張玉華 孫慧賢 李建增

（軍械工程學(xué)院電氣工程系，石家莊050003）

硬度測量無損檢測新技術(shù)的研究與發(fā)展

張玉華 孫慧賢 李建增

（軍械工程學(xué)院電氣工程系，石家莊050003）

介紹了目前硬度測量中無損檢測新技術(shù)的檢測原理及特點，對該領(lǐng)域國內(nèi)外研究的最新進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，分析了具有代表性的研究成果并對今后硬度測量技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了預(yù)測。

硬度；無損檢測；渦流檢測；磁導(dǎo)率；矯頑力；超聲檢測

0 引言

在零部件的制造和使用過程中，硬度是衡量機(jī)械性能的一項關(guān)鍵指標(biāo)［1］，它代表固體材料表面抵抗彈性變形、塑性變形或斷裂的能力。因此，硬度測量試驗在工業(yè)生產(chǎn)中具有極其重要的作用。傳統(tǒng)的硬度測量方法主要有靜態(tài)和動態(tài)試驗法兩種，但這些機(jī)械式檢測方法具有一定的局限性，如試驗周期較長，且給被測工件表面造成不同程度的破壞。因此對某些制作工藝復(fù)雜、加工成本高的零部件，上述硬度測量方法已滿足不了無損、快速檢測的新要求。從20世紀(jì)80年代后，國外將材料的力學(xué)性能和其物理性能聯(lián)系起來，開始研究基于電、磁、聲學(xué)原理的零部件硬度無損檢測技術(shù)。本文對這些新方法的檢測原理及特點進(jìn)行介紹，研究分析了目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其代表性的技術(shù)成果，并就其中的某些問題闡述了作者的觀點，最后指出無損檢測技術(shù)在硬度測量方面的發(fā)展趨勢。

1 電磁檢測法

由材料學(xué)可知，材料的金相結(jié)構(gòu)、組織成分、熱處理工藝同時影響零部件的機(jī)械和物理性能。理論與實驗證明，硬度與金屬材料的導(dǎo)電率、磁導(dǎo)率、矯頑力等參數(shù)存在緊密聯(lián)系［2－3］，因此，通過測量這些參數(shù)可得到零部件的硬度值。于是基于這一特征發(fā)展起來的硬度電磁檢測法，又具體分為以下四種。

1.1 渦流法

如圖1所示，當(dāng)一空芯線圈通以正弦激勵電流后，線圈內(nèi)會產(chǎn)生一軸向的主磁場。將線圈放置到被測試件表面，由電磁感應(yīng)原理可知，試件中會感應(yīng)出渦流，渦流產(chǎn)生的次級磁場和主磁場之間的交互作用形成了線圈和試件的電磁耦合，最終體現(xiàn)為線圈阻抗的改變，它可表示為［4］：

式中：ω為激勵角頻率；l為線圈的提離；r2為線圈外徑；r1為線圈內(nèi)徑；N為線圈匝數(shù)；d為試件厚度；σ為試件電導(dǎo)率；μ為試件磁導(dǎo)率；μ0為空氣磁導(dǎo)率。

圖1 渦流檢測原理

由式（1）可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)線圈參數(shù)、激勵頻率及被測試件的尺寸均為定值時，阻抗只與試件材料屬性有關(guān)。因此，通過測量線圈阻抗的變化量，便可實現(xiàn)硬度的檢測。

國內(nèi)對硬度測量新技術(shù)的研究起步較晚，始于20世紀(jì)90年代，側(cè)重于試驗性研究。如萬國慶等人研制了基于電導(dǎo)率測試的低頻WJF－38型金屬材質(zhì)分選儀，用于區(qū)分過時效件和前時效件［5］。薩殊利等人用渦流法檢測淬火鋼軌踏面硬度，并對探頭的提離效應(yīng)進(jìn)行了分析［6］。吳步寧討論了當(dāng)前鋼材硬度渦流無損檢測面臨的兩個難點，提出使用Fourier系數(shù)的均方差構(gòu)成決策圖，并用多頻渦流法，對鋼材硬度進(jìn)行分類檢測［7］。文獻(xiàn)［8］用金屬材料分選儀檢測焊接鋼質(zhì)藥筒的筒底硬度，指出傳統(tǒng)硬度計的結(jié)果只是工件表面某點的硬度值，而渦流法的結(jié)果則是對工件表面綜合硬度的評估。

國外研究側(cè)重于理論，Zergoug M等研究了線圈阻抗與機(jī)械性能之間的關(guān)系，指出基于材料電和磁特性的渦流檢測方法可實現(xiàn)對硬度的檢測［9］。Mercier D等研究鋼脫碳深度與渦流信號之間的特征，指出信號的不同諧波分量與材料機(jī)械性能之間的聯(lián)系［10］。Uchimoto T等人研究球墨鑄鐵的珠光體含量與渦流信號之間的函數(shù)關(guān)系，指出工件的維氏硬度可通過渦流法進(jìn)行預(yù)測［11］。Burzic D等將渦流檢測與其它兩種磁測量方法結(jié)合用于檢測彈簧鋼退碳之后的硬度值，其結(jié)果與傳統(tǒng)有損檢測的結(jié)果相吻合［12］。此外，硬度的渦流檢測技術(shù)也開始由單頻檢測向多頻多參數(shù)、脈沖渦流檢測方式發(fā)展［13］，以提高檢測效率及檢測結(jié)果的可靠性。

