关于铁磁材料的磁声发射的研究

D0I:10.13374/j.issm1001-053x.1985.02.008 北京钢铁学院学报 1985年第2期 关于铁磁材料的磁声发射的研究* 物理教研节 穆向荣 张秀林 摘 要 铁磁材料的磁畴不连续运动产生声发射，该类声发射与材材的磁滞伸缩效应有关，称之谓磁声发射(1 gne tomecnical AcoustiC Emission),简称MAE,磁声发射作为无损检测的方法，较之于x射线，声表面法等有其突 出的优点，C成为正在发展的一项新技术，本文主要研究含碳量不同的铁钢材料和含镍量不同的铁镍合金的磁声 发射特征，讨论磁声发射对磁场和村料的化学成分，应力状态，塑性变形，微观结构的依赖关系，并根据声发射和 铁磁学理论提出了磁声发射产生的机制模型，对实验结果作了较详细地分析， 一、前 言 声发射(A)乃是由于材料受到外界作用，材料内部存在某些缺陷，产生能量释放而 发出的一种应力脉冲。材料内部的位错结、位错断裂、位错间作用、李晶，相变等皆可构成 声发射的源。声发射的特征与源的类型和过程进行的速率息息相关。因此声发射获得的信息 是材料内部微观运动的动态反映。 本文所研究的磁声发射(MAE)是铁磁材料的磁畴和畴壁的不连续运动引起的。与其 他类型的声发射相比，磁声发射发展较迟。首先美国人Lor发现镍在磁化过程产生声发 射，且声发射数随磁场急剧增加口。Kusangii证明了该类声发射与应力有关(2)。Hi一 ggens等研究了纯铁晶体在弹性拉伸过程产生的声发射3]，并根据内耗及弹性模量的变 化，揭示出这种声发射是由于应力负载使磁畴再分布而引起的。后来在硅铁等铁磁材料中也 发现了这种应力效应【4)。这项发现使得MAE有可能用来作为残余应力的无损检测。近年来 K.Ono和M.Shibata对纯铁和钢的磁声发射MAE,作了较系统地研究r5r6,并在压力 容器，焊接钢板，铁轨以及重型武器装备上作了应力分布的检测，对MAE的实际应用进行 了有益的探索。 据目前的研究认为，磁声发射MAE是与巴克豪森效应(Barkhausen Noise)相对应 的8)。巴氏效应是由于畴壁的不连续运动引起的电应脉冲，而MAE则是视为巴氏效的力 学效应。进一步研究MAE与巴氏效应间的联系和规律是今后探索的重要课题。 我们在研究Fe-Ni合金的MAE的同时，测量了磁弹性内耗，结果表明两者有相似的 机制和变化规律，将两者联系起来为研究磁性材料的微观结构提供了新的有效方法。本文专 门讨论铁磁材料的磁声发射，有关磁弹性内耗部分我们将在另一篇论文中叙述[9] 毒物80届学生陈践和吴心峰参了本实工， 80

