金属磁记忆检测技术研究新进展与关键问题

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 金属磁记忆检测技术研究新进展与关键问题 苏三庆刘馨为王威左付亮邓瑞泽秦彦龙 Progress and key problems in the research on metal magnetic memory testing technology SU San-qing.LIU Xin-wei,WANG Wei,ZUO Fu-liang.DENG Rui-ze,QIN Yan-long 引用本文： 苏三庆，刘馨为，王威，左付亮，邓瑞泽，秦彦龙.金属磁记忆检测技术研究新进展与关键问题工程科学学报，2020， 42(12:1557-1572.doi:10.13374j.issn2095-9389.2020.05.10.002 SU San-qing,LIU Xin-wei,WANG Wei,ZUO Fu-liang,DENG Rui-ze,QIN Yan-long.Progress and key problems in the research on metal magnetic memory testing technology[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42(12):1557-1572.doi: 10.13374/i.issn2095-9389.2020.05.10.002 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2020.05.10.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 拉压不同应力对磁记忆信号的影响及机理 Effect of tensile and compressive stresses on magnetic memory signal and its mechanism 工程科学学报.2018,40(5：565htps:/ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2018.05.006 基于改进的支持向量回归机算法的磁记忆定量化缺陷反演 Metal magnetic memory quantitative inversion of defects based onoptimized support vector machine regression 工程科学学报.2018.40(9y:1123 https:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.09.014 基于粒子群最大似然估计的焊缝早期隐性损伤磁记忆精确定位模型 MMM accurate location model of early hidden damage in welded joints based on PSO and MLE 工程科学学报.2017,3910：1559htps:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.10.015 应用选择性磁罩盖法磁选分离镍黄铁矿与蛇纹石 Separation of pentlandite from serpentine using the selective magnetic coating-magnetic separation technology 工程科学学报.2018,40(3：313htps:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.03.007 考虑磁滞的铁稼磁致伸缩位移传感器输出电压模型及结构设计 Output voltage model of Fe-Ga magnetostrictive displacement sensor considering hysteresis and structural design 工程科学学报.2017,39(8：1232 https:/1oi.org10.13374.issn2095-9389.2017.08.013 应用激光多普勒测振仪的岩块体累计损伤评价试验研究 Experimental study on cumulative damage assessment of rock-block using a laser Doppler vibrometer 工程科学学报.2017,391)：141 https:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.01.018

金属磁记忆检测技术研究新进展与关键问题 苏三庆 刘馨为 王威 左付亮 邓瑞泽 秦彦龙 Progress and key problems in the research on metal magnetic memory testing technology SU San-qing, LIU Xin-wei, WANG Wei, ZUO Fu-liang, DENG Rui-ze, QIN Yan-long 引用本文: 苏三庆, 刘馨为, 王威, 左付亮, 邓瑞泽, 秦彦龙. 金属磁记忆检测技术研究新进展与关键问题[J]. 工程科学学报, 2020, 42(12): 1557-1572. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.10.002 SU San-qing, LIU Xin-wei, WANG Wei, ZUO Fu-liang, DENG Rui-ze, QIN Yan-long. Progress and key problems in the research on metal magnetic memory testing technology[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(12): 1557-1572. