磁巴克豪森噪聲技術(shù)在應(yīng)力評(píng)估中的研究進(jìn)展

，，

(1.浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院, 杭州 310020；2.浙江省特種設(shè)備安全檢測(cè)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 杭州 310020)

應(yīng)力集中是鐵磁性金屬構(gòu)件產(chǎn)生損傷的主要原因之一。在應(yīng)力集中區(qū)域，材料會(huì)發(fā)生疲勞、腐蝕、蠕變等改變材料性能的現(xiàn)象，使得材料失效、構(gòu)件失穩(wěn)的可能性大大增加。對(duì)構(gòu)件的受力情況進(jìn)行評(píng)估，獲取材料的應(yīng)力分布狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，對(duì)于保障材料的安全性、持久性和可靠性有著非常重要的意義。目前，發(fā)展比較成熟的應(yīng)力檢測(cè)方法主要有小孔法、環(huán)芯法、X射線衍射法等，但這些方法或具有破壞性,或?qū)Σ牧媳砻鏍顟B(tài)的要求非常嚴(yán)格，檢測(cè)效率比較低。開發(fā)快捷、高效的無損檢測(cè)方法成為目前應(yīng)力評(píng)估的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

磁巴克豪森噪聲(Magnetic Barkhausen Noise, MBN)技術(shù)作為一種發(fā)展?jié)摿薮蟮碾姶艧o損檢測(cè)技術(shù)，在鐵磁性金屬材料應(yīng)力檢測(cè)與評(píng)估方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[1-2]，如對(duì)應(yīng)力變化敏感、信號(hào)特征量明顯、掃差快速等。近幾十年來，隨著電磁理論的不斷建立和發(fā)展，如Lord磁化模型[3](1967年)、Ono磁化理論[4](1982年)、沈功田的磁聲機(jī)理[5](1985年)、Alessandro-Beatrice-Bertotti-Montorsi(ABBM)磁疇理論[6](1990年)、Jiles-Atherton(J-A)磁化理論[7](2000年)，以及近年來在J-A理論基礎(chǔ)上發(fā)展的Kypris-Jiles理論[8](2014年)等，以及傳感器材料技術(shù)與制作能力、信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)分析能力、原子力與磁光顯微技術(shù)等方面的發(fā)展，MBN技術(shù)的發(fā)展較為迅速。

在文獻(xiàn)[1]中，筆者已將近年來國(guó)內(nèi)外MBN技術(shù)的發(fā)展情況和研究進(jìn)展進(jìn)行了梳理，綜述了國(guó)內(nèi)外MBN技術(shù)的重點(diǎn)研究領(lǐng)域，總結(jié)了MBN技術(shù)在應(yīng)力檢測(cè)、疲勞狀態(tài)檢測(cè)、金屬相含量和晶粒度分析、材料硬度測(cè)試、材料表面處理工藝等五大方面的應(yīng)用。文章將以J-A磁化理論為基礎(chǔ)，重點(diǎn)闡述MBN應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)的微觀機(jī)理，分析鐵磁性材料在應(yīng)力作用下的MBN信號(hào)變化趨勢(shì)，總結(jié)應(yīng)力作用下的MBN信號(hào)特征和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1 MBN技術(shù)機(jī)理

1.1 MBN技術(shù)基本理論

根據(jù)磁疇理論，鐵磁性金屬材料包含大量自發(fā)磁化的磁疇，相鄰磁疇以磁疇壁為界限。無外加磁場(chǎng)時(shí)，由于各磁疇磁矩為無序狀態(tài)，各個(gè)磁疇的磁性相互抵消，所以材料宏觀上對(duì)外不顯示磁性。在外加磁場(chǎng)作用下，各磁疇磁矩逐漸轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)方向，使材料整體顯示磁性，該過程稱為技術(shù)磁化。

