專利名稱:非破壞性材料試驗和磁結構材料檢驗的方法和設備的制作方法
本發(fā)明是關于非破壞性材料試驗的方法和設備，更詳細地說，是關于抗磁性、順磁性、鐵磁性和亞鐵磁性材料等磁結構材料(magnetostructural materials)的檢驗方法和設備。
目前，材料試驗現有技術中有若干公知的非破壞性材料試驗方法，例如，X射線照相法、γ射線或粒子輻射法、超聲波試驗法、聲傳播試驗法、渦流試驗法等。這些方法可應用于多種不同的場合，一般應用于，例如，結構材料的非破壞性試驗中。這些方法通常是在間接測定方法的基礎上得出試驗結果的，雖然這些試驗結果可能是相當明確的，但對試驗結果的分析整理是與性能和情況已知的樣品對比進行標定，憑經驗進行的，與材料的性能和缺陷有關。因此當各試驗樣品具有憑經驗獲得的標定數據所不能解釋的性能和缺陷時，對試驗結果的分析整理就容易出差錯。此外，信號噪聲比往往太差，以致不能對材料結構進行更精確的分析，例如，材料的結晶性能、晶格缺陷、位錯、應力場等。
在現有技術中，有一些公知的方法是以測定待試驗材料的磁性能為基礎的，而且目前已研制出各種器件應用到這方面。這些方法多數是基于將材料磁化，記錄下通常叫B-H曲線的磁化曲線，或記錄下磁滯回線。這樣可以測定出作為頑磁或矯頑磁力的諸參數，借助于實驗標定可以把這些參數與材料的機械性能聯系起來。頑磁和矯頑磁力可與，例如，材料的硬度聯系起來，因為它們在某種程度上取決于材料的晶粒結構，而材料的晶粒結構確定了具體材料的硬度。它們還可與材料的抗拉強度聯系起來，達到相當精確的程度。磁化曲線上可能會出現一些小小的間斷點或躍變，這些躍變的大小和數目(一般叫做巴克好森效應)可加以測定和分析，由此可以知道材料中有無缺陷、裂縫和孔隙存在。熟悉本專業(yè)的人士都知道，巴克好森效應是因鐵磁材料中所謂磁疇壁(布洛赫壁)的運動產生的，這種運動深受晶格缺陷、位錯、沉積物、雜質、裂縫和孔隙的影響，因而從巴克好森效應可以看出應力場和晶粒性能。觀察磁化曲線上的各間斷點可以發(fā)現所有這些現象。因此記錄和分析巴格好森效應可以提供有關材料性能的重要資料。另一種磁性試驗方法是依靠往材料上加磁通，記錄下材料的剩磁磁力線的圖形，材料中的缺陷就以畸形磁力線圖形的形式表現出來。磁性測量，例如，磁場強度變化的測量已經應用于，例如，冶金工業(yè)中需要控制軋制產品或擠壓制品厚度的場合，測定材料的厚度。
上述磁性測量法在下列諸專利中有介紹，例如，聯邦德國專利DE-OS 27 46477就公開了根據對巴克好森效應產生的噪音信號的分析檢測磁性材料中的缺陷;歐洲專利EP 96 078公開了用測量頑磁的方法測定鋼板的在線硬度;英國專利GB 1266248公開了在記錄矯頑磁力的基礎上測定鐵合金的硬度從而確定合金中的含碳量，美國專利US 4，495，465則公開了在非破壞性試驗中應用磁通的方法，具有作法是檢測出能表示磁阻變化因而表示有缺陷存在的磁力線圖形的變化。
上述專利所公開的磁性測定法，其應用通常局限于易磁化的材料，即鐵磁材料或亞鐵磁材料。但幾乎所有材料和元素，無論它們能否被磁化，都對施加在其上的外來磁場起反應。
本發(fā)明的目的是提供一種適用于所有能被磁化(但只是輕微磁化)的材料或元素的非破壞性試驗方法，即適用于所有其組成的原子微粒具有磁矩的物質的非破壞性試驗方法。更具體地說，本發(fā)明提供一種檢驗抗磁性、順磁性、鐵磁性或亞鐵磁性物質或材料的方法。為了對這些物質的天然磁性和磁性能有一個全面的了解，讀者可參看一般教科書和參考文獻，例如，R.范曼著的《范曼物理講義》(一九六四年版)第二卷，第34章，第1至6節(jié)，第36章，第37章;威廉T.斯科特著的《電學和磁學物理》(一九五九年版)第八章;《麥格勞-希爾科技百科全書》中有關“鐵磁學”和“磁性材料”的文章(最新版)。
