CN1015072B - 检测铁磁性、亚铁磁性、顺磁性或抗磁性材料磁化响应的方法和设备 - Google Patents

Abstract

检测铁磁性、亚铁磁性、顺磁性或抗磁性材料磁化响应的一种方法和设备，该设备包括一产生交变磁场的装置。交变磁场的周期包括第一磁化脉冲和第二去磁脉冲，磁化脉冲的含能量与去磁脉冲的含能量大致相等，磁化脉冲的持续时间大致上比磁化脉冲的周期长，去磁脉冲的磁场强度比磁化脉冲的大。用磁场检测器测定交变磁场对待测试的材料的影响。磁场检测器产生电信号，这些电信号馈到示被器、比较器或计算机上进行分析。

Description

本发明是关于非破坏性材料试验的方法和设备，更详细地说，是关于抗磁性、顺磁性、铁磁性和亚铁磁性材料等磁结构材料（magnetostructural    materials）的检验方法和设备。

目前，材料试验现有技术中有若干公知的非破坏性材料试验方法，例如，X射线照相法、γ射线或粒子辐射法、超声波试验法、声传播试验法、涡流试验法等。这些方法可应用于多种不同的场合，一般应用于，例如，结构材料的非破坏性试验中。这些方法通常是在间接测定方法的基础上得出试验结果的，虽然这些试验结果可能是相当明确的，但对试验结果的分析整理是与性能和情况已知的样品对比进行标定，凭经验进行的，与材料的性能和缺陷有关。因此当各试验样品具有凭经验获得的标定数据所不能解释的性能和缺陷时，对试验结果的分析整理就容易出差错。此外，信号噪声比往往太差，以致不能对材料结构进行更精确的分析，例如，材料的结晶性能、晶格缺陷、位错、应力场等。

在现有技术中，有一些公知的方法是以测定待试验材料的磁性能为基础的，而且目前已研制出各种器件应用到这方面。这些方法多数是基于将材料磁化，记录下通常叫B-H曲线的磁化曲线，或记录下磁滞回线。这样可以测定出作为顽磁或矫顽磁力的诸参数，借助于实验标定可以把这些参数与材料的机械性能联系起来。顽磁和矫顽磁力可与，例如，材料的硬度联系起来，因为它们在某种程度上取决于材料的晶粒结构，而材料的晶粒结构确定了具体材料的硬度。它们还可与材料的抗 拉强度联系起来，达到相当精确的程度。磁化曲线上可能会出现一些小小的间断点或跃变，这些跃变的大小和数目（一般叫做巴克好森效应）可加以测定和分析，由此可以知道材料中有无缺陷、裂缝和孔隙存在。熟悉本专业的人士都知道，巴克好森效应是因铁磁材料中所谓磁畴壁（布洛赫壁）的运动产生的，这种运动深受晶格缺陷、位错、沉积物、杂质、裂缝和孔隙的影响，因而从巴克好森效应可以看出应力场和晶粒性能。观察磁化曲线上的各间断点可以发现所有这些现象。因此记录和分析巴格好森效应可以提供有关材料性能的重要资料。另一种磁性试验方法是依靠往材料上加磁通，记录下材料的剩磁磁力线的图形，材料中的缺陷就以畸形磁力线图形的形式表现出来。磁性测量，例如，磁场强度变化的测量已经应用于，例如，冶金工业中需要控制轧制产品或挤压制品厚度的场合，测定材料的厚度。

上述磁性测量法在下列诸专利中有介绍;例如，联邦德国专利DE-OS    27    46477就公开了根据对巴克好森效应产生的噪音信号的分析检测磁性材料中的缺陷;欧洲专利EP    96    078公开了用测量顽磁的方法测定钢板的在线硬度;英国专利GB    1266248公开了在记录矫顽磁力的基础上测定铁合金的硬度从而确定合金中的含碳量，美国专利US    4，495，465则公开了在非破坏性试验中应用磁通的方法，具体作法是检测出能表示磁阻变化因而表示有缺陷存在的磁力线图形的变化。