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.10.002 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.10.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 拉压不同应力对磁记忆信号的影响及机理 Effect of tensile and compressive stresses on magnetic memory signal and its mechanism 工程科学学报. 2018, 40(5): 565 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.006 基于改进的支持向量回归机算法的磁记忆定量化缺陷反演 Metal magnetic memory quantitative inversion of defects based onoptimized support vector machine regression 工程科学学报. 2018, 40(9): 1123 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.014 基于粒子群最大似然估计的焊缝早期隐性损伤磁记忆精确定位模型 MMM accurate location model of early hidden damage in welded joints based on PSO and MLE 工程科学学报. 2017, 39(10): 1559 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.10.015 应用选择性磁罩盖法磁选分离镍黄铁矿与蛇纹石 Separation of pentlandite from serpentine using the selective magnetic coating-magnetic separation technology 工程科学学报. 2018, 40(3): 313 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.007 考虑磁滞的铁稼磁致伸缩位移传感器输出电压模型及结构设计 Output voltage model of Fe-Ga magnetostrictive displacement sensor considering hysteresis and structural design 工程科学学报. 2017, 39(8): 1232 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.08.013 应用激光多普勒测振仪的岩块体累计损伤评价试验研究 Experimental study on cumulative damage assessment of rock-block using a laser Doppler vibrometer 工程科学学报. 2017, 39(1): 141 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.018

工程科学学报.第42卷，第12期：1557-1572.2020年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.12:1557-1572,December 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.10.002;http://cje.ustb.edu.cn 金属磁记忆检测技术研究新进展与关键问题 苏三庆四，刘馨为，王威，左付亮，邓瑞泽，秦彦龙 西安建筑科技大学土木工程学院，西安710055 ☒通信作者，E-mail:sussqx/@xauat.edu.cn 摘要金属磁记忆检测技术是一种适用于铁磁材料的新兴的无损检测技术，主要优势在于无需外加激励磁场源，即在天然 地磁场的激励作用下，通过测量材料表面的漏磁信号，就能够对铁磁构件的早期损伤进行检测，避免结构或构件发生突然的 脆性破坏.针对近10余年金属磁记忆检测技术的研究现状，概述了该技术的理论基础，总结了该技术理论研究、试验研究以 及工程应用新进展，探讨了磁记忆检测技术的损伤评判准则，分析了影响磁记忆检测信号的因素，基于此，提出了磁记忆检测 技术目前存在的问题和未来的研究发展方向. 关键词金属磁记忆检测：铁磁材料：力磁耦合：损伤评判：影响因索：应力集中 分类号TU391 Progress and key problems in the research on metal magnetic memory testing technology SU San-qing,LIU Xin-wei,WANG Wei,ZUO Fu-liang,DENG Rui-ze,QIN Yan-long School of Civil Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710055,China Corresponding author,E-mail:sussqx(@xauatedu.cn ABSTRACT The nondestructive technique for testing ferromagnetic materials known as the metal magnetic memory method is formally proposed in 1997 by the Russian scholar Dubov at the 50th International Conference on Welding.The main advantage of this metal magnetic memory technology is that no external excitation magnetic field source is required.That is,by the excitation of the natural geomagnetic