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年 第 期 ， 翩 勺 旧沪 曰 一喃 一 一 ‘ 甲 ‘ 一 曰 明口 一一 一 一 一一一 一 一— 一一一一 一 一— 面 一— — — — 一 一 一 一 — 一 一 — — 一 一 一 一 — 一 一 一 一 一 一 一 关于铁磁材料的磁声发射的研究 ‘ 物 理教 研 室 穆 向荣 张 秀 林 摘 要 铁 磁 材 料的磁 畴不连续运动产生声发射 ， 该类声发射与材材的磁滞伸缩效应有关 称之谓磁声发 射 从 万 。 。 一 。 。 至。 。 ， 简称 。 磁声发 射作为无损检测 的方法 ， 较之 于 射线 ， 声表面 法等有其突 出的优点 成 为正 在发展的一项新技术 本文 主要研究含碳量不同 的铁钢 材料和含镍量不同的铁镍合 金的磁声 发射恃征 ， 讨论磁声发射对磁场和 材料的化学成分 、 应力状态 、 塑性变形 、 微观结构的依赖关系 ， 并根据声发射 和 铁磁学理 论提出了磁声发射产生的机制模型 对实验结果 作了 较详细 地分析 前 ，之一 曰 声发射 乃是 由于材料受到外界作 用 ， 材料 内部 存在某些 缺 陷 ， 产生能量释放 而 发 出的一种 应力脉 冲 。 材料 内部 的位错 结 、 位错断裂 、 位错 间作 用 、 孪晶 ， 相 变等皆可构 成 声发射的源 。 声发射的特征 与源 的类 型和过 程进行 的速率 息 息相关 。 因此声发射获得的信息 是 材料内部 微观运 动的动态 反映 。 本文所研 究的磁声发射 是 铁磁材料的磁畴 和畴 壁 的不连续运 动引起 的 。 与其 他类 型 的声发射相 比 ， 磁声 发射发展较 迟 。 首先 美国人 发现镍 在磁 化过 程 产 生 声 发 射 ， 且声发射数随 磁 场急剧增 加 〔 ‘ 〕 。 证 明了该 类声发射与应力有 关 ‘ “ ’ 。 一 等研 究了纯铁 晶体 在弹性拉 伸过 程 产生 的声发射 〔 ” ’ ， 并 根 据 内耗及 弹性模量 的变 化 ， 揭示 出这种声 发射是 由于应力 负载使磁畴 再分 布而 引起 的 。 后 来 在硅铁等铁磁材料 中也 发 现 了这种应力效应 〔 ’ 。 这 项发现使得 有可能 用来作为残余应力的无损检测 。 近年来 和 七 对 纯铁和钢 的 磁声 发 射 ， 作 了较 系统地研究 〔 ” 」「“ “ ， 并 在 压 力 容 器 ， 焊接钢 板 ， 铁轨 以 及重 型武 器装备 匕作 了应力分 布的检测 ， 对 的实际应 用进 行 了有益 的探 索 。 据 目前的研 究认 为 ， 磁声发射 是 与 巴克豪森效 应 相 对应 的 ‘ “ ’ 。 巴 氏效 应是 由于畴 壁 的不连续运动 引起 的电应脉 冲 ， 而 则是视 为 巴 氏 效 的 力 学效 应 。 进一 步研 究 与 巴 氏效 应 间的联 系和 规律是今后探索 的重 要课 题 。 我 们 在研究 一 合金 的 的 同时 ， 测量 了磁 弹性 内耗 ， 结果表 明两者 有相 似 的 机制和变化规律 ， 将 两者联 系起 来为研 究磁性材料的微观结 构提供 了新 的有效 方法 。 本文 专 门讨论铁磁材料的磁 声发射 ， 有关 磁弹性 内耗部分我们将在另一篇论文 中叙 述 〔 “ 〕 物 届 学生 陈践和 吴 少峰参 加 了 本实 脸工 作 ， DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．1985．02．008

二、实验方法 实验所用的材料为普通钢和Fe-Ni合金。钢的含碳量分别为0.22%（低碳钢）、0.31% (中碳钢)0.8%（高碳钢）和1.1%(T10的高碳钢)。材料事先进行退火处理，在保护气氛中 加热1123~1183°C保温1小时。试验样品加工成圆柱形标准拉伸试样，直径为7毫米，长43毫 米，夹头直径16毫米，总长125毫米。试样两端留有铣槽，用来偶合换能器的探头。整个试样 要求一定光洁度，特别是铣槽部分要尽量光滑平整。 ·实验的原理如图1。磁化的外磁场是由螺线管线圈提供的。线圈长44.6毫米，内径31.5 毫米，外径46.5毫米，总匝数627匝，线圈通以50周交流电，电压由变压器调整。中心交处 变磁场的有效值为10.6I(KA/),其中I的单位为安培。样品的长度大于线圈的长度，有 退磁效应存在，不过这对给定几何形状下测量的相对值来说，并不重要。 ☒ ☒ 图1MAE实验装置试意图 1—一磁化线圈 2一—一铁磁材料的试验样品 3一换能器探头 4—一前置放大器 5一SF-Oz双通道声发射综合参数测试仪。它包括滤波器(6)，主放大器(7)和 声发射计数显示器(8)。 9一50Hz交流电源。10一NDF-1型高频微伏表 11一示波器 12-一一拉伸试验装置。 实验中样品经磁化产生的MAE信号，通过偶合在样品上的换能器探头接收，再经前置 放大，滤波、主放大，最后由高频微伏表测得信号的有效电压，或通过声发射仪测出声发射数。 示波器可观察信号的波形，还可用x一y记录仪记录信号随磁场，应力和应变的变化曲线。 实验过程整个系统的放大倍数选定85dB。探头的共振频率130KHz。 三、实验结果 1,磁场对EAM的影响 图2表示的为试样在无外力作用时，示波器上观察到的信号波形。 MAE信号随磁场H的变化如图3所示。可以看到，各样品的MAE皆随磁场而增强，逐 81