鐵磁性材料的磁化機(jī)制為磁疇磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)和磁疇壁位移，其技術(shù)磁化一般分為如圖1所示的4個(gè)階段，材料磁化至磁飽和的過程中，材料內(nèi)部存在的應(yīng)力、碳化物、夾雜等易形成釘扎點(diǎn)，造成能量勢(shì)壘，使磁疇壁的位移或磁化矢量轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)需要積蓄更多的能量來越過勢(shì)壘，引起階躍磁化，如圖1中的放大區(qū)域所示。在劇烈磁化階段，磁疇壁磁化矢量的躍遷會(huì)使磁通量產(chǎn)生不連續(xù)的變化，即為巴克豪森跳躍，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，通過傳感器探測(cè)到的這種因磁通變化而產(chǎn)生的電磁脈沖信號(hào)，即磁巴克豪森噪聲[9]，檢測(cè)方法如圖2所示。

圖1 典型鐵磁性材料磁化曲線

圖2 U型磁軛法檢測(cè)MBN信號(hào)

根據(jù)磁-力效應(yīng)(逆磁致伸縮效應(yīng))，應(yīng)力對(duì)磁疇結(jié)構(gòu)的作用可視為一個(gè)等效的磁場(chǎng)，該作用與應(yīng)力狀態(tài)、磁場(chǎng)方向、材料磁晶的各向異性均密切相關(guān)，應(yīng)力的存在會(huì)加速取向相近的磁疇壁之間的融合，使得更多的磁疇取向和外磁場(chǎng)一致。以具有正磁滯伸縮系數(shù)的材料為例，拉應(yīng)力作用下，應(yīng)力對(duì)磁疇結(jié)構(gòu)的作用與同方向磁場(chǎng)的作用一致；壓應(yīng)力作用下，應(yīng)力作用與垂直方向磁場(chǎng)的作用一致，具體如圖3所示。為了更好地說明力對(duì)MBN信號(hào)的影響，筆者對(duì)外界載荷和殘余應(yīng)力進(jìn)行了區(qū)分：將載荷作用產(chǎn)生的應(yīng)力劃分為一類，將溫度、濕度、晶格畸變等引起的殘余應(yīng)力劃分為另一類。

圖3 磁疇結(jié)構(gòu)在磁場(chǎng)和應(yīng)力作用下的變化

1.2 基于J-A磁化理論的MBN應(yīng)力檢測(cè)模型

文章對(duì)于磁巴克豪森檢測(cè)技術(shù)機(jī)理的闡述是基于Jiles-Atherton(J-A)磁化理論進(jìn)行的，雖然有學(xué)者[10]提出該理論存在部分不合理之處，但由于J-A模型具有計(jì)算簡(jiǎn)單、物理意義明確等優(yōu)點(diǎn)，J-A模型依舊是目前應(yīng)用于材料磁化現(xiàn)象較為有效的理論依據(jù)。J-A理論由能量守恒方程推導(dǎo)而來，該理論主要有兩點(diǎn)基本假設(shè)：① 材料磁化將不可逆地趨向理想的無磁滯磁化狀態(tài)；② 材料磁化分為可逆磁化過程和不可逆磁化過程。在實(shí)際的磁化過程中，由于材料中非磁性夾雜、晶界、位錯(cuò)、內(nèi)應(yīng)力、第二相析出等針扎點(diǎn)的存在，磁疇壁移動(dòng)受阻而導(dǎo)致磁滯損耗[11]的產(chǎn)生。

在材料的彈性階段，恒定的外部應(yīng)力σ對(duì)材料的作用可視為一個(gè)應(yīng)力等效磁場(chǎng)Hσ，該應(yīng)力作用下產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hσ與磁彈性能Eσ、磁化強(qiáng)度M之間的關(guān)系為[12]

(1)

式中:μ0為真空磁導(dǎo)率。

對(duì)于磁滯伸縮系數(shù)相同的各向同性晶體，由應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)力能為[12]

(2)

式中:λ為磁致伸縮系數(shù);φ為外加應(yīng)力方向和材料磁矩之間的夾角;ν為材料的泊松比。

晶體的磁致伸縮系數(shù)是隨晶體所受的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化而變化的，只有當(dāng)其磁化到飽和時(shí)，磁致伸縮系數(shù)才為定值。當(dāng)磁化程度未達(dá)到飽和時(shí)，磁化強(qiáng)度M相對(duì)于飽和磁化強(qiáng)度Ms很小，材料未磁化飽和時(shí)的磁致伸縮系數(shù)可近似表示為[13]

