高 銘，王 平，黃 凱，許建芹，吳 杰

（1.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京210016；2.江蘇省特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院，南京210035）

隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，行車密度、載重量和行車速度不斷提高，而加速了鐵軌的損傷［1］。我國(guó)鐵路情況復(fù)雜，線路運(yùn)行情況不理想，超期服役的鋼軌數(shù)量大，鋼軌損傷率高，因損傷造成的鋼軌斷裂的情況經(jīng)常發(fā)生，直接對(duì)行車安全造成威脅［2］。研究表明，雖然鋼軌損傷類型多樣，但其早期形成都是由局部應(yīng)力過(guò)大引起的，所以鋼軌應(yīng)力狀態(tài)的檢測(cè)對(duì)于高速鐵路軌道的安全保障具有重大意義。

巴克毫森（MBN）方法在殘余應(yīng)力、材料疲勞老化狀況特征提取方面得到越來(lái)越多的研究和應(yīng)用，其原理為：當(dāng)有外加交變磁場(chǎng)或應(yīng)力作用時(shí)，磁疇沿其作用方向發(fā)生90°或者180°的翻轉(zhuǎn)；或使磁疇壁移動(dòng)，導(dǎo)致磁疇發(fā)生一定規(guī)則的取向，這種磁疇變化的過(guò)程使材料內(nèi)部產(chǎn)生一系列突變、階躍式的跳躍脈沖信號(hào)［3］。巴克豪森方法可以反應(yīng)材料微觀結(jié)構(gòu)和應(yīng)力分布等特性，并得到了全球磁無(wú)損檢測(cè)聯(lián)盟的認(rèn)可。

目前巴克豪森噪聲檢測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中大概分為兩類：通過(guò)巴克豪森噪聲檢測(cè)方法對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行評(píng)估以及對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行評(píng)估［4］。對(duì)于鐵磁性材料微觀組織結(jié)構(gòu)以及表面的應(yīng)力分布，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛且深入的研究［5－8］，但對(duì)于材料不同深度的應(yīng)力分布，還未受到廣泛關(guān)注。

筆者利用兩種不同的應(yīng)力平臺(tái)對(duì)Q235鋼施加應(yīng)力，觀察巴克豪森噪聲信號(hào)在不同頻帶下特征值的變化量，進(jìn)一步分析材料不同深度的應(yīng)力分布情況。

1 MBN 檢測(cè)方法與集膚效應(yīng)

在交流電路里，均勻?qū)w近表面不同深度的電流密度分布不均勻，電流密度隨著頻率的增加，將逐漸向?qū)w的表面集中，這種現(xiàn)象叫集膚效應(yīng)。與集膚效應(yīng)相對(duì)應(yīng)的是集膚深度δ，就是磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著深度的增加而快速衰減，并總是集中在導(dǎo)體表面，δ值表達(dá)式為：

式中：f為信號(hào)頻率，Hz；σ為材料 的電導(dǎo)率，S·m－1；μ為材料的磁導(dǎo)率，H·m－1。

巴克豪森信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，根據(jù)集膚效應(yīng)，巴克豪森信號(hào)的傳播深度主要取決于脈沖渦流的頻率，以及材料本身的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率。具有低頻分量的信號(hào)比具有高頻分量的信號(hào)傳播深度更深，比高頻信號(hào)更容易達(dá)到被測(cè)材料的表面。放置在材料表面的傳感器會(huì)接收到到達(dá)表面的巴克豪森信號(hào)。

如圖1 所示［8］，只需要改變分析信號(hào)的頻帶fA，根據(jù)集膚效應(yīng)公式，就可以得到不同深度的巴克豪森信號(hào)。

圖1 巴克豪森信號(hào)滲透增益示意

2 檢測(cè)系統(tǒng)與裝置

2.1 應(yīng)力拉伸及彎曲加載平臺(tái)