本發(fā)明的目的特別是提供一種深入分析上述材料的結構和性能的方法。更詳細地說，本發(fā)明的目的是提供一種通過記錄材料對外來磁場的反應，并根據對所記錄的響應曲線所作的定量分析測定的評價進行的材料快速可靠試驗的方法，避免了因噪音和測量上不確定因素所產生的誤差源。
上述目的是用具有下列特征的方法和設備付諸實現的本發(fā)明的方法的特征是將待研究的材料用交變磁場進行磁化和去磁，即加上一個磁場以產生一個在交變磁場各周期具有不同導磁率的極微小磁滯回線，其中有半個周期出現磁化脈沖，另半個周期出現去磁脈沖;調節(jié)半個周期的能量值使其與另半個周期的能量值相等;各半個周期系這樣調節(jié)，使它們相對于時間和磁場強度都不對稱;調節(jié)各半個周期持續(xù)時間之間的關系，使去磁脈沖持續(xù)時間比磁化脈沖的短，從而使進行去磁時的磁場強度大于進行磁化時的磁場強度;測定磁疇旋轉所產生的反磁感應或去磁過程中磁矩對齊所產生的反磁感應，對某些材料還測定巴克好森效應和諸如矯頑磁力和頑磁等參量;記錄和分析被測量與時間的關系以提供測定受檢驗材料的各種性能(包括結構、應力場和缺陷)用的由時間導出的參量或由頻率導出的參量。改變交變磁場的頻率(即一個周期的持續(xù)時間)，和/或交變磁場的場強(即一個周期中所消耗的能量);改變一個周期中兩半個周期的各持續(xù)時間，以改變磁場強度，從而改變構成一個周期的兩半個周期的磁化脈沖和去磁脈沖的功率;調節(jié)一個周期的半個周期的能量值，使其與另半個周期的能量值不相等，從而使各半個周期的能量值不對稱;發(fā)出磁化脈沖，該磁化脈沖最好是一個方波，其持續(xù)時間為0.001至0.1秒，還發(fā)出去磁脈沖，該去磁脈沖最好是一個正弦波，其持續(xù)時間為10毫微秒至10毫秒，進行去磁時的磁場強度最好為進行磁化時磁場強度的2至100倍;當待檢驗的材料為鐵磁材料或亞鐵磁材料時，在材料磁滯回線軟磁性區(qū)或在材料導磁率高的磁滯回線區(qū)對材料進行磁化和去磁，在各周期的交變磁場產生一個導磁率逐漸增加的小磁滯回線;在待檢驗的材料和交變磁場源之間插入一個鐵磁材料，該鐵磁材料可以是永久磁鐵，從而改變所述材料逐漸增長的導磁率和磁通量;在材料相對于磁場運動-最好是移動或轉動，的同時，對材料進行檢驗。
履行上述方法用的設備的特征是該設備包括至少一個電磁鐵，該電磁鐵配置在待檢驗材料試樣附近，設有鐵氧體鐵心，最好還設有兩個線圈;電磁鐵線圈接到由脈沖寬度控制的振蕩器;各線圈最好設有一個振蕩器，用以控制磁化脈沖和去磁脈沖的持續(xù)時間;該設備還包括若干用以進行測量的檢測器，檢測器的輸出接到一個示波器之類的記錄器、比較器或計算機。在鐵氧體鐵心面對試樣的端部部位附近設有輔助線圈，用以加深滲透深度或在試樣距鐵芯更大距離的情況下進行檢驗，輔助線圈的磁場強度是這樣進行控制，使它與電磁鐵的磁場相互作用;該設備設有兩個相同的鐵氧體鐵心，一個套在另一個里面，兩鐵氧體鐵心的線圈同相工作，但磁場強度不同，用以測定厚度。