二 、 实验方法 实验所 用的材料为普通钢和 一 合金 。 钢 的含碳 量分别为 低碳锅 、 。 中碳钢 高碳钢 和 的高碳钢 。 材料事先进行退火处 理 ， 在保护气氛中 加热 一 “ 保温 小时 。 试验样 品加工 成圆柱形标准拉伸试样 ， 直径 为 毫米 ， 长 毫 米 ， 夹头直径 毫米 ， 总 长 毫米 。 试样两端 留有铣槽 ， 用来偶 合换能 器的探头 。 整个试样 要 求一定 光 洁 度 ， 特别是铣槽部 分要尽量 光滑平整 。 卖验的原 理如 图 。 磁化 的外 磁场是 由螺线管线 圈提供的 。 线 圈长 毫 米 ， 内 径 毫米 ， 外径 毫米 ， 总 匝数 匝 ， 线 圈通 以 周交流电 ， 电压 由变 压器调 整 。 中心 交 处 变 磁场 的有效 值为 ， 其中 的单位为安 培 。 样 品的长 度大于线 圈的长度 ， 有 退磁效应存在 ， 不过 这对给定几何形状下测量 的相 对值来说 ， 并不 重要 。 图 实验装置试 意 图 — 磁化 线 圈 — 铁磁材料 的试验 样 品 —换能器探 头 — 前置 放大器 — 一 双通道声发射综 合 参数测试仪 。 它 包括滤波器 ， 主放 大 器 和 声发射 计数显示 器 。 — 交 流 电源 。 — 一 型高频 微伏表 — 示 波 器 — 拉伸试验 装置 。 实验 中样 品经 磁化 产生 的 信号 ， 通过 偶合在样 品上 的换 能 器探 头接收 ， 再经 前置 放大 ， 滤波 、 主放 大 ， 最后 由高频微伏表 测得信号的有效 电压 ，或通过 声 发射仪测出声发射数 。 示波器可观察信号的波 形 ， 还可 用 一 记录仪 记录信号随磁场 ， 应 力和应变 的变化 曲线 。 实验过 程整个 系 统 的放大 倍数选定 。 探头 的共 振频率 。 三 、 实验结果 ， 磁场对 的影 响 图 表 示 的为试样在无外力作用时 ， 示 波 器上观察到 的信号波形 。 信 号随磁 场 的变化如图 所示 。 可 以看 到 ， 各样 品的 皆随磁场而 增 强 ， 逐

(a)铜 (b)高碳钢 （c)中碳钢 (d)低碳钢 图2铁磁材料的MAE信号 渐趋于饱和，其饱和值依赖于材料的化学成分。 合碳量为0.2%左右的低碳钢的MAE强度最 低碳钢 大.随含碳量的升高，MAE随之减弱.当MAE 达到饱和后，减弱磁场H,可观寨到滞后现象 中碳解 (图4) 60 高联钢 图5显示的是1秒内的声发射数随磁场的变 化。很明显，声发射数随H急剧增加，这和 50 =A 1ord在镍棒的直流磁化过程观察到的结果是 高碳钢(T10) 一致的。另外，在给定门槛电压(0.1伏)条 件下，各样品产生声发射所需的磁场数值差异 很大。低碳钢约为2.5KA/m,而T10的高碳钢 则为10KA/m。这从另一侧面反映了钢的 MAE随含碳量而变化的难易程度 5 10 20 外如磁场H(kA/m） 图3铁磁材料的MAE 80 80 低碳潮 低 钢 中碳锅 60 高酿钢 50 50叶 9 A)3YW 40 高碳锅(T10) 30 30 2叶 4 10 15 10 6 20 外加磁场H(KA/m) 外险H(KA/m) 图4MA下的碰滞后效应 图5MAF的声发射款 82