圖2（a）是應(yīng)力拉伸平臺(tái)實(shí)物照片，圖2（b）是四點(diǎn)彎曲應(yīng)力加載平臺(tái)實(shí)物照片。

利用這兩個(gè)平臺(tái)可以在試件內(nèi)部產(chǎn)生不同的應(yīng)力分布，應(yīng)力拉伸平臺(tái)使試件在不同深度的應(yīng)力均勻分布；而四點(diǎn)彎曲應(yīng)力加載平臺(tái)造成試件應(yīng)力分布不均勻，應(yīng)力值與深度呈線性關(guān)系，如圖3所示。在試件中心線的位置應(yīng)力值為零，在中心線上方為壓應(yīng)力，中心線下方為拉應(yīng)力。

在試驗(yàn)中，應(yīng)力拉伸平臺(tái)可以通過(guò)配套軟件調(diào)節(jié)應(yīng)力值，給試件施加均勻的應(yīng)力；四點(diǎn)彎曲應(yīng)力加載平臺(tái)則需要根據(jù)儀器示數(shù)顯示，人工調(diào)節(jié)試件表面的應(yīng)力值。

圖2 應(yīng)力拉伸平臺(tái)及四點(diǎn)彎曲應(yīng)力加載平臺(tái)實(shí)物圖

圖3 深度和應(yīng)力的關(guān)系

2.2 Q235鋼試件

針對(duì)不同的試驗(yàn)平臺(tái)尺寸，設(shè)計(jì)不同的試件尺寸形狀（如圖4所示），所用試件的厚度均為6mm，深度表示從測(cè)試點(diǎn)向下的距離。當(dāng)施加180 MPa拉應(yīng)力時(shí)，在應(yīng)力拉伸平臺(tái)的作用下，0～6 mm 深度的應(yīng)力分布是均勻的，都是180 MPa。而在四點(diǎn)彎曲加載平臺(tái)上，上表面為壓應(yīng)力180MPa；隨著深度的增加線性減小，深度為3 mm 處的應(yīng)力為0 MPa；當(dāng)深度繼續(xù)增加時(shí)，應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力，并且隨著深度的增加線性增加，在下表面即深度6mm處拉應(yīng)力為180 MPa。

圖4 Q235試件尺寸圖

Q235的化學(xué)成分分別為C 0.14%～0.19%，Mn 0.3%～0.65%，Si 0.12%～0.3%，S 不 大 于0.05%，P不大于0.045%，Cr 0.3%，Ni 0.3%，其余成分為Fe；拉伸強(qiáng)度為375～500 MPa，屈服點(diǎn)為235 MPa，伸長(zhǎng)率為26%；相對(duì)磁導(dǎo)率為250，電導(dǎo)率為7.14×106S·m－1。

2.3 MBN 檢測(cè)裝置

采用實(shí)驗(yàn)室自行研發(fā)的巴克豪森噪聲檢測(cè)裝置，檢測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。該系統(tǒng)包括磁化部分和信號(hào)檢測(cè)部分。信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、激勵(lì)線圈和磁軛構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)的磁化部分；檢測(cè)線圈、信號(hào)調(diào)理部分、數(shù)據(jù)采集以及PC 機(jī)構(gòu)成了系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)與處理部分。

圖5 檢測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

試驗(yàn)均采用幅值4.4V，頻率40 Hz的正弦信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，通過(guò)1.6 MHz的采樣率采集巴克豪森噪聲信號(hào)，并對(duì)頻率在500kHz以內(nèi)的巴克豪森信號(hào)進(jìn)行分析。

3 結(jié)果分析

3.1 Q235鋼拉伸應(yīng)力加載試驗(yàn)結(jié)果分析

一共做了四組Q235試件的應(yīng)力拉伸試驗(yàn)，并對(duì)MBN 信號(hào)進(jìn)行了對(duì)比。主要分析在不同應(yīng)力下MBN 信號(hào)幅值Vσ相對(duì)于0 MPa應(yīng)力下MBN 信號(hào)幅值V0的變化量γV：

圖6是1～4號(hào)Q235試件在不同應(yīng)力下的巴克豪森噪聲信號(hào)幅值的相對(duì)于0 MPa應(yīng)力下MBN信號(hào)幅值的變化量γV與頻率的關(guān)系。