本發(fā)明的方法是通過記錄響應加到試樣上的外加交變磁場時試樣中所產生的磁疇旋轉或磁矩對齊時所產生的反磁感應(counterinduction)來提供受試驗材料結構的有關資料的，所以這個方法叫磁結構法。因此本發(fā)明的磁結構法的特征在于，用，例如，履行本發(fā)明方法的設備(下面即將詳細談到)所使用的電磁鐵對材料試樣(最好是小量的)進行磁化和去磁。由于所加的磁場是交變磁場，磁化和去磁過程是在磁場周期內進行的。磁化脈沖的持續(xù)時間大體上比去磁脈沖的持續(xù)時間長，前者例如為1毫秒至100毫秒，后者為10毫微秒至10毫秒。令磁化脈沖的能量值與去磁脈沖的能量值保持相等，從而使磁場周期各半個周期各脈沖的功率不等，其中去磁脈沖的功率較大。鑒于磁場強度與脈沖功率成正比，因此不難看出，去磁會以比磁化時更大的磁場強度進行。在去磁過程中，試樣以反磁感應形式所作出的響應用適當的檢測器進行檢測，用適當的記錄儀進行記錄。試樣的初始磁性狀態(tài)，即在開始磁化時的磁性狀態(tài)，在去磁過程終了時會恢復過來，這一點是最重要的。在一個試驗循環(huán)中保持磁化/去磁周期的頻率不變，同時這樣調節(jié)一個周期中的各半個周期，使它們相對于時間和磁場強度不對稱。較長的磁化脈沖確保獲得足夠的飽和度，短(而因此)有力的去磁脈沖則能引起信號噪聲比高的可能最強的反磁感應響應。這在對可微量磁化的材料進行檢驗時更是有利。改變交變磁場的頻率即可獲得不同頻率的試驗循環(huán)。還可以改變交變磁場的場強，同樣，也可改變各半個周期相對于時間和功率的不對稱性。此外，可以對各半個周期給定不對稱的能量值，即磁化脈沖的能量調定得與去磁脈沖的能量不一樣。這樣就可以從試樣引出不同的響應。接著就可以分析時間和所記錄的響應曲線的頻率參數以提供有關材料性能的重要資料-采用頻率和功率不變的磁化/去磁循環(huán)所不能獲取的資料。提高頻率可以例如顯示出磁疇旋轉的時間響應或磁矩對齊時的時間響應，這對結構分析可能有用。(值得注意的是，從材料磁性上可加以測定的一些量預測材料的結構和性能或其相反過程，眾所周知，都是極其困難的，其主要原因在于，磁效應完完全全是量子力學現象，不能精確加以計算或按照經典物理的方法來理解)。
對抗磁性材料，本發(fā)明的磁結構結構法可以提供有關結構(物相)、晶格缺陷、位錯、裂縫、孔隙和應力場的資料。這些材料線性的導磁率非常低，要測出其反磁感應響應需用靈敏度高的檢測器。磁化和去磁的結果產生導磁率不同的極其微小的磁滯回線。這個情況也適用于順磁材料，而且可以獲得同樣的資料。但應該指出的是，順磁材料的磁化與溫度有關。
鐵磁材料和亞鐵磁材料最好是在高導磁率區(qū)進行磁化。鑒于巴克好森效應在磁化曲線的所謂軟磁性區(qū)更明顯得多，因此如果除反磁感應外還決定記錄下巴克好森效應以便獲取有關材料的結構和缺陷的更進一步的信息，則大有好處。為了要達到該軟磁性區(qū)，可往未磁化的鐵磁或亞鐵磁試樣加恒定的直流磁場，直流磁場上可疊加交變磁場。但應該注意的是，單單加交變磁場會在試樣中產生剩磁，從而增加了磁化強度，直至該剩磁為試樣中不斷增長的磁阻所抵銷為止。但由于采用靈敏度高的檢測器可以在例如原始的硬磁性區(qū)進行測定，因而試驗不一定非得在高導磁率區(qū)進行不可。這時最重要的是磁滯回線必須是極微小的，不然會得出導磁率逐漸增長的小磁滯回線。矯頑磁力和頑磁可按一般方法測定。
裂縫、孔隙、沉積物和雜質等內部的缺陷在去磁過程中易于檢測出，這些缺陷在去磁曲線上呈斷續(xù)曲線形式。在這類試驗中，最好將曲線與性能已知的標準試樣的結果對比，進行實驗標定。為要檢測應力場，試樣應保持不動。通過對比應力場的發(fā)展過程，可以檢測出受試材料的疲勞現象，甚至當試樣是永久性裝設的結構構件也不例外，因為可以在現場就地應用適當的設備進行檢驗。此外，本發(fā)明的方法可用以檢驗相對于測試儀器運動(例如移動或轉動)的試樣，從而可以確定材料結構中缺陷的位置并檢測存在于材料結構空間中的變化。這樣，應用本發(fā)明的磁結構法除可以檢測并記錄鐵磁性和亞鐵磁性材料的反磁感應情況外，還可以測定其各種參數。