λ≈bM2

(3)

式中：b為二階系數(shù)。

材料只受單向應(yīng)力時(shí)，磁疇磁化矢量和應(yīng)力方向一致，即φ=0，則由式(1),(2),(3)可得

(4)

根據(jù)J-A理論對(duì)朗之萬(Langevin)順磁性理論的改進(jìn)，有無磁滯效應(yīng)下的磁化強(qiáng)度Man為[14]

(5)

式中:Ms為飽和磁化強(qiáng)度;He為等效磁場(chǎng);H為外磁場(chǎng)強(qiáng)度;a為材料中的磁疇壁密度;α為相鄰磁疇相互作用的耦合系數(shù)。

根據(jù)雙曲余切函數(shù)coth(x)在x=0處的泰勒級(jí)數(shù)展開公式

(6)

由式(4),(5),(6)可得

(7)

則此時(shí)材料的最大磁化率為

(8)

在無外加磁場(chǎng)，只存在應(yīng)力作用時(shí)，即H=0，σ≠0時(shí)，根據(jù)JILES,MIERCZAK等[13-14]提出的在應(yīng)力狀態(tài)下無磁滯狀態(tài)時(shí)最大磁化率的微分max(H,σ)滿足

(9)

則有

(10)

根據(jù)MIERCZAK等[13]的研究可知，無H作用時(shí)，MBN信號(hào)幅值VMBN,peak(σ)和max(σ)強(qiáng)度成正比例關(guān)系，則由式(10)有

(11)

由此可知，在無遲滯狀態(tài)下，材料不受外磁場(chǎng)作用而只受應(yīng)力作用時(shí)，MBN信號(hào)幅值的倒數(shù)與應(yīng)力成負(fù)相關(guān)，MBN信號(hào)的幅值與應(yīng)力成正相關(guān)。

由于磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化總是滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度H的變化，B的振幅由導(dǎo)體表面向內(nèi)逐漸減弱，這就形成了趨膚效應(yīng)。材料內(nèi)部被磁化的程度越小，產(chǎn)生的MBN信號(hào)也就越弱，這決定了MBN信號(hào)對(duì)材料表面的磁特征信號(hào)敏感度要高于對(duì)材料深處的，對(duì)于距離激勵(lì)磁場(chǎng)較遠(yuǎn)的區(qū)域則無法獲取較強(qiáng)的MBN信號(hào)，根據(jù)以下趨膚深度公式(12)[15]可確定材料的磁化深度。

(12)

式中:f為產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng)的電流頻率;μ=μ0μr，μr為相對(duì)磁導(dǎo)率;σ0為材料電導(dǎo)率。

常見鐵磁材料的相對(duì)磁導(dǎo)率介于50～5 000之間，電導(dǎo)率介于(5～10)×106Ω-1·m-1之間，電壓為5 V時(shí)不同頻率下的鐵磁性材料產(chǎn)生顯著MBN信號(hào)的趨膚深度如表1所示。

趨膚深度越小，材料被磁化的范圍越小，進(jìn)而引起磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)和磁疇壁位移的數(shù)量減小，最終使得MBN信號(hào)減弱。為了獲取較強(qiáng)的MBN信號(hào)，應(yīng)選擇較低的激勵(lì)頻率(f<100 Hz)。