field,when a ferromagnetic member is subjected to external stress,a free magnetic leakage field is generated around the stress concentration or defect position of the ferromagnetic member due to the magnetic-force coupling effect.By measuring and analyzing the magnetic leakage signal on the surface of the material,the stress concentration,early damage,and degree of damage in the ferromagnetic member can be readily detected and evaluated to effectively prevent sudden brittle failure of the structure or member.This technique is the only effective nondestructive testing method for diagnosing early damage in ferromagnetic components.Because this metal magnetic memory testing technology can be used to assess the stress concentration,early damage position,and the degree of damage of ferromagnetic materials,it has great potential for use in predicting structural or component life and warning of damage.Its advantages include no manual magnetization or attached sensor,no surface treatment of components,and simple,convenient,and quick operation.As such,it has attracted wide interest from scholars around the world since its formal introduction.In this paper,based on the research on metal magnetic memory testing technology over the past 10 years,a theoretical model of the technology was established and the progress made in the theoretical research,experimental research,and engineering applications of this technology were summarized. The damage assessment criteria for magnetic memory testing technology were discussed and the factors that affect the magnetic memory detection signal were analyzed.Based on this review,the current problems were identified and future research directions of magnetic 收稿日期：2020-05-08 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51878548.51578449)：陕西省自然科学基础研究计划重点资助项目(2018JZ5013)

金属磁记忆检测技术研究新进展与关键问题 苏三庆苣，刘馨为，王    威，左付亮，邓瑞泽，秦彦龙 西安建筑科技大学土木工程学院，西安 710055 苣通信作者，E-mail：sussqx@xauat.edu.cn 摘    要    金属磁记忆检测技术是一种适用于铁磁材料的新兴的无损检测技术，主要优势在于无需外加激励磁场源，即在天然 地磁场的激励作用下，通过测量材料表面的漏磁信号，就能够对铁磁构件的早期损伤进行检测，避免结构或构件发生突然的 脆性破坏. 针对近 10 余年金属磁记忆检测技术的研究现状，概述了该技术的理论基础，总结了该技术理论研究、试验研究以 及工程应用新进展，探讨了磁记忆检测技术的损伤评判准则，分析了影响磁记忆检测信号的因素，基于此，提出了磁记忆检测 技术目前存在的问题和未来的研究发展方向. 关键词    金属磁记忆检测；铁磁材料；力磁耦合；损伤评判；影响因素；应力集中 分类号    TU391 Progress  and  key  problems  in  the  research  on  metal  magnetic  memory  testing technology SU San-qing苣 ，LIU Xin-wei，WANG Wei，ZUO Fu-liang，DENG Rui-ze，QIN Yan-long School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China 苣 Corresponding author, E-mail：sussqx@xauat.edu.cn ABSTRACT    The  nondestructive  technique  for  testing  ferromagnetic  materials  known  as  the  metal  magnetic  memory  method  is formally proposed in 1997 by the Russian scholar Dubov at the 50th International Conference on Welding. The main advantage of this metal  magnetic  memory  technology  is  that  no  external  excitation  magnetic  field  source  is  required.  