在具有表面缺陷的弯曲钢梁上进行金属磁记忆测试的实验与仿真

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Experiment and simulation of metal magnetic memory testing on the bending steel beam with surface defects

金属磁记忆技术用于检测弯曲钢梁表面缺陷，分析不同方向和尺寸缺陷对Hx和Hz信号特征参数的影响。实验表明横向缺陷的Hx信号强度和峰值位置与缺陷面积正相关，垂直缺陷类似，而斜向缺陷的Hz信号极小值和位置与缺陷角度负相关。理论模型验证了实验规律。摘要：

　　金属磁记忆（Metal Magnetic Memory, MMM）检测技术是一种非破坏性检测方法，近年来在结构材料检测领域引起了广泛关注。该技术通过测量结构部件表面的微弱磁场变化，能够有效地识别和量化各种缺陷，从而保障结构的安全性。本文聚焦于对带有表面缺陷的弯曲钢梁进行MMM检测实验与模拟研究，重点探讨了缺陷的方向与尺寸对检测信号及其特征参数的影响，这些参数对于判断和量化存在缺陷的钢梁具有重要意义。

实验采用Q355钢作为研究对象，设计了一种具有不同尺寸和方向（横向、纵向、斜向）表面缺陷的钢梁。通过三点半轴加载装置施加负载，并利用MMM检测设备采集钢梁上翼缘表面的磁信号。实验结果表明，磁信号的x分量H_x在三种缺陷附近波动显著，从而能够有效地区分横向、纵向和斜向缺陷。此外，本文还提出了一些磁信号的特征参数，并研究了这些参数与缺陷特性之间的关系。

对于横向缺陷，H_x信号强度及其特征参数（如峰值和峰值水平距离）与缺陷表面积呈正相关。这意味着，随着缺陷面积的增加，H_x信号的峰值也会相应提高，且峰值出现的位置也会发生变化。而对于纵向缺陷，H_x信号强度及其特征参数（峰值和谷值）同样与表面积呈正相关，表明纵向缺陷的面积变化对磁信号的影响与横向缺陷相似。然而，对于斜向缺陷，其磁信号的z分量H_z及其特征参数（如谷值和对应谷值的扫描位置）则与缺陷角度呈负相关。这一发现表明，斜向缺陷的角度变化会对磁信号的形态产生相反的影响，从而为缺陷的识别和分类提供了新的依据。

除了实验研究，本文还进行了理论分析，探讨了MMM检测在钢梁中的应用。通过建立理论模型，研究了钢梁、缺陷以及空气域之间的磁场变化规律，并与实验结果进行了对比。理论分析的结果与实验趋势一致，验证了实验信号的可靠性。这一理论模型不仅有助于理解MMM检测的物理机制，也为后续的工程应用提供了坚实的理论基础。

MMM检测技术的一个重要优势在于其操作简便、检测速度快且精度高。这些特点使其在实际工程中具有广泛的应用前景。例如，在桥梁、建筑和工业设备等关键结构中，MMM检测可以用于早期发现潜在的结构损伤，从而避免重大安全事故的发生。此外，MMM检测技术还可以用于评估材料的疲劳状态和腐蚀程度，为结构健康监测提供重要的数据支持。

近年来，研究人员对MMM检测技术进行了大量的实验研究，以揭示磁信号与材料内部应力状态之间的关系。例如，一些学者通过建立材料的应力-磁化关系理论模型，解释了磁信号的变化规律。Jiles D.C.首先提出了“趋近定律”的概念，指出在应力作用下，铁磁材料的剩磁趋于理想非滞回状态，并据此建立了Jiles模型。尽管后续研究对这一理论模型进行了诸多改进，但该模型在描述应力与磁化强度之间的定量关系方面仍存在一定的局限性。为了克服这一问题，Shi等人基于铁磁材料的吉布斯自由能和趋近定律，提出了一种新的非线性磁电耦合模型，该模型不仅更符合实验数据，还能够准确描述磁化强度在磁场所和应力共同作用下的变化情况。此外，Shi还进一步考虑了材料塑性变形的等效场贡献，建立了能够反映磁电塑性耦合影响的非线性耦合模型。

