的定量方法采用特征应力场反映应力集中。本发明通过下述技术方案实现金属磁记忆定量化采用金属磁记忆检测仪对构件进行检测，得到金属磁记忆漏磁场信号，利用漏磁场信号进行应力集中的定量评价。所述的金属磁记忆检测仪包括磁场传感器和滤波、放大电路。所述的定量化的步骤为步骤1、建立铁磁构件外漏磁场与铁磁构件内磁性源的定量关系；步骤2、建立外应力、铁磁构件内磁性源和应力集中的定量关系。其中步骤1，利用磁化强度M表征磁性源。设铁磁构件内应力集中区为Q1，在铁磁构件内应力集中区以外的区域Ω2，在铁磁构件外部的空气区为Ω3。μ和μ ^分别为铁磁构件的磁导率和真空中的磁导率。矢量磁位A满足的方程为
权利要求
1.一种金属磁记忆定量检测方法，其特征在于所述的检测方法利用描述固态微结构演变、微弹性特性的相场方法，综合考虑铁磁构件外应力、地磁场和内应力集中对应的能量多样性，通过磁畴演化、结构微弹性理论，建立外应力与铁磁构件内磁性源和应力集中的定量对应关系；在此基础上，考虑应力集中区周围磁性材料特性，建立磁性源与表面漏磁场的定量关系，即建立外应力、铁磁构件内的磁性源、铁磁构件内应力集中和漏磁场四者之间的相互作用关系；通过检测得到的漏磁场信号，进行应力集中定量评价，定量化铁磁构件内部应力集中区的特征应力场。
2.根据权利要求1所述的金属磁记忆定量检测方法，其特征在于所述的定量检测方法采用特征应力场<反映应力集中。
3.根据权利要求1所述的金属磁记忆定量检测方法，其特征在于所述的定量检测方法中的定量化过程包括以下两个步骤步骤1、建立铁磁构件外漏磁场与构件内磁性源的定量关系；步骤2、建立外应力、铁磁构件内磁性源和应力集中的定量关系。
4.根据权利要求3所述的金属磁记忆定量检测方法，其特征在于所述的步骤1，以铁磁构件应力集中区的磁化强度M表征磁性源，考虑应力集中区周围磁性材料特性，建立构件外漏磁场和磁性源的定量关系设铁磁构件内应力集中区为Q1，在铁磁构件内应力集中区以外的区域Ω2，在铁磁构件外部的空气区为Ω3;μ和μ ^分别是铁磁构件的磁导率和真空中的磁导率；矢量磁位A满足的方程为
5.根据权利要求2或3所述的金属磁记忆定量检测方法，其特征在于所述的步骤2，利用σ『ζ表征外应力，特征应力场< =CijklStij，此处0^和<分别表示应力集中区的弹性模量张量和特征应变场；利用LandaU-Lifshitz-Gilbert(LLG)方程描述铁磁构件的磁畴演化，即单位磁化强度与系统总自由能间的关系为
全文摘要
一种金属磁记忆定量检测方法，其特征在于利用描述固态微结构演变、微弹性特性的相场方法，综合考虑铁磁构件外应力、地磁场和内应力集中对应的能量多样性，通过磁畴演化、结构微弹性理论，建立外应力与构件内磁性源和应力集中的定量对应关系。同时，考虑应力集中区周围磁性材料特性，建立磁性源与表面漏磁场的定量关系。从而有效地将微观与宏观结合起来，建立了外应力、铁磁构件内的磁性源、构件内应力集中和漏磁场四者之间的相互作用关系。当给定铁磁构件材料属性、宏观材料参数和外应力，根据测得的漏磁场信号，便可定量确定铁磁构件内磁性源的磁化强度和应力集中区的特征应力。
文档编号G01R33/02GK102288673SQ20111012054
公开日2011年12月21日 申请日期2011年5月10日 优先权日2011年5月10日
发明者刘国强, 白会娟 申请人:中国科学院电工研究所