基于磁化增强型金属磁记忆的应力检测方法研究

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Research on a stress detection method based on magnetization-enhanced metal magnetic memory

　　

万万|周福鹏|张本牛|赵天|张良硕|李欣|潘景林

中国重庆，400074，重庆交通大学。

摘要

铁磁结构部件中的残余应力与工作应力会严重影响其结构安全性和使用寿命，因此可靠的无损应力评估至关重要。传统的金属磁记忆检测方法依赖于微弱的地磁场激励，这导致信号幅度低、信噪比差，且易受环境磁干扰的影响，从而限制了其在工程中的应用。为解决这一问题，本文提出了一种永磁体增强的金属磁记忆检测方法。通过使用高强度钕铁硼永磁体进行可控磁化，可显著提升材料的初始剩磁状态，进而有效放大由应力引起的磁响应。实验结果表明，磁信号幅度提升了超过一个数量级，信噪比从传统方法的?3.17 dB提高到了30.37 dB。最大应力诱导的磁感应变化可达1.65 × 10^?3 T，显示出大幅提高的应力敏感度。这些结果阐明了强磁化条件下的磁机械耦合行为，证明了所提方法更强的抗干扰能力及定量检测潜力。该方法为工程结构的高精度磁记忆应力评估提供了可行的途径。

引言

金属结构部件被广泛用于各种关键工程系统中，包括航空航天结构、能源与化工设施、桥梁以及民用基础设施。制造过程中产生的残余应力，加上使用过程中积累的工作应力，都是导致疲劳裂纹萌生、结构变形乃至最终失效的原因。因此，具备稳定且高灵敏度应力评估能力的可靠无损检测技术对于保障结构安全并延长其使用寿命至关重要[1]、[2]。

现有的无损应力测量技术，如X射线衍射、超声波检测法以及钻孔法，能够提供定量的应力信息[2]。然而，这些技术往往具有操作流程复杂、设备成本高昂、检测范围有限或可能对材料造成部分损伤等缺点。金属磁记忆检测方法作为一种替代的无损检测技术，因其可实现非接触式检测、大范围扫描以及早期识别应力集中区域而备受关注[3]、[6]。该技术基于铁磁材料的磁弹性响应原理，即在地磁场激励下，应力集中会产生与内部应力状态相关的可测量的磁异常。以往的研究已证明，该方法可用于管道缺陷检测[7]、桥梁钢材的疲劳与腐蚀监测[8]、[9]、弯曲梁的表面缺陷检测[10]，以及带缺口试样的疲劳评估[11]。

尽管取得了这些进展，传统金属磁记忆检测方法仍受限于必须依赖地球磁场（约0.05 mT）作为唯一的激励源这一缺陷[4]、[6]。由此产生的磁信号通常处于微特斯拉级别，容易受到环境磁干扰、材料不均匀性以及仪器噪声的影响[5]。虽然有研究通过改进传感器或信号处理算法来提升检测性能[12]，但这些方法主要是在数据解读方面进行优化，而非增强信号的固有强度。

为解决这一问题，本文提出了一种永磁体增强的金属磁记忆检测方法。在该方法中，会在检测前进行可控的永磁体预磁化处理，以便在移除外加磁场后仍能保持稳定的剩磁状态。在这种增强的剩磁状态下，应力引起的磁变化更为明显，从而提升了检测的稳定性与灵敏度。因此，该方法进一步强化了磁记忆检测技术在应力评估方面的理论基础。

本研究通过理论分析与实验验证相结合的方式对该方法进行了深入研究。首先运用磁机械耦合理论分析了在可控预磁化条件下的应力依赖型剩磁感应响应，随后通过对比实验量化分析了信号幅度、灵敏度及信噪比的提升情况。最后，探讨了该方法的潜在工程应用前景及未来研究方向。

章节节选

理论分析

本节阐述了所提出的永磁体增强金属磁记忆检测方法的理论基础。分析内容包括铁磁材料的磁化机制与剩磁形成机制，以及将机械应力与磁行为联系起来的磁弹性响应。基于能量最小化框架，建立了强激励条件下施加应力与剩磁之间的定量关系。这一理论描述为后续研究提供了依据

实验验证

为了比较所提出的永磁体增强金属磁记忆检测方法与传统金属磁记忆检测方法的性能，进行了相关实验。在传统的金属磁记忆检测过程中，试样仅受地磁场影响，会承受预定水平的准静态载荷。每个加载阶段大约持续30秒，之后再卸载至0 kN，并保持相同时间的静止状态。随后使用相应设备测量磁信号

结论

本研究提出了一种全新的永磁体增强金属磁记忆检测方法，并对其进行了系统性的验证。通过理论建模、实验验证以及性能对比，得出以下主要结论：

• (1)
  该方法在机制创新与实际效果方面表现优异。

通过引入高强度且可控的永磁体预磁化源，该方法从根本上克服了传统金属磁记忆检测方法因信号强度弱而存在的缺陷

CRediT作者贡献说明

万万：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法设计、概念构思。周福鹏：撰写——初稿撰写、可视化处理、实验研究、正式分析、数据整理。张本牛：撰写——审稿与编辑、方法验证、监督、资源协调、项目管理、方法设计、资金获取、正式分析、概念构思。赵天：方法设计、实验研究、数据整理。张良硕：实验研究。李欣：实验研究。潘景林：

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究成果的已知利益冲突或个人关系。