铜 。 高碳钢 ‘ 中被钢 图 铁磁材料 的 卫信号 低碳钢 低碳钢 口 一 ， 中破钢 城 一 珑一 书一 一 高 一碳钢一 笋肠 ‘ 一 ‘一 口 ， 吞曰 公 舀一 一 一 ， 自 、 洲尸 尚砚朋戈工工 ， 渐趋 于饱 和 其饱和值依赖于材料的化学成分 。 合碳量 为 左右的低碳钢的 ’ 强 度 最 大 随含 碳 量的升高 ， 随之减弱 当 达到饱和后 ， 减弱磁场 ，可 观察到 滞后 现 象 图 图 显示 的是 秒 内的声发射数随磁 场 的变 化 。 很 明显 ， 声发 射数随 急 剧 增 加 ， 这 和 在镍棒的直流磁化过 程观察到的 结 果 是 一致 的 。 另外 ， 在 给定门槛电 压 伏 条 件下 ， 各样 品产生 声发射所需的磁场数值差异 很 大 。 低碳钢约为 ， 而 的高 碳 钢 则 为 。 这 从另一侧面 反 映 了 钢 的 随含 碳量 而变化的难易程 度 咧的劝们 劝加 碱卜目万‘ 外加 进场 ， 图 铁磁材 料的 俄钠高︵葵 碳俐中 ， 低碳钢 ﹃州训勿和创 、 ， 卜卜、 ‘ 犷 尹尹赢 尹赢下 口叼‘吸几巧甘︺八甘 国芝八叫古 外加姆场 ‘ 人 也 认了 ‘ 州助 ，山 喇 户， 几声 外加磁场 人 图 代的 磁滞后效应 阳 的声发射稚

90 90 中碳钢 高碳钢 70 10MPa s 70外 0 OMP& 60 0一0一0一0 50 150M1Pa 150M Pa 40 40t 6-4—A- 240MPa 240M Pa 30 30 20 20 10 15 5 10 15 20 外如磁场(KA/m) 外加磁场(KA/) 图6不同应力下的MAF 中心叛率130KH: 70 中心饿率130KH: 总放大倍数85dB 总放大倍数85dD 60 60 A日 中碳钢 50 高碳钢 50 H=14K A/m A)3VW H=14KA/m 40 40 0 H=5.5KA/m H=5.5KA/m 30 40 80120160200240 4080120160.200,240 外加应力p(MP),一云· 外m应力c(MPa) 图7应力对MAE的影响和应力滞后效应 2.外加应力对MAE的影响 有关应力、应变对MAE的影响试验是在材料试验机上，按标准拉伸方式进行，。国6给 出g=0,150MPa,240Mpa三个应力水平下MAE。显然是由于应力的存在，Vr~H曲 83

中破钢 吕 高碳钢 ， ‘ 口 。 一 ，臼 。 洲产 ‘ 一 。 吕 日 户口口 荟凶︶‘ 护沪 ， 一 一 入 合 一 ‘ 一 洲 一 甘 一 赞 一 舀一石一 返 “ 、 尸 办一 一 减 一 城 ‘ 户 一 一 矿 ，黝印 汽卜国目﹄‘ 留 钾峨 外加成场 长 瓜 》 外加磁场 人 图 不 同应力下 的 梦 丫 中心频率 总放大倍数 戈 中心频率 三 ， 总放大 倍数 分 ‘ 卜国︵袱荟︶亡 乞 高 碳钢 盛 二 喊二念 ， 、户了。 、 ‘ 荟必 、 外加应力口 幻 ‘ 、 、 才 一 外加司 兰 ‘ 图 应力对 的影响和应 力滞后效应 外加应力对 的影响 有关 应力 、 应变对 的影响试验是在材料试验机上 ， 按标准拉伸 方式进行 。 周 给 出 口 ， ， 三个 应力水平 下 。 显然是 由于应 力的存在 ， 一 曲 吕