That  is,  by  the  excitation  of  the natural geomagnetic field, when a ferromagnetic member is subjected to external stress, a free magnetic leakage field is generated around the stress concentration or defect position of the ferromagnetic member due to the magnetic-force coupling effect. By measuring and analyzing the magnetic leakage signal on the surface of the material, the stress concentration, early damage, and degree of damage in the ferromagnetic member can be readily detected and evaluated to effectively prevent sudden brittle failure of the structure or member. This technique is the only effective nondestructive testing method for diagnosing early damage in ferromagnetic components. Because this metal  magnetic  memory  testing  technology  can  be  used  to  assess  the  stress  concentration,  early  damage  position,  and  the  degree  of damage of ferromagnetic materials, it has great potential for use in predicting structural or component life and warning of damage. Its advantages include no manual magnetization or attached sensor, no surface treatment of components, and simple, convenient, and quick operation. As such, it has attracted wide interest from scholars around the world since its formal introduction. In this paper, based on the research on metal magnetic memory testing technology over the past 10 years, a theoretical model of the technology was established and the progress made in the theoretical research, experimental research, and engineering applications of this technology were summarized. The damage assessment criteria for magnetic memory testing technology were discussed and the factors that affect the magnetic memory detection signal were analyzed. Based on this review, the current problems were identified and future research directions of magnetic 收稿日期: 2020−05−08 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51878548，51578449）；陕西省自然科学基础研究计划重点资助项目（2018JZ5013） 工程科学学报，第 42 卷，第 12 期：1557−1572，2020 年 12 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 12: 1557−1572, December 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.10.002; http://cje.ustb.edu.cn