1.2 矯頑力法

矯頑力法只能用于鐵磁性材料。由鐵磁學(xué)理論可知，鐵磁性材料的磁通密度B隨磁場強(qiáng)度H呈非線性變化，兩者之間的關(guān)系可用磁化曲線表示，如圖2（a）。由于磁滯效應(yīng)，當(dāng)H為零時，B并不回到原點，而是存在一個剩磁Br。為了去除剩磁，必須加一反向磁場，此時的磁場強(qiáng)度則稱為矯頑力HC。圖2（b）是矯頑力法的硬度檢測模型，線圈先通直流電使工件飽和磁化，磁化電流消失后，在工件和探頭鐵心組成的閉合回路中產(chǎn)生剩磁。再向探頭線圈通反向電流，使磁路中的剩磁逐漸減少，測量使磁感應(yīng)強(qiáng)度Br＝0的反向電流值。由安培環(huán)路定理，可得：

式中：FC為總磁勢；N為探頭匝數(shù)；IC為反向電流強(qiáng)度；HC1為探頭材料矯頑力；L1為探頭磁路長；HC2為待測工件矯頑力；L2為待測工件磁路長。

對測量裝置來講，HC1、L1、L2和N是常數(shù)，則反向電流IC與待測工件矯頑力成線性關(guān)系。再根據(jù)矯頑力和硬度的函數(shù)關(guān)系，即可測量工件硬度值。

圖2 矯頑力法的檢測原理

賈健明等人基于硬度和矯頑力之間的直線關(guān)系，測量碳鋼經(jīng)熱處理后的淬硬層深度［14］。文獻(xiàn)［15］研究表明對于無表面硬化層的工件，反向電流與矯頑力成線性關(guān)系，但在實際檢測中磁鐵與試件之間的空氣隙會影響反向電流值的檢測。Ryu K S在研究1Cr－1Mo－0.25V鋼的等溫?zé)崽幚頃r間對其磁特性的影響時，指出磁導(dǎo)率與機(jī)械硬度成反比變化，而矯頑力則與之呈正比變化，測量這兩個量實現(xiàn)對材料機(jī)械性能的評估［3］。Bida G V等人對TIIXH－50和60鑄鐵建立了硬度與矯頑力磁力計顯示結(jié)果之間的數(shù)學(xué)方程［16］；Makarov A V等分析渦流法和矯頑力法對U8鋼和軌鋼的耐磨性進(jìn)行檢測的可行性，指出綜合采用上述兩種方法可提高可靠性［17］。

1.3 磁導(dǎo)率法

圖3為鐵磁性材料磁導(dǎo)率隨外加磁場H的變化曲線，其中μin為初始磁導(dǎo)率。在硬度檢測中，目前應(yīng)用最廣泛的是交流磁導(dǎo)率法，它又分為中強(qiáng)度磁場下的磁導(dǎo)率法和弱磁場下的初始磁導(dǎo)率法，前者工件的磁化區(qū)域多處于巴克豪森躍遷區(qū)，對供電電源要求高。初始磁導(dǎo)率法避免了上述缺陷。初始磁導(dǎo)率是在磁疇壁的可逆區(qū)域磁化的磁導(dǎo)率，磁化場強(qiáng)的范圍為0.1～8×103A／m。

圖3 鐵磁性材料的磁導(dǎo)率曲線

目前國內(nèi)外均側(cè)重于硬度和磁導(dǎo)率之間的函數(shù)關(guān)系研究，如萬國慶等人基于初始磁導(dǎo)率研制了WGF－I型分選儀對40Cr、45和65Mn等鋼熱處理后的硬度進(jìn)行測試，認(rèn)為調(diào)整激勵頻率和電流，可改善硬度值與數(shù)顯值之間的“N”型關(guān)系，使之線性單值關(guān)系［18］。Ryu K S等人在研究1Cr－1Mo－0.25V鋼的等溫?zé)崽幚頃r間對其磁特性的影響時，指出磁導(dǎo)率與機(jī)械硬度成反比變化［3］。Kikuchi H等人研究磁檢測法對核能源設(shè)施中壓力容器實現(xiàn)監(jiān)測的有效性時，認(rèn)為微弱交流場激勵情況下，初始磁導(dǎo)率可作為鐵磁性材料無損評估的有效參數(shù)［19］。肖春燕等人研究了初始磁導(dǎo)率與阻抗值的關(guān)系，并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)建立了淬火鋼軌硬度模型［20］。Gotoh Y J等人指出硬化鋼的硬度增加，其磁導(dǎo)率下降，利用基于差分磁特征的電磁法可實現(xiàn)表面硬度評估，并分析了磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率的不均勻性對檢測結(jié)果的影響［21］。由于磁導(dǎo)率檢測仍是基于電磁感應(yīng)原理，因此與渦流法有相通之處。