表1 電壓為5 V時(shí),不同激勵(lì)頻率下鐵磁性材料的趨膚深度

2 MBN應(yīng)力評(píng)估

2.1 對(duì)載荷的評(píng)估

鐵磁性金屬工件在使用過程中直接或間接地承受到載荷的作用，當(dāng)載荷超過材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，材料發(fā)生塑性形變，并伴隨位錯(cuò)、空洞和裂紋等缺陷的產(chǎn)生。一方面這些缺陷產(chǎn)生的勢(shì)壘會(huì)阻礙磁疇結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，包括阻礙磁疇磁化矢量轉(zhuǎn)動(dòng)和疇壁位移；另一方面，應(yīng)力會(huì)加速取向相近的磁疇結(jié)構(gòu)之間的融合。所以，應(yīng)力對(duì)MBN信號(hào)的影響是以上兩種作用相互博弈的結(jié)果。磁疇結(jié)構(gòu)變化受到的約束程度越大，越不易產(chǎn)生巴克豪森跳躍，對(duì)應(yīng)MBN信號(hào)的幅值、頻帶寬度、峰寬比等信號(hào)特征量越少。當(dāng)載荷低于屈服點(diǎn)時(shí)，材料發(fā)生彈性形變，在此階段，材料內(nèi)部產(chǎn)生空洞、裂紋等缺陷很少，應(yīng)力對(duì)MBN信號(hào)的促進(jìn)作用大于抑制作用，此時(shí)MBN信號(hào)與應(yīng)力有較好的線性關(guān)系?；谝陨蟽蓚€(gè)方面，可通過接收MBN信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行放大、濾波、變換等信號(hào)處理技術(shù)，分析獲得材料的受力情況。

工件所承受的常見載荷作用包括拉力載荷和壓力載荷、單向載荷和循環(huán)載荷、低載荷和超限載荷等。載荷對(duì)材料的作用，本質(zhì)上來說是使其內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力場(chǎng)從而影響材料性能。國(guó)外研究人員主要利用兩種應(yīng)力加載方法來研究載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力和MBN信號(hào)之間的關(guān)系，最為普遍的為軸向拉伸/壓縮，如文獻(xiàn)[16-18]，另一種為彎曲加載，如文獻(xiàn)[12,19]。

應(yīng)力會(huì)使材料內(nèi)部發(fā)生第二相析出，從而影響MBN信號(hào)的產(chǎn)生。SULLIVAN[20]研究了奧氏體不銹鋼在塑性變形階段的MBN信號(hào)的均方根，指出隨著塑性變形程度的加深，奧氏體不銹鋼中的鐵素體含量增多，從而使得MBN信號(hào)增強(qiáng)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 奧氏體不銹鋼塑性變形量和MBN信號(hào)的關(guān)系

應(yīng)力加載會(huì)使材料形成應(yīng)力梯度，造成不同應(yīng)力層有不同的MBN信號(hào)特性。FRANCO[21]利用三點(diǎn)彎曲技術(shù)(如圖5所示，材料兩端施加載荷F，中間固定支撐)，研究了高碳鋼(碳含量0.67%)在250 MPa拉應(yīng)力作用下的MBN信號(hào)分布情況。同時(shí)文章還指出，應(yīng)力作用下的MBN信號(hào)測(cè)試結(jié)果受到傳感器類型、激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度、濾波帶寬的影響，而不受MBN傳感器掃描速度的影響。

圖5 試件三點(diǎn)彎曲加載方法與試件受力分布示意

KYPRIS博士利用4點(diǎn)彎曲加載[12,19,22](見圖6)方法使試件上表面存在拉伸應(yīng)力，下表面存在壓縮應(yīng)力，造成板材在不同深度區(qū)域有不同的應(yīng)力梯度[見圖7，圖中σn為不同應(yīng)力梯度層,xn為距離材料表面深度,ωn/(2π)為不同應(yīng)力梯度層的截止頻率]，這一點(diǎn)與三點(diǎn)彎曲類似，可以更為準(zhǔn)確地定量分析應(yīng)力與MBN信號(hào)的關(guān)系。KYPRIS指出4點(diǎn)彎曲加載方法下的各應(yīng)力(σ1，σ2)梯度層的MBN信號(hào)強(qiáng)度V(σ1)存在以下關(guān)系

(13)