上述专利所公开的磁性测定法，其应用通常局限于易磁化的材料，即铁磁材料或亚铁磁材料。但几乎所有材料和元素，无论它们能否被磁化，都对施加在其上的外来磁场起反应。

本发明的目的是提供一种适用于所有能被磁化（但只是轻微磁化）的材料或元素的非破坏性试验方法，即适用于所有其组成的原子微粒具有磁矩的物质的非破坏性试验方法。更具体地说，本发明提供一种检验抗磁性、顺磁性、铁磁性或亚铁磁性物质或材料的方法。为了对这 些物质的天然磁性和磁性能有一个全面的了解，读者可参看一般教科书和参考文献，例如，R.范曼著的《范曼物理讲义》（一九六四年版）第二卷，第34章，第1至6节，第36章，第37章;威廉T.斯科特著的《电学和磁学物理》（一九五九年版）第八章;《麦格劳-希尔科技百科全书》中有关“铁磁学”和“磁性材料”的文章（最新版）。

本发明的目的特别是提供一种深入分析上述材料的结构和性能的方法。更详细地说，本发明的目的是提供一种通过记录材料对外来磁场的反应，并根据对所记录的响应曲线所作的定量分析测定的评价进行的材料快速可靠试验的方法，避免了因噪音和测量上不确定因素所产生的误差源。

上述目的是用具有下列特征的方法和设备付诸实现的：-

本发明的方法的特征是：将待研究的材料用交变磁场进行磁化和去磁，即加上一个磁场以产生一个在交变磁场各周期具有不同导磁率的极微小磁滞回线，其中有半个周期出现磁化脉冲，另半个周期出现去磁脉冲;调节半个周期的能量值使其与另半个周期的能量值相等;各半个周期系这样调节，使它们相对于时间和磁场强度都不对称;调节各半个周期持续时间之间的关系，使去磁脉冲持续时间比磁化脉冲的短，从而使进行去磁时的磁场强度大于进行磁化时的磁场强度;测定磁畴旋转所产生的反磁感应或去磁过程中磁矩对齐所产生的反磁感应，对某些材料还测定巴克好森效应和诸如矫顽磁力和顽磁等参量;记录和分析被测量与时间的关系以提供测定受检验材料的各种性能（包括结构、应力场和缺陷）用的由时间导出的参量或由频率导出的参量。改变交变磁场的频率（即一个周期的持续时间），和/或交变磁场的场强（即一个周期中所消耗的能量）;改变一个周期中两半个周期的各持续时间，以改变磁场强度，从而改变构成一个周期的两半个周期的磁化脉冲和去磁脉冲的功率;调节一个周期的半个周期的能量值，使其与另半个周期的能量值不 相等，从而使各半个周期的能量值不对称;发出磁化脉冲，该磁化脉冲最好是一个方波，其持续时间为0.001至0.1秒，还发出去磁脉冲，该去磁脉冲最好是一个正弦波，其持续时间为10毫微秒至10毫秒，进行去磁时的磁场强度最好为进行磁化时磁场强度的2至100倍;当待检验的材料为铁磁材料或亚铁磁材料时，在材料磁滞回线软磁性区或在材料导磁率高的磁滞回线区对材料进行磁化和去磁，在各周期的交变磁场产生一个导磁率逐渐增加的小磁滞回线;在待检验的材料和交变磁场源之间插入一个铁磁材料，该铁磁材料可以是永久磁铁，从而改变所述材料逐渐增长的导磁率和磁通量;在材料相对于磁场运动-最好是移动或转动，的同时，对材料进行检验。

履行上述方法用的设备的特征是：该设备包括至少一个电磁铁，该电磁铁配置在待检验材料试样附近，设有铁氧体铁心，最好还设有两个线圈;电磁铁线圈接到由脉冲宽度控制的振荡器;各线圈最好设有一个振荡器，用以控制磁化脉冲和去磁脉冲的持续时间;该设备还包括若干用以进行测量的检测器，检测器的输出接到一个示波器之类的记录器、比较器或计算机。在铁氧体铁心面对试样的端部部位附近设有辅助线圈，用以加深渗透深度或在试样距铁芯更大距离的情况下进行检验，辅助线圈的磁场强度是这样进行控制，使它与电磁铁的磁场相互作用;该设备设有两个相同的铁氧体铁心，一个套在另一个里面，两铁氧体铁心的线圈同相工作，但磁场强度不同，用以测定厚度。