·1558 工程科学学报，第42卷，第12期 memory testing technology were proposed. KEY WORDS metal magnetic memory testing;ferromagnetic materials;force-magnetic coupling:damage assessment;influence factor:stress concentration 目前，钢材因其具有轻质高强、材质均匀和加 加激励磁场，即在天然地磁场的激励作用下，当铁 工方便等特点，被广泛应用在桥梁-)、建筑、机 磁材料承受工况荷载和地磁场的共同作用时，通过 械、电力向、管道门、航空阁以及石油等行业当 测量铁磁材料表面的弱磁信号，能够实现对铁磁 中.这些结构或构件因其复杂的构造特点，加之在 材料或构件进行应力集中位置、早期损伤判别以 服役期间可能遭受的长期循环荷载、自然灾害因 及损伤程度评估，防止构件发生突发性的脆性破 素以及人为因素等诸多因素的影响，钢构件在服 坏.该检测技术是迄今唯一能够对铁磁材料进行 役的过程当中会不可避免地出现一些早期隐性损 早期隐性损伤判别的绿色无损检测新方法-2， 伤0，这些早期损伤的不断累积，会造成钢结构或 自首次公开提出以来，就受到国内外学者的广泛 构件强度、刚度和稳定性的降低.长期以往，必然 关注.然而，由于其发展时间短和影响检测环境因 影响结构或构件的正常运行和安全使用山隐性 素复杂，该项检测技术在机理研究和定量评估方 损伤不同于显性损伤，钢材的表面并没有形成明 面一直受限2.近年来，相关学者对此问题进行了 显的物理不连续肉眼可见的宏观缺陷，检测人员 大量的理论分析、试验研究以及工程应用，取得了 难以及时发现.但是，应当注意的是，在整个结构 丰硕的成果和长足的进展.本文概述了金属磁记 或构件的服役期间，隐性损伤的产生和累积几乎 忆检测技术近十余年的研究现状，分析讨论了该 全程贯穿其中，隐性损伤的不断累积，微观缺陷的 技术研究中的关键科学问题，包括磁记忆检测技 不断扩展，很有可能导致结构发生突然性的脆性 术的理论基础，磁记忆检测技术的研究新进展，磁 破坏，对结构造成致命的影响，严重威胁人民的 记忆检测技术的损伤评判准则以及影响磁记忆检 生命财产安全和国民经济发展.因此，及时找到结 测信号的因素.在此基础上，提出了磁记忆检测技 构或构件潜在隐性损伤并进行重点监测，可以有 术目前亟待解决的关键科学问题以及未来研究的 效预防重大突发性灾难的发生] 发展方向 钢材作为一种常见的铁磁材料，在外加应力 1金属磁记忆检测技术的理论基础 或附加磁场的作用下，在微观上材料内部会发生 磁畴的转动和畴壁的移动，宏观上表现出材料表 金属磁记忆检测技术是一种涉及铁磁学、力 面周围磁场强度的变化4磁性无损检测技术 学以及物理学等多学科交叉融合的新兴学科，其 作为一种目前应用于铁磁材料最为广泛的检测技 背后影响机制复杂，采集的磁信号相对较为弱小， 术，通过测量铁磁材料在外荷载和激励磁场的共 长时间以来主要用于定性分析而很难准确用于定 同作用下，内部隐性损伤从萌生到不断累积发展 量化研究，在科学研究和工程应用方面十分受限 过程中由于其材料本身的物理和力学性能造成的 磁记忆检测机理示意图如图1所示，在微观上，铁 材料表面磁信号的变化规律，实现对其缺陷位置 磁材料内部是由许多个磁畴和磁畴壁组成，无外 以及损伤状态的评价%常用的无损检测方法有 物理场作用下，铁磁材料内部的磁畴和磁畴壁处 磁声发射法(MAE)、漏磁检测法(MTL)、磁巴克 于无规律的自由状态，宏观上对外不显磁性.当铁 豪森法(MBN)等-但是这些无损检测方法必 磁材料处于地磁场和应力场的共同作下，由于力 须在检测对象的表面施加磁场激励源，将被检测 磁耦合效应，微观上材料内部会产生磁畴壁的转 对象磁化至磁饱和状态，且只能检测0.2mm以上 动和磁畴的定向移动，宏观上对外显示磁性.目前， 的宏观缺陷2，因此，在实际工程应用当中具有很 金属磁记忆检测技术经典的理论基础主要有 大的局限性 3种，分别为：Jiles--Atherton磁机械效应模型，能 I997年，金属磁记忆检测(Metal magnetic me- 量守恒定律以及带缺陷或应力集中处的磁偶极子 mory testing,简称MMMT)技术由俄罗斯学者Dubov 模型 在第50届国际焊接学术会议上首次公开提出叫 1.1 Jiles--Atherton磁机械效应模型 该检测技术不同于传统的无损检测技术，无需外 1984年，Jiles和Atherton提出了接近原理，认

memory testing technology were proposed. KEY  WORDS    metal  magnetic  memory  testing； ferromagnetic  materials； force-magnetic  coupling； damage  assessment； influence factor；stress concentration 目前，钢材因其具有轻质高强、材质均匀和加 工方便等特点，被广泛应用在桥梁[1−3]、建筑[4]、机 械[5]、电力[6]、管道[7]、航空[8] 以及石油[9] 等行业当 中. 这些结构或构件因其复杂的构造特点，加之在 服役期间可能遭受的长期循环荷载、自然灾害因 素以及人为因素等诸多因素的影响，钢构件在服 役的过程当中会不可避免地出现一些早期隐性损 伤[10] ，这些早期损伤的不断累积，会造成钢结构或 构件强度、刚度和稳定性的降低. 长期以往，必然 影响结构或构件的正常运行和安全使用[11] . 隐性 损伤不同于显性损伤，钢材的表面并没有形成明 显的物理不连续肉眼可见的宏观缺陷，检测人员 难以及时发现. 但是，应当注意的是，在整个结构 或构件的服役期间，隐性损伤的产生和累积几乎 全程贯穿其中，隐性损伤的不断累积，微观缺陷的 不断扩展，很有可能导致结构发生突然性的脆性 破坏[12] ，对结构造成致命的影响，严重威胁人民的 生命财产安全和国民经济发展. 因此，及时找到结 构或构件潜在隐性损伤并进行重点监测，可以有 效预防重大突发性灾难的发生[13] . 钢材作为一种常见的铁磁材料，在外加应力 或附加磁场的作用下，在微观上材料内部会发生 磁畴的转动和畴壁的移动，宏观上表现出材料表 面周围磁场强度的变化[14−15] . 磁性无损检测技术 作为一种目前应用于铁磁材料最为广泛的检测技 术，通过测量铁磁材料在外荷载和激励磁场的共 同作用下，内部隐性损伤从萌生到不断累积发展 过程中由于其材料本身的物理和力学性能造成的 材料表面磁信号的变化规律，实现对其缺陷位置 以及损伤状态的评价[16] . 常用的无损检测方法有 磁声发射法（MAE）、漏磁检测法（MTL）、磁巴克 豪森法（MBN）等[17−19] . 但是这些无损检测方法必 须在检测对象的表面施加磁场激励源，将被检测 对象磁化至磁饱和状态，且只能检测 0.2 mm 以上 的宏观缺陷[20] ，因此，在实际工程应用当中具有很 大的局限性. 