圖6 4點(diǎn)彎曲加載方法示意

圖7 4點(diǎn)彎曲下板材不同應(yīng)力分布梯度及MBN信號(hào)頻譜特性

此外，應(yīng)力對(duì)材料晶粒度，易磁化軸的影響都會(huì)使MBN信號(hào)的幅值和波峰數(shù)發(fā)生變化。AMIRI[23]研究了應(yīng)力和晶粒的各向異性對(duì)MBN信號(hào)的影響，指出材料在拉伸至1%塑性變形的過程中，MBN信號(hào)對(duì)應(yīng)力的敏感度大于對(duì)材料晶粒各向異性的敏感度。MOORTHY[24]研究指出En36鋼材近表面(0.7 mm以內(nèi))的MBN信號(hào)幅值隨著拉應(yīng)力的增大而增大，隨著壓應(yīng)力的增大而減小，并且在同等大小的應(yīng)力作用時(shí)，拉應(yīng)力的MBN信號(hào)幅值大于壓應(yīng)力的。BALDEV[25]在研究2.25Cr1Mo鋼受拉伸應(yīng)力作用時(shí)指出：① 在微觀塑性變形階段(屈服強(qiáng)度的3/4應(yīng)力階段)，MBN信號(hào)會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)波峰，如圖8所示(圖中縱坐標(biāo)為MBN信號(hào)電壓，各曲線的應(yīng)力條件為0，159，239，279，319 MPa)，第一個(gè)波峰歸因于晶粒邊界的影響，第二波峰歸因于材料中碳化物的影響；② 在微觀塑性變形增強(qiáng)階段，隨著應(yīng)力的增加，晶粒邊界的變化和Frank-Read型位錯(cuò)的形成會(huì)使磁疇壁自由運(yùn)動(dòng)的路徑受阻，導(dǎo)致雙峰的幅值下降；③ 到屈服階段，雙峰逐漸向中心靠攏，變成單峰。④ 塑性變形階段，MBN信號(hào)隨著應(yīng)力的增大而迅速下降，其原因是此階段材料表面壓縮殘余應(yīng)力的增加及位錯(cuò)密度的急速增大使得疇壁運(yùn)動(dòng)受到了很大阻礙。

圖8 不同應(yīng)力下2.25Cr1Mo鋼的MBN曲線

另外，祁欣[26]、丁松[27]、DHAR[28]等研究了低碳鋼單軸拉伸應(yīng)力作用下不同應(yīng)變階段的MBN值，指出在低塑性變形階段MBN信號(hào)都是先增加后減小，最后趨于穩(wěn)定的。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究，可得出以下結(jié)論：

(1) 材料處于彈性階段時(shí)，材料內(nèi)部的變化比較均勻且可逆，產(chǎn)生空洞、裂紋等缺陷較少，MBN信號(hào)較弱，信號(hào)強(qiáng)度與應(yīng)力具有較好的線性關(guān)系，這一點(diǎn)在文獻(xiàn)[13,24,25,28]中均有提及，但是當(dāng)材料受到應(yīng)力作用處于塑性變形階段時(shí)，材料結(jié)構(gòu)變化規(guī)律比較復(fù)雜，尚缺乏統(tǒng)一的模型來描述。

(2) MBN技術(shù)可用于對(duì)應(yīng)力變化的研究，MBN信號(hào)對(duì)拉應(yīng)力的敏感度大于對(duì)壓應(yīng)力的。在低塑性變形階段，信號(hào)強(qiáng)度隨著拉應(yīng)力先增大后減小，并且時(shí)而會(huì)出現(xiàn)雙波峰的MBN信號(hào)。

(3) 通過改變晶格結(jié)構(gòu)(包括晶格尺寸、晶格密度、磁化軸方向等)，應(yīng)力一方面會(huì)造成巴克豪森跳躍難度加大，所需矯頑力大；另一方面會(huì)促進(jìn)相鄰磁疇之間的融合，增加巴克豪森跳躍的數(shù)目。所以，應(yīng)力對(duì)MBN信號(hào)的影響是以上兩個(gè)方面博弈的結(jié)果。

2.2 殘余應(yīng)力的評(píng)估

殘余應(yīng)力是指外力作用消失后，材料內(nèi)部存在的保持自身相互平衡的應(yīng)力系統(tǒng)。材料不同部分因熱膨脹系數(shù)、屈服強(qiáng)度或剛度的差異，內(nèi)部會(huì)存在不協(xié)調(diào)、不均勻的變形，而為了保持內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生制約這種變形的力，這就是殘余應(yīng)力的形成機(jī)理。從影響因素來看，可將殘余應(yīng)力的形成原因歸為不均勻的受力、溫度、相變和晶格畸變，這些因素會(huì)影響材料的微觀組織結(jié)構(gòu)，影響材料磁特性，因而可以通過MBN信號(hào)的變化來定量分析鐵磁性材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布。