本发明的方法是通过记录响应加到试样上的外加交变磁场时试样中所产生的磁畴旋转或磁矩对齐时所产生的反磁感应（counterinduction）来提供受试验材料结构的有关资料的，所以这个方法叫磁结构法。因此本发明的磁结构法的特征在于，用，例如，履行本发明方法的设备（下面即将详细谈到）所使用的电磁铁对材料试样（最好是小量的）进行磁化和去磁。由于所加的磁场是交变磁场，磁化和去磁过程是在磁场周 期内进行的。磁化脉冲的持续时间大体上比去磁脉冲的持续时间长，前者例如为1毫秒至100毫秒，后者为10毫微秒至10毫秒。令磁化脉冲的能量值与去磁脉冲的能量值保持相等，从而使周期的各半个周期各脉冲的功率不等，其中去磁脉冲的功率较大。鉴于磁场强度与脉冲功率成正比，因此不难看出，去磁会以比磁化时更大的磁场强度进行。在去磁过程中，试样以反磁感应形式所作出的响应用适当的检测器进行检测，用适当的记录仪进行记录。试样的初始磁性状态，即在开始磁化时的磁性状态，在去磁过程终了时会恢复过来，这一点是最重要的。在一个试验循环中保持磁化/去磁周期的频率不变，同时这样调节一个周期中的各半个周期，使它们相对于时间和磁场强度不对称。较长的磁化脉冲确保获得足够的饱和度，短（而因此）有力的去磁脉冲则能引起信号噪声比高的可能最强的反磁感应响应。这在对可微量磁化的材料进行检验时更是有利。改变交变磁场的频率即可获得不同频率的试验循环。还可以改变交变磁场的场强，同样，也可改变各半个周期相对于时间和功率的不对称性。此外，可以对各半个周期给定不对称的能量值，即磁化脉冲的能量调定得与去磁脉冲的能量不一样。这样就可以从试样引出不同的响应。接着就可以分析时间和所记录的响应曲线的频率参数以提供有关材料性能的重要资料-采用频率和功率不变的磁化/去磁循环所不能获取的资料。提高频率可以例如显示出磁畴旋转的时间响应或磁矩对齐时的时间响应，这对结构分析可能有用。（值得注意的是，从材料磁性上可加以测定的一些量预测材料的结构和性能或其相反过程，众所周知，都是极其困难的，其主要原因在于，磁效应完完全全是量子力学现象，不能精确加以计算或按照经典物理的方法来理解。在这方面，可参看怀特著的《磁的量子理论》一书（Spring出版社，1983年第2版））

对抗磁性材料，本发明的磁结构结构法可以提供有关结构（物相）、晶格缺陷、位错、裂缝、孔隙和应力场的资料。这些材料线性的 导磁率非常低，要测出其反磁感应响应需用灵敏度高的检测器。磁化和去磁的结果产生导磁率不同的极其微小的磁滞回线。这个情况也适用于顺磁材料，而且可以获得同样的资料。但应该指出的是，顺磁材料的磁化与温度有关。

铁磁材料和亚铁磁材料最好是在高导磁率区进行磁化。鉴于巴克好森效应在磁化曲线的所谓软磁性区更明显得多，因此如果除反磁感应外还决定记录下巴克好森效应以便获取有关材料的结构和缺陷的更进一步的信息，则大有好处。为了要达到该软磁性区，可往未磁化的铁磁或亚铁磁试样加恒定的直流磁场，直流磁场上可叠加交变磁场。但应该注意的是，单单加交变磁场会在试样中产生剩磁，从而增加了磁化强度，直至该剩磁为试样中不断增长的磁阻所抵销为止。但由于采用灵敏度高的检测器可以在例如原始的硬磁性区进行测定，因而试验不一定非得在高导磁率区进行不可。这时最重要的是磁滞回线必须是极微小的，不然会得出导磁率逐渐增长的小磁滞回线。矫顽磁力和顽磁可按一般方法测定。

