石油和天然气在全球一次能源中的占比达到56%,油气管道输送行业是我国国民经济和社会发展的重要产业,随着管道建设发展迅速,管道安全维护是保证其正常运营的核心问题。应力是长输油气管道的安全维护和风险评估中的重要参数,油气管道上的应力集中区可能使其表面形成宏观体积缺陷或机械损伤,为其正常运行埋下重大安全隐患。管道内检测是国际管道行业公认的管道安全检测的最有效手段。金属磁记忆检测法作为一种新兴应力检测技术,其原理是在地磁场下通过检测铁磁性金属构件应力集中区表面的微弱磁信号来判断构件应力损伤区域和应力损伤程度的一种无损应力检测方法;该种方法有对应力集中敏感、支持非接触动态在线检测、无需对铁磁性金属构件进行破坏性处理等优点,在油气管道内检测领域具有很好的应用前景,同时在应力检测的工程实践中已有广泛应用。然而,磁记忆现象的机理是该技术的瓶颈问题,现有磁记忆检测理论大多是对实验现象的总结,仅能解释部分磁力学关系,铁磁性构件从完好至失效全过程中的力磁对应关系尚无统一定论。本文以长输油气管道应力内检测为课题工程背景,针对金属磁记忆检测技术的机理研究问题,通过密度泛函理论中能带结构、原子磁矩、电子态密度的变化而引起的磁学特性变化与铁磁性金属构件的力学特性联系起来,建立了金属磁记忆全过程磁力学耦合数学模型,阐述了金属磁记忆检测过程中的全过程磁力学变化机理,实现对铁磁性金属构件从完好至失效的全过程磁力学关系的深入分析,为金属磁记忆效应的研究机理的后续研究提供了新思路。本文通过改变单轴外部载荷对无掺杂α-Fe磁力学模型进行了磁力学特性分析,以长输油气管道应用中常见的X80型钢材为研究对象,分析了X80钢材中的常见元素作为掺杂元素时对α-Fe的磁学特性的影响,并对不同掺杂元素下的α-Fe晶胞模型进行了不同单轴载荷作用下的磁力学特性分析,对拉应力和压应力下不同模型的系统磁性进行分析,研究了应力作用方向对系统磁力学变化趋势的影响。在铁磁性金属构件中,由于固体强度作用,单轴外部载荷与单轴应变作用的相变机制不同,本文通过铁磁性构件的单轴应变对模型进行磁力学特性分析。在不同单轴应变下对无掺杂α-Fe磁力学模型和不同X80钢材中的常见元素掺杂下的磁力学模型进行加载,计算了不同掺杂元素下α-Fe晶胞模型的应力应变曲线,分析了不同掺杂元素对α-Fe力学特性的影响;同时,计算并分析了不同掺杂元素下的α-Fe晶胞模型在不同单轴应变下的磁力学关系。本文在不同加载方式下设计了磁力学钢板拉伸实验、管道打压实验及磁力学管道水压爆破实验,通过实时监测载荷过程中的应力变化和磁记忆信号变化,分析了不同加载方式下的管道应力应变曲线,研究了磁记忆信号在不同加载方式及不同受力阶段的变化特征,研究结果与磁力学模型下计算得到的磁力学变化趋势在不同受力阶段下的磁力学变化趋势相同,均呈现两个磁力学信号拐点。本文通过建立铁磁性金属构件磁力学耦合模型,在单轴外部载荷和单轴应变两种加载方式下对磁学特性与力学特性进行计算,计算得到的磁力学变化趋势与宏观实验中的磁力学变化趋势相同,均呈现两次磁信号变化拐点,通过一系列宏观实验证明,磁力学模型的计算结果可以为预测宏观工程实践中磁记忆信号随应力变化的趋势提供可能性,为金属磁记忆检测技术在长输油气管道应力内检测工程应用中的磁力学分析及应力综合评估提供参考和理论依据,推动金属磁记忆检测技术在管道、铁路、压力容器、化工、航空等领域的工程实际应用。