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巴克豪森效應(yīng)及磁彈技術(shù)
鐵磁性材料是由許多小的像條型磁鐵狀的磁性區(qū)域組成的, 這種磁性區(qū)域叫磁疇;每個區(qū)域內(nèi)部包含大量原子,這些原子的磁矩都像一個個小磁鐵那樣整齊排列,但相鄰的不同區(qū)域之間原子磁矩排列的方向不同。各個磁疇之間的交界面稱為磁疇壁。磁場會引起磁疇壁來回的移動,當(dāng)磁疇的一側(cè)磁疇壁收縮而另一側(cè)的磁疇壁增長時會導(dǎo)致磁疇有序的移動。磁疇的變化會使磁化總量發(fā)生改變。
用電磁線圈靠近樣品,磁疇壁移動時產(chǎn)生的磁變化量會使線圈中產(chǎn)生一個脈沖電流。1919年巴克豪森(Barkhansen)教授首先發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象,故稱為巴克豪森效應(yīng)。他證明了這種磁化進程,并用磁滯曲線的形式描繪了出來。事實上這個曲線并不是連續(xù)的,是由外磁場導(dǎo)致磁疇移動而產(chǎn)生的許多小的突然的步驟組合而成。當(dāng)由磁疇運動而產(chǎn)生的電流脈沖疊加到一起時,一種像噪聲一樣的信號就產(chǎn)生了,這就是巴克豪森信號。
大多數(shù)材料中巴克豪森信號的功率譜從磁化頻率開始可達到250kHz。在材料內(nèi)部傳遞時巴克豪森信號的衰減是指數(shù)級的,主要取決于由磁疇壁移動產(chǎn)生的電磁場所生成的渦電流的衰減程度。衰減范圍決定了可獲取信息的位置深度(測量深度)。影響深度的主要因素有:噪聲信號可分析的頻率范圍和被測材料的可導(dǎo)性和滲透性。實際應(yīng)用中測量深度一般在0.01到1.5毫米之間。實際的測量深度取決于不同材料各自的滲透性和傳導(dǎo)性。
兩種重要的材料特性會極大的影響巴克豪森信號的強度。
材料中彈性應(yīng)力的存在和分布會影響磁疇范圍的選擇和自磁化方向的設(shè)定。這種彈性特性和磁疇結(jié)構(gòu)以及材料的磁化特性之間相互作用的現(xiàn)象叫做“磁彈性”。具有完全磁各向異性的材料(鐵、大多數(shù)的鋼、鈷)中,壓應(yīng)力會減弱巴克豪森信號的強度而張應(yīng)力則會增強信號強度。利用這個原理,可以用測量巴克豪森信號總量的方法來測量殘余應(yīng)力,也可以確定主應(yīng)力的分布方向。
另外一個影響巴克豪森信號的材料特性是金屬材料的結(jié)構(gòu)。從某種意義上講也可以用硬度來描述這種影響:在微觀組織結(jié)構(gòu)中增強的硬度減弱了巴克豪森信號的強度。從這方面來講,巴克豪森信號也能提供材料結(jié)構(gòu)狀況的信息。
許多常見的表面缺陷如磨削燒傷、硬表面上的軟點和軟邊緣、除碳區(qū)等含有微觀組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力變化的情況都是很容易用磁彈法檢測出來的。若干動態(tài)的進程,像蠕變和疲勞,也可以用磁彈法來進行應(yīng)力和微觀組織結(jié)構(gòu)變化的檢測。
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