1997 年，金属磁记忆检测（Metal magnetic me￾mory testing，简称 MMMT）技术由俄罗斯学者 Dubov 在第 50 届国际焊接学术会议上首次公开提出[21] . 该检测技术不同于传统的无损检测技术，无需外 加激励磁场，即在天然地磁场的激励作用下，当铁 磁材料承受工况荷载和地磁场的共同作用时，通过 测量铁磁材料表面的弱磁信号，能够实现对铁磁 材料或构件进行应力集中位置、早期损伤判别以 及损伤程度评估，防止构件发生突发性的脆性破 坏. 该检测技术是迄今唯一能够对铁磁材料进行 早期隐性损伤判别的绿色无损检测新方法[22−25] ， 自首次公开提出以来，就受到国内外学者的广泛 关注. 然而，由于其发展时间短和影响检测环境因 素复杂，该项检测技术在机理研究和定量评估方 面一直受限[26] . 近年来，相关学者对此问题进行了 大量的理论分析、试验研究以及工程应用，取得了 丰硕的成果和长足的进展. 本文概述了金属磁记 忆检测技术近十余年的研究现状，分析讨论了该 技术研究中的关键科学问题，包括磁记忆检测技 术的理论基础，磁记忆检测技术的研究新进展，磁 记忆检测技术的损伤评判准则以及影响磁记忆检 测信号的因素. 在此基础上，提出了磁记忆检测技 术目前亟待解决的关键科学问题以及未来研究的 发展方向. 1    金属磁记忆检测技术的理论基础 金属磁记忆检测技术是一种涉及铁磁学、力 学以及物理学等多学科交叉融合的新兴学科，其 背后影响机制复杂，采集的磁信号相对较为弱小， 长时间以来主要用于定性分析而很难准确用于定 量化研究，在科学研究和工程应用方面十分受限. 磁记忆检测机理示意图如图 1 所示，在微观上，铁 磁材料内部是由许多个磁畴和磁畴壁组成，无外 物理场作用下，铁磁材料内部的磁畴和磁畴壁处 于无规律的自由状态，宏观上对外不显磁性. 当铁 磁材料处于地磁场和应力场的共同作下，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，宏观上对外显示磁性. 目前， 金属磁记忆检测技术经典的理论基础主要 有 3 种，分别为：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. 1.1    Jiles–Atherton 磁机械效应模型 1984 年，Jiles 和 Atherton 提出了接近原理，认 · 1558 · 工程科学学报，第 42 卷，第 12 期

苏三庆等：金属磁记忆检测技术研究新进展与关键问题 .1559 No extemal fields Magnetic fields With external fields 3 changes Extemal fields Microscopic Macroscopic detection Measurement changes representation results 图1金属磁记忆检测原理示意图网 FigI Schematic of the principle of metal magnetic memory testing 为在应力的作用下，铁磁材料的剩余磁化状态会 段，且无法解释材料处于拉压应力作用下磁场强 不可逆地无限趋近于无滞后磁化状态，并基于 度曲线的非对称磁化行为 有效场理论在弹性应力状态下建立了单向应力作 1.2能量守恒定律 用时铁磁材料的磁力学模型一Jiles--Atherton理 目前，金属磁记忆检测的微观机理普遍认为 论模型Jiles--Atherton理论模型作为众多的磁 遵循铁磁学理论的“能量最小学说”，即铁磁材料 机械效应模型之一，因其基于一阶微分方程、模型 产生磁记忆效应的根本原因在于材料受外应力的 参数较少、物理意义明确以及方便使用等特点，被 作用时在其内部产生很高的应力能，为抵消产生 誉为经典的磁力学理论模型.其表达式为 的应力能，材料的磁能相应地发生变化，以使材料 总的能量达到最小状态.当铁磁材料处于外部环 境磁场且无施加外荷载作用时，微观上铁磁材料 Her=H+H。+aMan 磁畴的矢量和为零，宏观上对外不显磁性.当在铁 H=[(+1)Mm+2(y2+Y20)Mn 磁构件上施加外荷载作用时，材料内部磁畴组织 发生定向的移动和不可逆的重新取向，这种微观 ds=E(Man-M)+ dM o 变化可以用磁导率来表现， do (1) 西安建筑科技大学的王社良教授等30和空军 式中，Mm为非滞后磁化强度，M为饱和磁化强 工程大学的李龙军等1-刘利用能量守恒定律给出 了铁磁材料的磁导率和应力之间的力-磁耦合本 度，a为有效场系数，Her为有效场，包括环境磁场 H,应力有效场H。以及磁畴壁相互作用产生的有 构模型，基本理论如下： 效场aMam,a为磁畴耦合系数，o为真空磁导率， 当铁磁材料受到外加应力为σ的荷载作用时， I、y1、y2、Y2为磁滞伸缩应变的拟合系数，o为材 其内部产生的应力能可表示为 3 料所受应力，E为材料弹性模量，飞为与单位体积 Ea=-7oAa (2) 能量有关的系数，M为材料的磁化强度，c为初始 式中，为应力为σ时材料的磁滞伸缩系数 磁化率与初始无滞后磁化率之间的比值.参考文 根据电磁场理论 献[29]定义参数：M=1.6×10°Am;a=1000;a=0.001: 40-4π×107Hm;y1=7×1018m2A3;y-1×10m2. △Eu=-2(B-B)H (3) PaA2;y2=-3.3×1030m2A;y)=2.1×1038m4PaA:E= 式中，△E为磁能变化量；B。为外应力作用下铁磁 2.02×10-25Pa;=2000Pa;c=0.1, 材料的磁感应强度；B为无外应力作用下铁磁材料 上式即为铁磁构件在恒定外磁场作用下的磁 的磁感应强度；H为地磁场强度 化强度M与外加应力σ之间的变化关系，即铁磁 根据能量守恒定律，联系式(2)和(3)，则有 材料的力磁效应理论模型.但是Jiles-Atherton磁 1 3 B-BH=-20, (4) 机械效应理论模型只能用于弹性变形状态下材料 在单向应力作用时的力磁效应关系，无法适用于 式中，B=4ouH;B。=o4aH:其中μ为材料未受力 较为复杂的多向受力状态和弹塑性或塑性变形阶 状态下的初始磁导率，4。为材料承受外加应力为