現在通過附圖中所示的最佳實施例更詳細地介紹本發(fā)明的設備，附圖中圖1是本發(fā)明一個設備的方框示意圖，
圖2是圖1設備的磁化器一個實施例的詳圖，以及圖3是磁化器的一個修改實施例。
試樣M是用周知的電磁鐵1(例如圖1中所示的U形磁鐵，也可以是條形或環(huán)形磁鐵)，進行磁化和去磁的。因此圖1中所示的磁化用的鐵氧體鐵心呈U字形，其上有線圈2和線圈3。該設備有一個振蕩器，該振蕩器由一個控制脈沖寬度用的激勵器電路4組成，該激勵器電路激勵著與線圈2相連的晶體管5，線圈2的圈數例如可以比線圈3的圈數多二倍，而線圈3通過第二晶體管5′與振蕩器6相連。各振蕩器控制場強的電源可以是一個共用電壓源或是一個電壓可調節(jié)的電源。脈沖寬度控制器10和11分別提供磁化脈沖和去磁脈沖的預定持續(xù)時間。在試樣M上方和磁鐵1內部配置有兩個檢測器7和8，如圖1所示。各檢測器的磁性靈敏度非常高。但為了檢測試樣M中動態(tài)磁場強度的變化，各檢測器也可由帶線圈的小鐵氧體鐵心組成，也可以是檢測反磁感應用的高靈敏度的檢測線圈。設備用以檢測材料中的缺陷時，來自各檢測器的諸信號可以饋到一個示波器、一個比較器或一個計算機上，以便對檢測器的脈沖進行簡單的比較從而確定各脈沖之間的偏差;或進行更復雜的結構分析時，各檢測器的輸出則用數學方法進行更復雜的分析處理。
為了用該設備在與試樣相距一段距離的地方進行測量或為了加深磁力線穿透試樣的深度，設有輔助線圈12和13，以便利用可變電阻器14和15將電磁鐵(即磁脈沖發(fā)送器)的磁場分配到所希望的距離或分配入材料中所希望的深度。發(fā)送器/檢測器系統與距離的變化無關，因為輸出信號主要只表示脈沖振幅的變化，而頻率變化卻非常小，因而對檢測器輸出的分析與脈沖振幅無關。這樣，本發(fā)明的方法在信號噪聲比方面比其它磁性法或感應法是有本質上的改進的。借助于個別可控振蕩器電壓改變發(fā)送線圈中的磁化和去磁電流間的關系即可以檢驗出試樣的其它性能，例如馬氏體或奧氏體材料中的頑磁和導磁率。焊接和熱處理后的剩余應力以及材料的結構缺陷也可用同樣方法檢測出來。
測定材料厚度例如壁厚時采用圖3所示的磁化器件大有好處。如圖所示，壁厚的測定是采用兩個彼此套在一起的大型U形鐵氧體鐵心。鐵氧體鐵心1上設有三個線圈2、3和14。第二鐵氧體鐵心15上同樣設有三個線圈16、17和18。鐵心1和15相對于待檢驗的樣品相距一定距離配置。線圈2和3各接到振蕩器上，如圖1所示。這時各振蕩器控制著由線圈2和3發(fā)出的脈沖的諸參數，使材料完全去磁。鐵氧體鐵心15是與鐵氧體鐵芯1同樣地構成，但實際尺寸小一些以便放入鐵氧體鐵心1中。線圈2、3和16、17同相位工作，但其所產生的場強不同，這視材料的類型和壁厚而定;上述線圈在極性上相同。
線圈14和18是檢測器線圈，它們的輸出同樣饋到一個比較器或計算機上，以便進行分析。發(fā)送器線圈處在適當場強關系下時，檢測器線圈會檢測出相同的振幅和相同的波形。壁厚的變化使從鐵心1的磁場離開材料，因而減少磁損失，從而使檢測器線圈14中檢測出的振幅與壁厚的減小成比例地增加。
權利要求