线的形状发生了变化，饱和值明显下降。而且应力从0至150Mpa,MAE变化强烈，而150~ 240Mpa范围内，下降就不那么显著了。图7表示在给定磁场H=5.5KA/m和H=14KA/m 的条件下，测得的MAE随应力的变化。在外加应力较小时，MAE的强度降低较快，随着 外应力的进一步增大，MAE的变化趋于平缓。这与图5的变化趋势是一致的。这表明应力 阻碍磁畴和畴壁的运动，当应力增大一定程度这种阻碍作用就受到了一定限制。 实验还观察到MAE的应力滞后效应。 中心叛率130KH, 70 总放大倍数85dB 3.塑性变形对MAE的影响 H=14KA/m 令样品在试验机上缓慢拉伸，在一定变形条件下测 E,=0 量MAE随应力的变化，即得如图8所示的曲线。倘若 中豪铜 固定磁场的数值(H=14KA/m)研究MAE随塑形变 形，变化，则得到如图9所示的曲线。结果表明对低 碳钢，Vr开始随e减少，在ep=1.0%左右达到最小 值，然后又开始增大，在形变达到ep=5%时出现极 大值的峰，随后Vr又连续下降。在低磁场也有类变似的 变化，不过峰值较低。从图看出中碳钢的MAE对塑性变 形的依赖关系与低碳钢有所不同。在高磁场下，形变 市01016020240 初期Vr升高，在ep=0.8%左右达到极大值，之后连续 保持下降的趋势。在低磁场下峰无值出现，一开始就下 图8有塑性变形时MAE随应力的变化 降。 H=14KA/m 中碳解 60 H=5.5K A/m 50 低碳钢 3 H=14KA/m 40 50 H=5.5K A/m 30 681012 显性变形e,(%)7 塑性变形e,(%) 图9MAE随塑性变形的变化

线的形状发 生 了变化 ， 饱 和值明显下降 。 而 且应力从。 至 ， 变化强烈 ， 而 范围 内 ， 下 降就不 那 么显著 了 。 图 表 示 在给定 磁场 二 和 二 的 条件下 ， 测得 的 随应 力的变化 。 在外 加 应力较小 时 ， 的强 度降低较快 ， 随 着 外应力的进一 步增大 ， 的变化趋于平缓 。 这 与图 的变化趋势是一 致 的 。 这表 明应 力 阻碍 磁畴和畴壁 的运动 ， 当应力增大一 定 程 度这 种阻碍 作 用 就受到 了一定 限制 。 实验还观察到 的 应力滞后效 应 。 中心倾率 ， 井 总欣大倍撤弱 二 盛 ， “ 中砍祝 “ ” 。 · 卫丽 一 丽 丽二二 有塑 性变形时 随应力 的变化 塑 性变形对 的影响 令样 品在试验机上缓慢拉伸 ， 在一定变形 条件下测 量 随应 力的变化 ， 即得如图 所示 的 曲线 。 倘 若 固定磁场 的数值 研究 随塑 形 变 形。 变化 ， 则得到如图 所示 的曲线 。 结果表 明 对 低 碳钢 ， 开始随 。 减少 ， 在。 左右 达 到 最 小 值 ， 然后 又 开始增大 ， 在形变达 到。 二 时 出 现 极 大值的峰 ， 随后 又连续下降 。 在低磁 场也有类变似的 变化 ， 不过峰值较低 。 从图看出中碳钢的 对塑 性变 形 的 依赖关 系 与 低碳钢 有所不 同 。 在高磁场下 ， 形 变 初 期 升 高 ， 在“ 。 左右达到极大 值 ， 之后 连续 保持 下降 的趋势 。 在低磁场下 峰无值出现 ， 一 开始就下 降 。 几甘 不图 ， ︺ ‘ 、 叶 沪儿尸叼汽乏冈卜荟 ‘一叮 丫丫 。， 入 “ 飞 是 人 众尾沈 谈 布 “ 在 、 通 飞 ’ 百 一 里性变形。 。 ‘ 了 塑性变形。 ， 图 随塑性变形 的变化