裂缝、孔隙、沉积物和杂质等内部的缺陷在去磁过程中易于检测出，这些缺陷在去磁曲线上呈断续曲线形式。在这类试验中，最好将曲线与性能已知的标准试样的结果对比，进行实验标定。为要检测应力场，试样应保持不动。通过对比应力场的发展过程，可以检测出受试材料的疲劳现象，甚至当试样是永久性装设的结构构件也不例外，因为可以在现场就地应用适当的设备进行检验。此外，本发明的方法可用以检验相对于测试仪器运动（例如移动或转动）的试样，从而可以确定材料结构中缺陷的位置并检测存在于材料结构空间中的变化。这样，应用本发明的磁结构法除可以检测并记录铁磁性和亚铁磁性材料的反磁感应情况外，还可以测定其各种参数。

现在通过附图中所示的最佳实施例更详细地介绍本发明的设备，附 图中：

图1是本发明一个设备的方框示意图，

图2是图1设备的磁化器一个实施例的详图，以及

图3是磁化器的一个修改实施例。

试样M是用周知的电磁铁1（例如图1中所示的U形磁铁，也可以是条形或环形磁铁），进行磁化和去磁的。因此图1中所示的磁化用的铁氧体铁心呈U字形，其上有线圈2和线圈3。该设备有一个振荡器，该振荡器由一个控制脉冲宽度用的激励器电路4和由激励器电路4激励且连接到线圈2的晶体管5组成，线圈2的圈数例如可以比线圈3的圈数多二倍，而线圈3又通过第二晶体管5′与激励器电路6相连。各振荡器控制场强的电源可以是一个共用电压源或是一个电压可调节的电源。脉冲宽度控制器10和11分别提供磁化脉冲和去磁脉冲的预定持续时间。

激励器电路6是一个倒相放大器，其工作情况如下：当输入端经由脉宽控制器11收到增值电压时，经预定时限之后，输出端给也是倒相放大器的激励器电路4提供“低”信号，使其输出端处于“高”电压电平。“高”信号的时限由脉宽控制器10确定。因此可以看出，在倒相放大器4和6的输出端分别产生有持续时间连续可变、相位相反的脉冲。输出脉冲是方波。熟悉本技术领域的人士都知道，这种方波是可以借助于例如倒相放大器4和6的输出端与输入端之间的反馈回路转换成正弦波或任何所希望有的脉冲形式，或者所希望有的波形也可以通过在倒相放大器4或6的输出端与晶体管5和5′之间接上适当的脉冲形成电路产生的，晶体管5和5′是用彼此调谐好的频率转换输出信号的。因此可以看出，尽管磁化脉冲可能是例如方波，但去磁脉冲却可以是正弦波。

在试样M上方和磁铁1内部配置有两个检测器7和8，如图1所示。各检测器的磁性灵敏度应非常高。但为了检测试样M中动态磁场强度的变化，各检测器也可由带线圈的小铁氧体铁心组成，也可以是检 测反磁感应用的高灵敏度的检测线圈。设备用以检测材料中的缺陷时，来自各检测器的诸信号可以馈到一个示波器、一个比较器或一个计算机上，以便对检测器的脉冲进行简单的比较从而确定各脉冲之间的偏差;或进行更复杂的结构分析时，各检测器的输出则用数学方法进行更复杂的分析处理。

为了用该设备在与试样相距一段距离的地方进行测量或为了加深磁力线穿透试样的深度，设有辅助线圈12和13，以便利用可变电阻器14和15（图2）将电磁铁（即磁脉冲发送器）的磁场分配到所希望的距离或分配入材料中所希望的深度。发送器/检测器系统与距离的变化无关，因为输出信号主要只表示脉冲振幅的变化，而频率变化却非常小，因而对检测器输出的分析与脉冲频率无关。这样，本发明的方法在信号噪声比方面比其它磁性法或感应法是有本质上的改进的。借助于个别可控振荡器电压改变发送线圈中的磁化和去磁电流间的关系即可以检验出试样的其它性能，例如马氏体或奥氏体材料中的顽磁和导磁率。焊接和热处理后的剩余应力以及材料的结构缺陷也可用同样方法检测出来。