不均勻的塑性變形大多存在于材料局部區(qū)域，因此殘余應(yīng)力大多存在于材料局部區(qū)域。因而在許多研究中，對(duì)于材料殘余應(yīng)力和MBN之間的研究多結(jié)合材料的塑性變形來說明。

KLEBER等[29]將低碳鋼用410 MPa的應(yīng)力進(jìn)行單軸拉伸，檢測(cè)到當(dāng)塑性變形小于1%時(shí)，MBN信號(hào)變化不大;當(dāng)塑性變形大于1%時(shí)，MBN信號(hào)會(huì)隨著變形量的增大而迅速減小。文章還指出殘余壓應(yīng)力作用下MBN信號(hào)會(huì)出現(xiàn)二個(gè)波峰歸因于90°疇壁的位移，而殘余拉應(yīng)力下MBN信號(hào)的迅速變化是由于180°疇壁的位移造成的。

VASHISTA[30]在研究材料表面40 μm深度內(nèi)殘余應(yīng)力的影響時(shí)指出，MBN信號(hào)強(qiáng)度和殘余應(yīng)力存在如圖9所示的正相關(guān)關(guān)系。

圖9 軸承鋼中MBN信號(hào)和殘余應(yīng)力的關(guān)系

目前國(guó)內(nèi)外的研究中，多數(shù)是以檢測(cè)不同殘余應(yīng)力下的MBN信號(hào)為主，而通過MBN信號(hào)來反演材料殘余應(yīng)力的案例甚少。目前，開發(fā)出MBN技術(shù)殘余應(yīng)力檢測(cè)儀的有德國(guó)佛勞恩霍夫無損研究所(IZFP)、加拿大女王大學(xué)等為數(shù)不多的研究機(jī)構(gòu)，究其原因，筆者認(rèn)為有以下幾點(diǎn)：

(1) MBN檢測(cè)技術(shù)的復(fù)雜性。一是MBN技術(shù)對(duì)傳感器的提離高度、最佳激勵(lì)信號(hào)(包括信號(hào)電壓強(qiáng)度和幅值)等均有要求，測(cè)試結(jié)果的可靠性目前比不上射線等殘余應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)。

(2) 缺乏相應(yīng)的比對(duì)。MBN殘余應(yīng)力檢測(cè)信號(hào)需要與母材(或已知?dú)堄鄳?yīng)力的同等材料)進(jìn)行比對(duì)，這需要首先測(cè)定材料的MBN-σ分布規(guī)律，否則較難得出準(zhǔn)確的殘余應(yīng)力值。

3 存在的問題

MBN無損檢測(cè)技術(shù)在鐵磁性材料表面應(yīng)力檢測(cè)方面具有對(duì)應(yīng)力變化敏感、信號(hào)特征量明顯等優(yōu)點(diǎn)，但依舊存在以下的一些不足。

(1) MBN信號(hào)演變機(jī)理研究不足。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于MBN的產(chǎn)生機(jī)理已經(jīng)有了基本的認(rèn)識(shí)，在電磁學(xué)領(lǐng)域被廣泛接受的是20世紀(jì)90年代提出的J-A磁化理論，近年來有學(xué)者在J-A理論基礎(chǔ)上提出了Kypris-Jiles理論，對(duì)MBN演變機(jī)理做出了進(jìn)一步的解釋。但是對(duì)MBN信號(hào)模型的研究尚不充分，很多理論模型[3,4,7]都存在不足，尤其是在材料塑性變形階段，無法準(zhǔn)確描述“應(yīng)力-MBN-微觀結(jié)構(gòu)”之間的定量關(guān)系，不能準(zhǔn)確地對(duì)MBN技術(shù)進(jìn)行理論指導(dǎo)，這是制約MBN技術(shù)發(fā)展的原因之一。