在实际应用中，MMM检测技术的可靠性依赖于对磁信号特征参数的准确提取和分析。因此，研究者们进行了大量的实验，以分析不同类型的表面缺陷对磁信号的影响。例如，Shi等人对低碳钢试件进行了实验，测试了在弹性载荷和塑性变形共同作用下磁信号的变化情况，并结合弹性-塑性磁化本构关系和磁偶极子模型，解释了实验规律。周等人则对HRB400钢筋进行了拉伸载荷下的MMM检测，发现B_y曲线的斜率绝对值在弹性阶段随着应力的增加而减小，但在从弹性向塑性阶段过渡时，B_y曲线的形态发生了显著变化。这些实验结果为MMM检测技术在不同材料和结构中的应用提供了重要的参考。

在疲劳检测方面，江等人对钻探工具接头进行了疲劳测试，并在不同疲劳载荷下采集了试件表面的磁信号。实验结果表明，在疲劳过程中，磁信号的特征值首先迅速增加，随后缓慢上升，最终再次出现快速增长。这一现象揭示了材料在疲劳作用下的磁信号变化规律，为评估材料的疲劳状态提供了新的思路。

此外，MMM检测技术在评估铁磁材料腐蚀方面的应用也引起了广泛关注。例如，苏等人利用自然磁化方法对Q235钢板进行了腐蚀检测，并研究了不同腐蚀参数对磁信号变化的影响。他们的研究结果表明，MMM检测技术能够有效识别材料的腐蚀状态，并为腐蚀程度的评估提供数据支持。

与简单的铁磁材料相比，带有表面缺陷的弯曲钢梁的MMM检测更具挑战性。这是因为弯曲钢梁的几何形状复杂，且在加载过程中会产生复杂的应力分布。为了克服这一困难，本文以钢梁为例，对弯曲钢梁上翼缘表面的磁信号进行了实验和模拟研究。通过选择Q355钢作为研究对象，并设计具有不同方向和尺寸的表面缺陷，研究人员能够更全面地分析缺陷对磁信号的影响。此外，实验过程中采用了三点半轴加载装置，以确保加载条件的准确性和一致性。MMM检测设备的使用使得研究人员能够精确采集磁信号，并通过特征参数的提取和分析，进一步揭示缺陷的性质和分布。

本文的研究不仅限于实验分析，还包括理论模型的建立。通过理论分析，研究人员能够更深入地理解MMM检测的物理机制，并验证实验结果的可靠性。理论模型的建立为MMM检测技术的进一步发展提供了重要的理论支持，同时也为实际工程中的应用提供了可靠的依据。

在实际工程应用中，MMM检测技术的推广和应用需要克服多个技术难题。首先，需要确保检测设备的精度和稳定性，以获得高质量的磁信号数据。其次，需要对不同类型的缺陷进行分类，并建立相应的特征参数，以提高检测的准确性和效率。此外，还需要考虑不同环境条件对磁信号的影响，例如温度、湿度和外部磁场干扰等。这些因素可能会对检测结果产生干扰，因此需要在实验设计和数据处理过程中进行充分的控制和分析。

MMM检测技术的应用还受到材料特性的影响。不同材料的磁化特性不同，因此在实际应用中需要根据材料的种类和特性选择合适的检测方法和参数。例如，Q355钢作为一种高强度、高疲劳抗性和良好焊接性的材料，其磁化特性可能与其他类型的钢材有所不同。因此，在实验设计和数据分析过程中，需要充分考虑材料的磁化特性，以确保检测结果的准确性。

此外，MMM检测技术的推广还需要结合实际工程需求进行优化。例如，在桥梁和建筑结构中，钢梁通常承受较大的弯曲载荷，因此需要对MMM检测技术进行适应性改进，以确保其在复杂载荷条件下的有效性。同时，MMM检测技术还需要与其他非破坏性检测方法相结合，以提高检测的全面性和准确性。例如，结合超声波检测、X射线检测等方法，可以更全面地评估材料的缺陷情况，为结构安全提供更可靠的保障。

综上所述，MMM检测技术作为一种非破坏性检测方法，具有重要的应用价值。通过实验和理论分析，研究人员能够揭示缺陷对磁信号的影响规律，并为实际工程中的结构安全检测提供科学依据。然而，MMM检测技术在实际应用中仍面临诸多挑战，需要进一步的技术改进和理论研究，以提高其在复杂环境和不同材料中的适用性。随着技术的不断发展和完善，MMM检测技术有望在更多领域得到广泛应用，为结构安全检测提供更加高效和准确的解决方案。