1.一種檢測磁結構材料和非破壞性試驗抗磁性、順磁性、鐵磁性和亞鐵磁性材料的方法，其特征在于，該方法是將待研究的材料用交變磁場進行磁化和去磁，即加上一個磁場以產生一個在交變磁場各周期具有不同導磁率的極微小的磁滯回線，其中有半個周期出現磁化脈沖，另半個周期出現去磁脈沖，調節(jié)半個周期的能量值使其與另半個周期的能量值相等；各半個周期系這樣調節(jié)；使它們相對于時間和磁場強度都不對稱；調節(jié)各半個周期持續(xù)時間之間的關系，使去磁脈沖持續(xù)時間比磁化脈沖的短，從而使進行去磁時的磁場強度大于進行磁化時的磁場強度；測定磁疇旋轉所產生的反磁感應或去磁過程中磁矩對齊時所產生的反磁感應，對某些材料還測定巴克好森效應和諸如矯頑磁力和頑磁等參量；記錄和分析被測量與時間的關系，以提供測定受檢驗材料的各種性能(包括結構應力場和缺陷)用的由時間導出的參量或由頻率導出的參量。
2.根據權利要求
1的方法，其特征在于，改變交變磁場的頻率(即一個周期的持續(xù)時間)，和/或交變磁場的場強(即一個周期中所消耗的能量)。
3.根據權利要求
1的方法，其特征在于，改變一個周期中兩半個周期的各持續(xù)時間，以改變磁場強度，從而改變構成一個周期的兩半個周期的磁化脈沖和去磁脈沖的功率。
4.根據權利要求
1的方法，其特征在于，調節(jié)一個周期的半個周期的能量值，使其與另半個周期的能量值不相等，從而使各半個周期的能量值不對稱。
5.根據權利要求
1的方法，其特征在于，發(fā)出磁化脈沖，該磁化脈沖最好是一個方波，其持續(xù)時間為0.001至0.1秒，還發(fā)出去磁脈沖，該去磁脈沖最好是一個正弦波，其持續(xù)時間為10毫微秒至10毫秒，進行去磁時的磁場強度最好為進行磁化時磁場強度的2至100倍。
6.根據上述任何權利要求
的方法，當待檢驗的材料為鐵磁材料或亞鐵磁材料時，其特征在于，在材料磁滯回線軟磁性區(qū)或在材料導磁率高的磁滯回線區(qū)對材料進行磁化和去磁，在各周期的交變磁場產生一個導磁率逐漸增加的小磁滯回線。
7.根據權利要求
6的方法，其特征在于，在待檢驗的材料和交變磁場源之間插入一個鐵磁材料，該鐵磁材料可以是永久磁鐵，從而改變所述材料逐漸增長的導磁率和磁通量。
8.根據上述任何權利要求
的方法，其特征在于，在材料相對于磁場運動-最好是移動或轉動，的同時，對材料進行檢驗。
9.履行根據上述任何權利要求
的方法用的設備，其特征在于，該設備包括至少一個電磁鐵，該電磁鐵配置在待檢驗材料試樣附近，設有鐵氧體鐵心，最好還設有兩個線圈;電磁鐵線圈接到由脈沖寬度控制的振蕩器;各線圈最好設有一個振蕩器，用以控制磁化脈沖和去磁脈沖的持續(xù)時間;該設備還包括若干用以進行測量的檢測器，檢測器的輸出接到一個示波器之類的記錄器、比較器或計算機。
10.根據權利要求
9的設備，其特征在于，在鐵氧體鐵心面對試樣的端部部位附近設有輔助線圈，用以加深滲透深度或在試樣距鐵芯更大距離的情況下進行檢驗，輔助線圈的磁場強度是這樣進行控制，使它與電磁鐵的磁場相互作用。
11.根據權利要求
9的設備，其特征在于，該設備設有兩個相同的鐵氧體鐵心，一個套在另一個里面，兩鐵氧體鐵心的線圈同相工作，但磁場強度不同，用以測定厚度。
專利摘要
檢驗磁結構材料和對抗磁性、順磁性、鐵磁性和亞鐵磁性材料進行非破壞性試驗的一種方法是用交變磁場對試樣進行磁化和去磁，磁場在其各周期中產生導磁率不同的極微小的磁滯回線，檢測所產生的反磁感應。記錄和分析諸檢測信號以提供由時間導出的或由頻率導出的諸參數，用這些參數確定受檢驗材料的一些性能。
文檔編號G01R33/12GK87100765SQ87100765
公開日1987年11月18日 申請日期1987年2月17日
發(fā)明者朱利葉斯·哈泰, 特杰·奧爾森, 尼爾斯·克里斯琴·萊克文 申請人:朱利葉斯·哈泰, 特杰·奧爾森, 尼爾斯·克里斯琴·萊克爾導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan