高 銘，王 平，黃 凱，許建芹，吳 杰

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

隨著我國高速鐵路的快速發(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］。我國鐵路情況復(fù)雜，線路運行情況不理想，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)力過大引起的，所以鋼軌應(yīng)力狀態(tài)的檢測對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越多的研究和應(yīng)用，其原理為：當(dāng)有外加交變磁場或應(yīng)力作用時，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，導(dǎo)致磁疇發(fā)生一定規(guī)則的取向，這種磁疇變化的過程使材料內(nèi)部產(chǎn)生一系列突變、階躍式的跳躍脈沖信號［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，并得到了全球磁無損檢測聯(lián)盟的認(rèn)可。

目前巴克豪森噪聲檢測方法在實際應(yīng)用中大概分為兩類：通過巴克豪森噪聲檢測方法對殘余應(yīng)力進(jìn)行評估以及對微觀結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行評估［4］。對于鐵磁性材料微觀組織結(jié)構(gòu)以及表面的應(yīng)力分布，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛且深入的研究［5－8］，但對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)力平臺對Q235鋼施加應(yīng)力，觀察巴克豪森噪聲信號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)相對應(yīng)的是集膚深度δ，就是磁場強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。

巴克豪森信號產(chǎn)生時，根據(jù)集膚效應(yīng)，巴克豪森信號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比具有高頻分量的信號傳播深度更深，比高頻信號更容易達(dá)到被測材料的表面。放置在材料表面的傳感器會接收到到達(dá)表面的巴克豪森信號。

如圖1 所示［8］，只需要改變分析信號的頻帶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。

圖1 巴克豪森信號滲透增益示意

2 檢測系統(tǒng)與裝置

2.1 應(yīng)力拉伸及彎曲加載平臺

圖2（a）是應(yīng)力拉伸平臺實物照片，圖2（b）是四點彎曲應(yīng)力加載平臺實物照片。

利用這兩個平臺可以在試件內(nèi)部產(chǎn)生不同的應(yīng)力分布，應(yīng)力拉伸平臺使試件在不同深度的應(yīng)力均勻分布；而四點彎曲應(yīng)力加載平臺造成試件應(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。

在試驗中，應(yīng)力拉伸平臺可以通過配套軟件調(diào)節(jié)應(yīng)力值，給試件施加均勻的應(yīng)力；四點彎曲應(yīng)力加載平臺則需要根據(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)力拉伸平臺及四點彎曲應(yīng)力加載平臺實物圖

圖3 深度和應(yīng)力的關(guān)系

2.2 Q235鋼試件

針對不同的試驗平臺尺寸，設(shè)計不同的試件尺寸形狀（如圖4所示），所用試件的厚度均為6mm，深度表示從測試點向下的距離。當(dāng)施加180 MPa拉應(yīng)力時，在應(yīng)力拉伸平臺的作用下，0～6 mm 深度的應(yīng)力分布是均勻的，都是180 MPa。而在四點彎曲加載平臺上，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，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；拉伸強度為375～500 MPa，屈服點為235 MPa，伸長率為26%；相對磁導(dǎo)率為250，電導(dǎo)率為7.14×106S·m－1。

2.3 MBN 檢測裝置

采用實驗室自行研發(fā)的巴克豪森噪聲檢測裝置，檢測系統(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檢測部分。信號發(fā)生器、功率放大器、激勵線圈和磁軛構(gòu)成了整個系統(tǒng)的磁化部分；檢測線圈、信號調(diào)理部分、數(shù)據(jù)采集以及PC 機構(gòu)成了系統(tǒng)的信號檢測與處理部分。

圖5 檢測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

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

3 結(jié)果分析

3.1 Q235鋼拉伸應(yīng)力加載試驗結(jié)果分析

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

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

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

由于每次測量MBN 信號存在差異，為了進(jìn)行定量分析，將整個500kHz的頻域分成8個相鄰的頻帶，對原始數(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 個試件在不同數(shù)字濾波頻帶下對應(yīng)于0MPa和180MPa巴克豪森信號的均方根ψ0、ψ180，ψ的不確定度u，以及180MPa下MBN 信號的均方根相對于0MPa下MBN信號均方根的變化量γψ。

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

表1 1～4號試件8個頻帶數(shù)據(jù)分析

3.2 Q235鋼彎曲應(yīng)力加載試驗結(jié)果分析

對兩個Q235試件（記為5號試件，6號試件）做了四點彎曲拉應(yīng)力加載試驗，分析方法和應(yīng)力拉伸平臺類似。圖7為5號，6號試件在四點彎曲應(yīng)力加載平臺和3號，4號兩個試件在拉伸應(yīng)力加載平臺中180MPa應(yīng)力下MBN 信號幅值相對于0MPa下的相對變化量與MBN 頻率的曲線關(guān)系。

圖7 四點彎曲加載和拉伸試驗的數(shù)據(jù)對比

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

對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 低頻信號相對變化量在四點彎曲試驗中與拉伸試驗相比有明顯的減小，而高頻部分MBN 相對變化量變化很小，因此可以推測檢測到的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)四組拉伸試驗的對比，總結(jié)出檢測到MBN 的低頻信號對應(yīng)力比較敏感。對比兩組拉伸試驗和四點彎曲加載試驗，可以推測檢測到的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號試件8個頻帶數(shù)據(jù)分析

［1］ ZHAO Xue－qing，WANG Wen－jian，GUO Jun，et al.An investigation on formation characteristic of oblique crack of PD3and U71Mn rail in Guangzhou－Shenzhen railway［J］.Lubrication Engineering，2007，32（3）：35－40.

［2］ 武學(xué)春.鐵軌檢測車數(shù)據(jù)采集硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.太原：太原理工大學(xué)，2006.

［3］ TITTO S，OTALA M，SAYNAJAKANGAS S.Nondestructive magnetic measurement of steel grain size［J］.NDT International，1976，9（3）：117－120.

［4］ 柳玲.高速客車轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架熱點應(yīng)力評定方法的研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2006.

［5］ YAMAURA S，F(xiàn)URUYA Y，WATANABE T.The effect of grain boundary microstructure on barkhausen noise in ferromagnetic materials［J］.Acta Materialia，2001，49：3019－3027.

［6］ TITTO S，OTALA M，SAYNAJAKANGAS S.Nondestructive magnetic measurement of steel grain size［J］.NDT International，1976，9（3）：117－120.

［7］ OSULLIVAN D，COTTERELL M，TANNER D A，et al.Characterisation of ferritic stainless steel by Barkhausen techniques［J］.NDT＆E International，2004，37：489－496.

［8］ GERD D，ROLF K，IRIS A，et al.Quantitative hardening－depth－measurements up to 4 mm by means of micromagentic microstructure multiparameter analysis［J］.Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation，1988，7：1471－1474.