为在应力的作用下，铁磁材料的剩余磁化状态会 不可逆地无限趋近于无滞后磁化状态[27] ，并基于 有效场理论在弹性应力状态下建立了单向应力作 用时铁磁材料的磁力学模型——Jiles–Atherton 理 论模型[28] . Jiles–Atherton 理论模型作为众多的磁 机械效应模型之一，因其基于一阶微分方程、模型 参数较少、物理意义明确以及方便使用等特点，被 誉为经典的磁力学理论模型. 其表达式为    Man=Ms [ coth( Heff a ) − a Heff ] Heff = H + Hσ +αMan Hσ = 3σ µ0 [ (γ1 +γ ′ 1σ)Man +2(γ2 +γ ′ 2σ)M3 an] dM dς = σ Eξ (Man − M)+c dMan dσ （1） γ1 γ ′ 1 γ2 γ ′ 2 γ1 γ ′ 1 γ2 γ ′ 2 式中，Man 为非滞后磁化强度，Ms 为饱和磁化强 度，a 为有效场系数，Heff 为有效场，包括环境磁场 H，应力有效场 Hσ 以及磁畴壁相互作用产生的有 效场 αMan，α 为磁畴耦合系数，μ0 为真空磁导率， 、 、 、 为磁滞伸缩应变的拟合系数，σ 为材 料所受应力，E 为材料弹性模量，ξ 为与单位体积 能量有关的系数，M 为材料的磁化强度，c 为初始 磁化率与初始无滞后磁化率之间的比值. 参考文 献 [29] 定义参数：Ms=1.6×106 A·m−1 ；a=1000；α=0.001； μ0=4π×10−7 H·m−1 ； =7×10−18 m 2 ·A−2 ； =−1×10−25 m 2 · Pa·A−2 ； =−3.3×10−30m 2·A −4 ； =2.1×10−38m 4 ·Pa·A−4 ；E= 2.02×10−25 Pa；ξ=2000 Pa；c=0.1. 上式即为铁磁构件在恒定外磁场作用下的磁 化强度 M 与外加应力 σ 之间的变化关系，即铁磁 材料的力磁效应理论模型. 但是 Jiles–Atherton 磁 机械效应理论模型只能用于弹性变形状态下材料 在单向应力作用时的力磁效应关系，无法适用于 较为复杂的多向受力状态和弹塑性或塑性变形阶 段，且无法解释材料处于拉压应力作用下磁场强 度曲线的非对称磁化行为. 1.2    能量守恒定律 目前，金属磁记忆检测的微观机理普遍认为 遵循铁磁学理论的“能量最小学说”. 即铁磁材料 产生磁记忆效应的根本原因在于材料受外应力的 作用时在其内部产生很高的应力能，为抵消产生 的应力能，材料的磁能相应地发生变化，以使材料 总的能量达到最小状态. 当铁磁材料处于外部环 境磁场且无施加外荷载作用时，微观上铁磁材料 磁畴的矢量和为零，宏观上对外不显磁性. 当在铁 磁构件上施加外荷载作用时，材料内部磁畴组织 发生定向的移动和不可逆的重新取向，这种微观 变化可以用磁导率来表现. 西安建筑科技大学的王社良教授等[30] 和空军 工程大学的李龙军等[31−32] 利用能量守恒定律给出 了铁磁材料的磁导率和应力之间的力−磁耦合本 构模型，基本理论如下： 当铁磁材料受到外加应力为σ的荷载作用时， 其内部产生的应力能可表示为 Eσ = − 3 2 σλσ （2） 式中，λσ 为应力为 σ 时材料的磁滞伸缩系数. 根据电磁场理论 ∆Eu = − 1 2 (Bσ − B)H （3） 式中， ∆Eu为磁能变化量； Bσ为外应力作用下铁磁 材料的磁感应强度；B 为无外应力作用下铁磁材料 的磁感应强度；H 为地磁场强度. 根据能量守恒定律，联系式（2）和（3），则有 − 1 2 (Bσ − B)H = − 3 2 σλσ （4） B = µ0µH Bσ = µ0µσH µ µσ 式中， ； ；其中 为材料未受力 状态下的初始磁导率， 为材料承受外加应力为 No external fields With external fields Magnetic fields Stress External fields Internal changes Microscopic changes Macroscopic representation Measurement results External detection ① ② 图 1    金属磁记忆检测原理示意图[26] Fig.1    Schematic of the principle of metal magnetic memory testing[26] 苏三庆等： 金属磁记忆检测技术研究新进展与关键问题 · 1559 ·

·1560 工程科学学报，第42卷，第12期 σ时的磁导率 将B=HouH和B。=4o4H代入上式可得 Ho-HBoB=30Ao (5) Lcμ dH, 根据胡克定律，实心铁磁材料在弹性变形阶 段有 EA6xy =BorB (6) Pas 式中，6x,6分别为钢构件单元的长和宽.当铁磁材 图2磁偶极子模型示意图 料达到磁饱和状态时，B=B,=Bm,则式(6)可以表 Fig.2 Schematic of magnetic dipole model 示为 图2即为磁偶极子模型示意图.假设磁荷面 EAm6xy=Bn (7) 密度为Pms,矩形槽宽度为2b,深度为h,则槽壁上宽 式中，代表饱和磁滞伸缩系数，Bm为饱和磁感应 度为dy的面元在空间处任意一点p(x,)处的磁 强度 场强度可以表示为： 联系式(5)~(7)则有 dH= Pmsr dy B品o4 3cμoμlm 2π40r Mo= (8) Bi-3ououam =μ+ (9) Bi -3cuouam dH2=Pmsri dy 上式即为金属磁记忆检测的力-磁耦合数学模 2π40 型，也称能量守恒定律(Energy conservation model). 式中，n=p+b+6,-;n=V,-b+b,-可 能量守恒定律已被多位学者用于金属磁记忆检测 r1,2为方向矢量 领域理论研究和定量化评估试验研究当中3-刘， 空间处任意一点p处的磁场强度在x,y方向的 Bm,m,u的取值与材料相关.