文 献 综 述

一.课题研究背景

随着科学技术的发展，铁磁材料已经广泛应用于国民经济的各个基本领域。比如交通行业中的无缝钢轨线路、大型船舶、飞机零部件；机械行业中的压力容器、管道、扭杆、螺丝；电子通信行业中的电感器、滤波器、磁头、存储器等均是由铁磁材料加工制作[1-2]。铁磁材料具有较好的弹性和塑性，并且具有坚硬、耐腐、实用以及使用周期长等优点，是目前乃至今后广泛使用且不可替代的工业材料。在工业生产中，由铁磁材料加工的零部件及构成的产品，受环境、温度、外力等外部因素的影响，其内部应力分布不均而产生变形，导致在使用过程中出现疲劳失效的问题，这不仅关系到产品的正常运行，甚至关系到人身安全。

而材料的疲劳损伤一般多发生在受交变应力作用的零件和构件中，零件和构件在低于材料屈服极限的交变应力的反复作用下，经过一定的循环次数以后，在应力集中部位萌生裂纹，裂纹在一定条件下扩展，最终突然断裂，即产生了疲劳破坏。在日常生活中由疲劳损坏带来的危害现象屡见不鲜，如1998年德国一列高速行驶中的火车因一节车厢的车轮内部疲劳断裂而突然出轨，造成100多人遇难。因此，铁磁材料的应力检测显得具有十分重要的意义。

二.国内外现状

长期以来，针对铁磁材料应力检测问题一般采用的是有损检测的方法，如削磨面积法、小孔法等，但这些方法都是破损检测，存在着操作复杂、不易实现在线检测等的缺点[3]。随着现代科学和工业技术的迅速发展，越来越多的产品要求在不损伤材料结构及其使用性能的前提下，对材料进行几何特性、化学成分，组织结构和力学性能进行测定，从而检测评定出材料的宏观缺陷，判断出材料或构件的残余寿命，这种技术叫做无损检测。具有代表性的传统无损检测技术主要包括超声波法、电阻应变片法、X射线法、光弹性法和涡流法。经实际验证，传统的无损检测方法由于其自身特点的限制，已经无法满足当今社会对无损检测高速、动态、全线覆盖、智能信息化、高精度等迫切要求[3]。近年来，国内外专家主攻研究磁畴技术，发现了外力可以改变磁化曲线的现象，从而提出发展了一种新的无损检测方法--磁测法。这种方法是通过测量钢铁材料结构内部磁特性的变化，利用与其应力之间的耦合关系来测量应力的大小和方向，实现非接触的应力监测，其中最具代表性的包括磁巴克豪森噪声技术[4-6]。

将铁磁材料置于外加交变磁场的作用下，当磁场强度超过磁畴壁作不可逆位移的临界场时，其内部微观磁畴将会发生改变，磁畴的不可逆运动和畴壁的不可逆跳跃式位移会导致铁磁材料在表面释放连续的中频超声波和高频磁脉冲电压。1919年德国物理学家巴克豪森（H.Barkhausen）首先从实验上发现这一现象，故命名该现象为巴克豪森效应[7]。依据压电效应在材料表面接收连续超声脉冲称为声巴克豪森效应，依据法拉第电磁感应原理在材料表面接收高频的磁脉冲称为磁巴克豪森噪讯（Magnetic Barkhausen Noise），简记 MBN。

从20世纪80年代末开始，美国加利福尼亚大学的K.Ono，M.Shibata等教授对铁磁构件在交变磁场的作用下，研究了MBN效应的基本特征，提出90#176;、180#176;畴壁错动和磁畴磁化矢量转动是产生磁弹噪讯的唯一源。美国学者K.Tiitto夫妇[8]，从20世纪90年代应用此技术开展对铁磁材料零部件应力检测和硬度分析，并对材料显微组织含量、材料表面粗糙度对MBN的影响进行了研究。研究表明MBN强烈地依赖铁磁材料的内应力、热处理状态、晶粒度、组织含量等因素。

国内科研学者在利用巴克豪森技术测量加载应力方面也做了大量工作，如华中理工大学的马咸尧等重点研究了钢铁件在平面应力状态下MBN强度随磁化方向改变呈周期性变化的规律，提出了利用Barkhausen Noise（BN）效应测量钢铁件应力的方法，应利用回归分析法求出了08钢宽板试样拉伸时测量应力的经验公式[10-11]。哈尔滨工程大学的祁欣等研究了两种构件在不同应力状态下产生的磁Barkhausen噪声的强度，得出在交变磁化场的作用下，材料受力对磁BN频谱影响的规律，从时域和频域两方面来探讨BN信号变化的规律性[14]。之后他们还在测量的基础上提出进一步分析应力和噪声关系系统增益值法，在关系处理上取得一定成果。陈娟等在研究了巴克豪森效应产生机理后制作了巴克豪森检测传感器，对铁磁材料实施内应力检测[15]。

经过多年的理论实践、研究总结得出巴克豪森在加载应力的检测中现可提取的特征值有五种，分别是均方根、平均值、振铃数、包络线和峰值时间。它们均能反映巴克豪森信号随应力和微观组织结构的变化关系。一般而言MBN平均值、均方根、振铃数都随压应力的增大而减小，它们的变化率依次递增。包络线包含MBN峰值和峰值时间两部分信息，峰值时间随压应力的增大而增大，并具有一定的时间延迟[18]。