(2) 影響因素復(fù)雜。檢測(cè)材料殘余應(yīng)力是MBN技術(shù)的重要應(yīng)用之一，如何保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性和精確度是該技術(shù)的關(guān)鍵之一。實(shí)際檢測(cè)中，材料的各向異性、傳感器類型及精度、電磁波干擾、激勵(lì)方式等因素都會(huì)影響MBN信號(hào)。

(3) 目前已有學(xué)者提出了彈性階段MBN信號(hào)與材料形變之間的定量關(guān)系，但當(dāng)應(yīng)力超過屈服點(diǎn)時(shí)，由于磁疇結(jié)構(gòu)的變化較為復(fù)雜，目前尚缺乏統(tǒng)一的定量描述。應(yīng)力對(duì)MBN信號(hào)的影響并不是單純的增大或減小，而是對(duì)磁疇結(jié)構(gòu)變化有著阻礙作用和促進(jìn)作用并存的關(guān)系。

4 結(jié)語

文章重點(diǎn)討論了MBN技術(shù)在應(yīng)力檢測(cè)方面的應(yīng)用，介紹了MBN應(yīng)力技術(shù)的基本原理，著重引入了J-A理論模型對(duì)于MBN應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)的指導(dǎo)。J-A理論作為一種基于疇壁結(jié)構(gòu)的磁化模型，對(duì)于MBN現(xiàn)象及該技術(shù)的應(yīng)用有很好的適應(yīng)性。在利用MBN技術(shù)進(jìn)行材料受力狀態(tài)分析及殘余應(yīng)力檢測(cè)方面，國(guó)內(nèi)外都進(jìn)行了深入研究，筆者根據(jù)各學(xué)者的研究總結(jié)了MBN技術(shù)在以上檢測(cè)方向上的部分結(jié)論、優(yōu)勢(shì)和不足，具體有以下幾點(diǎn)：

(1) 當(dāng)材料受力并處于彈性階段及低塑性變形階段時(shí)，材料內(nèi)部產(chǎn)生的裂紋等缺陷較少，釘扎點(diǎn)數(shù)目少，矯頑力小，MBN信號(hào)與受力具有較為良好的線性關(guān)系。應(yīng)力對(duì)巴克豪森跳躍的阻礙和促進(jìn)作用存在一種博弈關(guān)系，MBN信號(hào)對(duì)拉應(yīng)力的敏感度大于對(duì)壓應(yīng)力的，拉應(yīng)力對(duì)巴克豪森跳躍的促進(jìn)作用大于阻礙作用，促使了磁疇結(jié)構(gòu)和易磁化方向趨于一致，使材料呈現(xiàn)磁軟化現(xiàn)象，此時(shí)MBN信號(hào)隨著拉應(yīng)力的增大而增大；而壓應(yīng)力會(huì)使得材料表現(xiàn)為磁硬化，同等應(yīng)力情況下，MBN信號(hào)對(duì)拉應(yīng)力的敏感度大于對(duì)壓應(yīng)力的。

(2) 在高塑性變形階段，材料結(jié)構(gòu)變化過程復(fù)雜，會(huì)產(chǎn)生較多的內(nèi)部缺陷(滑移帶、微裂紋等)，造成材料內(nèi)部晶格發(fā)生不可逆的畸變，使得應(yīng)力對(duì)磁疇結(jié)構(gòu)融合的阻礙作用大于促進(jìn)作用，進(jìn)而產(chǎn)生的MBN信號(hào)強(qiáng)度較小，且變化幅值較小。

(3) 目前對(duì)于MBN信號(hào)的演變機(jī)理研究略有不足，尤其是在材料塑性變形階段，缺乏令人廣泛接受的理論模型。

(4) 利用MBN技術(shù)進(jìn)行應(yīng)力評(píng)估的同時(shí)，結(jié)合其他的材料磁特性參數(shù)(如矯頑力、增量磁導(dǎo)率、切線磁場(chǎng)諧波分析等)，基于多磁參數(shù)進(jìn)一步分析材料易磁化軸、材料表面硬度、滲碳層深度等微觀結(jié)構(gòu)和材料性能，在鐵磁性材料的無損檢測(cè)方面，尤其是未形成顯著缺陷的材料性能退化早期階段，具有廣闊的發(fā)展前景。