测定材料厚度例如壁厚时采用图3所示的磁化器件大有好处。如图所示，壁厚的测定是采用两个彼此套在一起的大型U形铁氧体铁心。铁氧体铁心1上设有三个线圈2、3和19。第二铁氧体铁心21上同样设有三个线圈16、17和18。铁心1和21相对于待检验的样品相距一定距离配置。线圈2和3各接到振荡器上，如图1所示。这时各振荡器控制着由线圈2和3发出的脉冲的诸参数，使材料完全去磁。铁氧体铁心15是与铁氧体铁芯1同样地构成，但实际尺寸小一些以便放入铁氧体铁心1中。线圈2、3和16、17同相位工作，但其所产生的场强不同，这视材料的类型和壁厚而定;上述线圈在极性上相同。

线圈18和19是检测器线圈，它们的输出同样馈到一个比较器或计算机上，以便进行分析。发送器线圈处在适当场强关系下时，检测器线圈 会检测出相同的振幅和相同的波形。壁厚的变化使从铁心1的磁场离开材料，因而减少磁损失，从而使检测器线圈14中检测出的振幅与壁厚的减小成比例地增加。

Claims (12)

1、一种检测磁结构材料和非破坏性试验抗磁性、顺磁性、铁磁性和亚铁磁性材料的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

a)产生一个交变磁场，该交变磁场的周期由系磁化脉冲的第一半周期和系去磁脉冲的第二半周期组成；

b)调节交变磁场的脉冲周期，使得磁化脉冲的持续时间大致上比去磁脉冲的持续时间长，从而使去磁脉冲的磁场强度比磁化脉冲的大；

c)将待试验的材料放在交变磁场中，使得当材料是铁磁材料或亚铁磁材料时受磁化和去磁，当材料是抗磁或顺磁材料时受激磁；

d)测定待试验的材料由磁感应所产生的反磁感应或其磁响应；和

e)记录所测出的反磁感应随时间的变化关系。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：测定铁磁性或亚铁磁性材料中的巴克好森效应、矫顽磁力或剩磁;和记录这些测定值随时间而变化的关系。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：改变交变磁场的频率，藉此来调节交变磁场。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：调节交变磁场的强度，使得磁化脉冲的含能量实质上与去磁脉冲的含能量不同。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：调节交变磁场的强度，使得磁化脉冲的含能量大致上与去磁脉冲的含能量相等。

6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，发出磁化脉冲，该磁化脉冲最好是一个方波，其持续时间为0.001至0.1秒，还发出去磁脉冲，该去磁脉冲最好是一个正弦波，其持续时间为10毫微秒至10毫秒，进行去磁时的磁场强度最好为进行磁化时磁场强度的2至100倍。

7、根据权利要求1所述的方法，当待检验的材料为铁磁材料或亚铁磁材料时，其特征在于，在材料磁滞回线软磁性区或在材料导磁率高的磁滞回线区对材料进行磁化和去磁，在各周期的交变磁场产生一个导磁率逐渐增加的小磁滞回线。

8、根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在待检验的材料和交变磁场源之间插入一个铁磁或亚铁磁材料，它们可以是永久磁铁，从而改变所述材料逐渐增长的导磁率和磁通量。

9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在材料相对于磁场运动-最好是移动或转动，的同时，对材料进行检验。

10、履行根据权利要求1所述的方法用的设备，其特征在于，该设备包括至少一个电磁铁，该电磁铁配置在待检验材料试样附近，设有铁氧体铁心，最好还设有两个线圈;电磁铁线圈接到由脉冲宽度控制的振荡器;各线圈最好设有一个振荡器，用以控制磁化脉冲和去磁脉冲的持续时间;该设备还包括若干用以进行测量的检测器，检测器的输出接到一个示波器之类的记录器、比较器或计算机。

11、根据权利要求10所述的设备，其特征在于，在铁氧体铁心面对试样的端部部位附近设有辅助线圈，用以加深渗透深度或在试样距铁芯更大距离的情况下进行检验，辅助线圈的磁场强度是这样进行调节，使它与电磁铁的磁场相互作用。

12、根据权利要求10所述的设备，其特征在于，该设备设有两个相同的铁氧体铁心，一个套在另一个里面，两铁氧体铁心的线圈同相工作，但磁场强度不同，用以测定厚度。

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