圖6 4個(gè)試件在不同應(yīng)力下MBN 相對(duì)變化量與頻率的關(guān)系

由于每次測(cè)量MBN 信號(hào)存在差異，為了進(jìn)行定量分析，將整個(gè)500kHz的頻域分成8個(gè)相鄰的頻帶，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)頻帶的數(shù)字濾波，表1分別列出了4 個(gè)試件在不同數(shù)字濾波頻帶下對(duì)應(yīng)于0MPa和180MPa巴克豪森信號(hào)的均方根ψ0、ψ180，ψ的不確定度u，以及180MPa下MBN 信號(hào)的均方根相對(duì)于0MPa下MBN信號(hào)均方根的變化量γψ。

經(jīng)過(guò)分析可以得出結(jié)論，隨著拉應(yīng)力的增加，MBN信號(hào)的幅值也有所增加，當(dāng)應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)MBN低頻部分的幅值相對(duì)變化量大于高頻部分，說(shuō)明了MBN 信號(hào)的低頻部分對(duì)拉應(yīng)力變化比較敏感。

表1 1～4號(hào)試件8個(gè)頻帶數(shù)據(jù)分析

3.2 Q235鋼彎曲應(yīng)力加載試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)兩個(gè)Q235試件（記為5號(hào)試件，6號(hào)試件）做了四點(diǎn)彎曲拉應(yīng)力加載試驗(yàn)，分析方法和應(yīng)力拉伸平臺(tái)類似。圖7為5號(hào)，6號(hào)試件在四點(diǎn)彎曲應(yīng)力加載平臺(tái)和3號(hào)，4號(hào)兩個(gè)試件在拉伸應(yīng)力加載平臺(tái)中180MPa應(yīng)力下MBN 信號(hào)幅值相對(duì)于0MPa下的相對(duì)變化量與MBN 頻率的曲線關(guān)系。

圖7 四點(diǎn)彎曲加載和拉伸試驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)比

將整個(gè)500kHz的頻域，分成8個(gè)相鄰的頻帶，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)頻帶的數(shù)字濾波，表2中列出了4個(gè)試件不同數(shù)字濾波頻帶下，分別在0 MPa和180 MPa 的MBN 信 號(hào) 的 特 征 值ψ0，ψ180，以 及180 MPa下MBN 信號(hào)的特征值相對(duì)于0 MPa下的相對(duì)變化量γψ。 其中3號(hào)和4號(hào)試件是用拉伸應(yīng)力加載平臺(tái)加載應(yīng)力的，而5號(hào)和6號(hào)試件是用四點(diǎn)彎曲應(yīng)力加載平臺(tái)加載應(yīng)力的。

對(duì)比試件的不同受力情況，拉伸試件的應(yīng)力分布不隨深度變化，而彎曲試件的應(yīng)力分布隨深度的增加而減少，從表2能看出，MBN 低頻信號(hào)相對(duì)變化量在四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中與拉伸試驗(yàn)相比有明顯的減小，而高頻部分MBN 相對(duì)變化量變化很小，因此可以推測(cè)檢測(cè)到的MBN 的低頻部分能夠體現(xiàn)試件內(nèi)部較深處的應(yīng)力分布，而高頻部分體現(xiàn)試件內(nèi)部比較接近表面的應(yīng)力分布。

4 結(jié)論

根據(jù)四組拉伸試驗(yàn)的對(duì)比，總結(jié)出檢測(cè)到MBN 的低頻信號(hào)對(duì)應(yīng)力比較敏感。對(duì)比兩組拉伸試驗(yàn)和四點(diǎn)彎曲加載試驗(yàn)，可以推測(cè)檢測(cè)到的MBN 的低頻部分能夠體現(xiàn)試件內(nèi)部較深處的應(yīng)力分布，而高頻部分體現(xiàn)試件內(nèi)部比較接近表面的應(yīng)力分布。

表2 5～6號(hào)試件8個(gè)頻帶數(shù)據(jù)分析

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