2 巴克豪森噪聲法

當(dāng)鐵磁材料處于外加交變磁場作用時，疇壁突發(fā)性不可逆運動將產(chǎn)生巴克豪森噪聲，該噪聲的大小對材料微觀組織具有明顯的依賴效應(yīng)，可用于各種熱處理過程引起硬度的變化，其基本關(guān)系表現(xiàn)為：高硬度的材料有較胖的磁滯回線及低的巴克豪森噪聲信號。當(dāng)這些材料經(jīng)過過度回火時導(dǎo)致硬度降低，則磁滯回線變得瘦而高，此時，巴克豪森噪聲也隨之增強(qiáng)［1］。

圖4 材料硬度與巴克豪森噪聲的關(guān)系

基于這一原理，人們開始研究利用巴氏噪聲檢測硬度的新方法。文獻(xiàn)［22］采用巴克豪森檢測裝置和洛氏硬度計對同一鋼試樣進(jìn)行檢測，建立了巴克豪森噪聲綜合參數(shù)γ與洛氏硬度值H的函數(shù)關(guān)系式。文獻(xiàn)［23］通過試驗的方法，研究了巴克豪森噪聲強(qiáng)度與材料硬度之間的關(guān)系，指出當(dāng)試件表面硬度增加時，巴克豪森噪聲強(qiáng)度逐漸減少，并呈單調(diào)關(guān)系，將巴克豪森噪聲測得的硬度和傳統(tǒng)的機(jī)械壓痕法所測得的結(jié)果相比，相對誤差為8%左右。

3 超聲檢測法

超聲硬度測試方法是在Kleesattel C和Gladwell M L提出的超聲接觸阻抗理論的基礎(chǔ)上建立起來的測試方法。其原理與超聲用于無損探傷的原理并不相同，它利用一定長度的超聲波傳感器桿的諧振頻率隨桿的自由端被固緊的程度而變化的特性，通過比較測量的方法來檢測試件的表面硬度。如圖5所示，檢測探頭有一個具有磁致伸縮效應(yīng)的傳感器桿，它的一端焊到一個圓柱體鋼塊上，另一端鑲著一個金剛體角錐體壓頭。當(dāng)處于檢測狀態(tài)時，由于桿的壓頭端被夾緊，桿的諧振頻率f介于自由狀態(tài)時的諧振頻率f0和理想狀態(tài)時的諧振頻率f∞之間，它隨其壓頭與試件表面接觸面積的增加而變大。在固定負(fù)荷時，其表面的硬度愈低，接觸面積就愈大，諧振頻率也就愈高。先測出傳感器桿自由振蕩的諧振頻率，再測出以已知靜載荷壓向被試材料時的諧振頻率，得到傳感器桿諧振頻率的變化量Δf，即可確定被試材料的硬度值。在滿足Fa／Fst＜0.1的條件下，具有相同彈性模量的材料其硬度比可用下式表示［24］：

圖5 傳感器桿的超聲振動

式（3）建立了超聲波振動頻率與硬度值之間的定性關(guān)系，即諧振頻率隨著材料硬度的增加而減小，但這只定性地描述了超聲波振動頻率與硬度值之間的關(guān)系。文獻(xiàn)［25］中指出對一種設(shè)計好的超聲波硬度檢測儀，這二者具有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，即硬度值能夠嚴(yán)格的轉(zhuǎn)化為頻率值。綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，硬度超聲檢測模型方面的研究相較電磁法更為完善，市場上已出現(xiàn)了以超聲法為原理的硬度計產(chǎn)品，它從最初的模擬刻度表頭輸出進(jìn)一步地發(fā)展到數(shù)字式超聲硬度計，而且隨著集成電路和芯片技術(shù)的發(fā)展，超聲硬度計不僅測試硬度范圍、分辨率和精度有很大提高，而且開始向著小型化、便攜式的方向發(fā)展。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)的機(jī)械式硬度試驗方法具有一定的局限性，無法滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)對零部件硬度提出的無損、快速檢測的新要求，因此，新的檢測技術(shù)和方法應(yīng)運而生。文中著重對硬度測量中出現(xiàn)的無損檢測新技術(shù)的檢測原理及特點進(jìn)行了介紹，在綜合目前國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及技術(shù)熱點時發(fā)現(xiàn)，硬度測量技術(shù)今后的發(fā)展重點在以下方面：一是硬度測量儀必然向著便攜式、智能化和無損化檢測發(fā)展；二是隨著新型材料的出現(xiàn)，需要通過加強(qiáng)對材料顯微結(jié)構(gòu)的深入研究，以探索新的硬度測量方法。

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10.3969／j.issn.1000－0771.2013.4.07