目前，该理论模型的 场分量可表示为 应用仍旧有一定的局限性，仅适用于材料或构件 处于弹性变形阶段应力与磁导率之间的关系 dHix= Pms(xp+b) 1.3缺陷和应力集中处的磁偶极子模型 2o(p+b2+p-y)2] 在地磁场和外加应力的共同作用下，铁磁体 dHiy= Pms(Yp-y) 中缺陷位置表面会产生漏磁场，通过检测材料表 2+bP+0p-94 (10) dH2x -Pms(Xp-b) 面的漏磁场信号来评估缺陷或应力集中状态的 无损检测技术称为漏磁检测.漏磁检测一般检测 2o,-bP+0p-明 -Pms(yp-y) 漏磁场位置处垂直于铁磁材料表面的法向磁信 dH2y 号和平行于铁磁材料表面的切向磁信号，以达到 24-b2+6p-9 缺陷的定量化评判.目前，漏磁检测的研究方法 对上式的磁场强度分量沿缺陷深度方向进行 主要是磁偶极子法阿1和有限元方法购磁偶极子 数值积分并对积分后相应方向的磁场强度进行叠 模型利用静磁学理论能够简单、方便、直观地计 加则有 算缺陷两侧的磁偶极子对空间当中任意点磁场 .cta h(xp+b) 强度的大小，是成功解释缺陷漏磁场的理论模型 "(Xp+b)2+yp(p+h) 之一，能够准确地描述裂纹缺陷位置的磁记忆分 Pms arctan h(xp-b) 布特征. 240 (11) (xp-b)+yp(yp+h) 磁偶极子模型理论认为铁磁材料缺陷位置的 漏磁场是由极性相反的磁偶极子产生，磁偶极子 4π0 指的是铁磁体在地磁场和外荷载共同作用下缺陷 ,+b2+0yp+2(p-b)+yp2 n (12) 两侧出现的等量异种电荷的磁性体系.在缺陷位 (xp+b)2+yp2 (p-b2+0p+h 置处会出现磁力线的泄露，从缺陷一侧位置到缺 式中，H和H,分别代表磁偶极子在空间中任意一 陷另一侧位置处，形成一个极性相反磁性较小的 点p处的场强在x方向和y方向的分量.式中的各参 磁极，可用等效偶极子模型进行模拟 数取值如下：提离值大小yp=0.05mm,磁荷密度

σ时的磁导率. 将 B = µ0µH 和 Bσ = µ0µσH 代入上式可得 µσ −µ µσµ BσB = 3σλσ （5） 根据胡克定律，实心铁磁材料在弹性变形阶 段有 Eλσδxδy = BσB （6） δx δy B = Bσ = Bm 式中， ， 分别为钢构件单元的长和宽. 当铁磁材 料达到磁饱和状态时， ，则式（6）可以表 示为 Eλmδxδy=B 2 m （7） 式中， λm代表饱和磁滞伸缩系数， Bm为饱和磁感应 强度. 联系式（5）～（7）则有 µσ= B 2 mµ0µ B 2 m −3σµ0µλm = µ+ 3σµ0µλm B 2 m −3σµ0µλm （8） 上式即为金属磁记忆检测的力−磁耦合数学模 型，也称能量守恒定律（Energy conservation model）. 能量守恒定律已被多位学者用于金属磁记忆检测 领域理论研究和定量化评估试验研究当中[33−34] ， Bm，λm，μ 的取值与材料相关. 目前，该理论模型的 应用仍旧有一定的局限性，仅适用于材料或构件 处于弹性变形阶段应力与磁导率之间的关系. 1.3    缺陷和应力集中处的磁偶极子模型 在地磁场和外加应力的共同作用下，铁磁体 中缺陷位置表面会产生漏磁场，通过检测材料表 面的漏磁场信号来评估缺陷或应力集中状态的 无损检测技术称为漏磁检测. 漏磁检测一般检测 漏磁场位置处垂直于铁磁材料表面的法向磁信 号和平行于铁磁材料表面的切向磁信号，以达到 缺陷的定量化评判. 目前，漏磁检测的研究方法 主要是磁偶极子法[35] 和有限元方法[36] . 磁偶极子 模型利用静磁学理论能够简单、方便、直观地计 算缺陷两侧的磁偶极子对空间当中任意点磁场 强度的大小，是成功解释缺陷漏磁场的理论模型 之一，能够准确地描述裂纹缺陷位置的磁记忆分 布特征. 磁偶极子模型理论认为铁磁材料缺陷位置的 漏磁场是由极性相反的磁偶极子产生，磁偶极子 指的是铁磁体在地磁场和外荷载共同作用下缺陷 两侧出现的等量异种电荷的磁性体系. 在缺陷位 置处会出现磁力线的泄露，从缺陷一侧位置到缺 陷另一侧位置处，形成一个极性相反磁性较小的 磁极，可用等效偶极子模型进行模拟. ρms 2b h 图 2 即为磁偶极子模型示意图. 假设磁荷面 密度为 ，矩形槽宽度为 ，深度为 ，则槽壁上宽 度为 dy 的面元在空间处任意一点 p（xp ,yp）处的磁 场强度可以表示为：    dH1 = ρmsr1 2πµ0r 2 1 dy dH2 = − ρmsr2 2πµ0r 2 2 dy （9） r1 = √( xp +b )2 + ( yp−y )2 r2 = √( xp −b )2 + ( yp−y )2 r1 r2 式中， ； ， ， 为方向矢量. 空间处任意一点 p 处的磁场强度在x，y 方向的 场分量可表示为    dH1x = ρms(xp +b) 2πµ0 [ (xp +b) 2 +(yp −y) 2 ]dy dH1y = ρms(yp −y) 2πµ0 [ (xp +b) 2 +(yp −y) 2 ]dy dH2x = −ρms(xp −b) 2πµ0 [ (xp −b) 2 +(yp −y) 2 ]dy dH2y = −ρms(yp −y) 2πµ0 [ (xp −b) 2 +(yp −y) 2 ]dy （10） 对上式的磁场强度分量沿缺陷深度方向进行 数值积分并对积分后相应方向的磁场强度进行叠 加则有 Hx= w 0 −h dH1x+ w 0 −h dH2x= ρms 2πµ0 arctan h(xp+b) (xp+b) 2+yp(yp+h) − ρms 2πµ0 arctan h(xp −b) (xp −b) 2 +yp(yp +h) （11） Hy = w 0 −h dH1y + w 0 −h dH2y = ρms 4πµ0 · ln   (xp +b) 2 +(yp +h) 2 (xp +b) 2 +yp 2 · (xp −b)+yp 2 (xp −b) 2 +(yp +h) 2   （12） Hx Hy p x y yp = 0.05 mm 式中， 和 分别代表磁偶极子在空间中任意一 点 处的场强在 方向和 方向的分量. 式中的各参 数取值如下：提离值大小 ，磁荷密度 b y x h o b p +ρms r1 dH1 dH2 r2 −ρms 图 2    磁偶极子模型示意图 Fig.2    Schematic of magnetic dipole model · 1560 · 工程科学学报，第 42 卷，第 12 期