沈功田，鄭　陽，蔣政培，譚繼東

(1.中國特種設備檢測研究院， 北京 100029；2.中國計量大學， 杭州 310018)

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磁巴克豪森噪聲技術的發(fā)展現(xiàn)狀

沈功田1，鄭陽1，蔣政培2，譚繼東1

(1.中國特種設備檢測研究院， 北京 100029；2.中國計量大學， 杭州 310018)

磁巴克豪森噪聲(MBN，MagneticBarkhausenNoise)技術可以用來評估鐵磁性材料一定深度內(nèi)的微觀組織結(jié)構變化、應力狀態(tài)、微損傷缺陷等，是實現(xiàn)對材料疲勞、微裂紋等早期性能退化及應力狀態(tài)評估的一項重要無損檢測技術，工程應用前景廣闊。簡述了MBN技術的基本原理，綜述了國內(nèi)外MBN技術的研究現(xiàn)狀，包括材料應力檢測、金屬疲勞狀態(tài)分析、金屬微觀組織和晶粒度分析、材料硬度測量、材料表面處理工藝評價、與常規(guī)無損檢測方法的比對等方面的內(nèi)容，介紹了國內(nèi)外相關檢測儀器和檢測標準，指出了MBN檢測技術的發(fā)展趨勢。

磁巴克豪森噪聲；無損檢測；鐵磁性材料；疲勞；綜述

眾所周知，射線、超聲、磁粉、滲透和渦流等常規(guī)無損檢測技術，主要用于對已形成的宏觀缺陷進行檢測。而磁巴克豪森噪聲(MBN，MagneticBarkhausenNoise)技術作為一種新的無損檢測技術，可實現(xiàn)對鐵磁性材料早期性能退化及微損傷的檢測和評估，能夠在材料使用早期確定材料表面應力狀態(tài)、疲勞損傷狀況及微觀組織變化特性，從而能夠及早發(fā)現(xiàn)材料早期損傷的部位，為重要設備或構件的安全評價和剩余壽命評估提供可靠依據(jù)。另外，與常規(guī)無損檢測技術相比，MBN技術還具有以下特點：① 檢測快速；② 檢測非接觸，無需耦合劑，對人體無害；③ 多參數(shù)測量，可同時測應力狀況、表面硬度、滲碳層深度、缺陷位置、微觀組織等。

筆者介紹了MBN技術的檢測原理，綜述了近年來國內(nèi)外關于MBN技術的發(fā)展情況和研究進展，總結(jié)了MBN技術的重點研究領域，指出了MBN研究目前存在的問題，介紹了基于MBN技術的相關儀器設備和檢測標準，指出了MBN技術的發(fā)展趨勢。

1　MBN檢測原理

鐵磁性材料在磁化過程中會發(fā)生磁疇轉(zhuǎn)動和磁疇壁位移的現(xiàn)象，有可逆和不可逆兩種模式，且取決于材料的各向異性特性和磁疇的轉(zhuǎn)動角度[1]。這兩種變化會使材料內(nèi)部產(chǎn)生非連續(xù)性的電磁脈沖，通過檢測線圈可以提取此過程中因磁感應強度變化所產(chǎn)生的電磁脈沖，即磁巴克豪森噪聲(MBN)信號，此現(xiàn)象最早由德國物理學家BARKHAUSEN于1919年發(fā)現(xiàn)[2]。

鐵磁性材料在磁化過程中，其內(nèi)部磁疇轉(zhuǎn)動、90°和180°磁疇壁的運動是非連續(xù)的。如圖1所示，將磁化過程放大可以看到，材料的磁化強度M隨外部磁場強度H的變化是階梯狀上升的。在交替變化的磁場中，磁疇會發(fā)生往復轉(zhuǎn)動，磁疇壁會進行反復運動，從而產(chǎn)生大量的MBN信號。

圖1　鐵磁性材料磁化曲線

MBN信號中包含著豐富的信息，這些信息與材料的微觀組織結(jié)構和內(nèi)應力狀況密切相關，通過磁敏傳感器拾取MBN信號，將磁信號轉(zhuǎn)換為相應的電信號，再通過對電信號進行濾波、放大，分析信號的時頻特性，可反映出材料微觀結(jié)構的變化、應力狀態(tài)、微損傷狀態(tài)，實現(xiàn)疲勞、應力集中等狀態(tài)的檢測和評估。

MBN檢測裝置主要分為激勵模塊、信號探測模塊和信號處理模塊，如圖2所示，其中激勵模塊主要用于驅(qū)動線圈產(chǎn)生交變磁場，激發(fā)產(chǎn)生MBN信號，該模塊包括信號發(fā)生器、功率放大器、激勵線圈和磁軛等。目前MBN信號的激勵大多采用U型磁軛法，通過該方法能夠采集到來自于材料表面2mm磁化深度以內(nèi)的MBN信號；探測模塊用于拾取材料內(nèi)的MBN信號，并將其轉(zhuǎn)化為相應的電信號，模塊主要包括磁敏傳感器和檢測線圈；信號處理模塊主要用于處理相應的MBN電信號，包括前置放大器、濾波器、數(shù)據(jù)采集器和計算機等。

圖2　MBN檢測裝置框圖

2　國外研究現(xiàn)狀

目前已有多國研究人員開展了MBN技術的研究，如德國弗勞恩霍夫研究所(IZFP)、英國紐卡斯爾大學MOORTHY團隊和牛津大學KYPRIS團隊、美國愛荷華州立大學JILES團隊、芬蘭Stresstech公司和坦普雷科技大學SANTA-AHO團隊、巴西圣保羅大學FREDDY團隊、伊朗馬什哈德菲爾多西大學GHANEI團隊、印度科技大學VASHISTA團隊等。國際上對于MBN效應的研究及應用主要集中在應力檢測、疲勞狀態(tài)分析、硬度檢測、微觀組織分析、晶粒度測量及表面熱處理工藝評價等方面，并提出了許多改善MBN信號的處理方法。筆者綜述了MBN技術在以下六個方面的研究與應用。

2.1材料應力檢測

金屬材料在應力作用下會發(fā)生形變，材料內(nèi)會產(chǎn)生位錯、空洞和裂紋等，且應力會發(fā)生變化和產(chǎn)生局部應力集中。這些變化產(chǎn)生的勢能壘會阻礙磁疇結(jié)構的運動(包括磁疇轉(zhuǎn)動和疇壁移動)，基于此原理，通過分析MBN的信號特性，可判斷材料的應力應變情況。

采用MBN信號對材料的應力應變效應進行研究是MBN技術的主要研究內(nèi)容之一。材料所受應力主要有兩大方面：一是外界加載應力，涵蓋壓應力與拉應力、單向應力與周期應力、低應力和超限應力等；二是材料內(nèi)部殘余應力，包括殘余拉應力和殘余壓應力等。

對于外加應力，鐵磁性金屬材料在彈性形變范圍內(nèi)，增加單向拉應力會使180°疇壁增多并發(fā)生劇烈磁化,導致MBN信號幅值增大；但是增大壓應力載荷卻會使得180°疇壁減少,從而降低MBN信號幅值。由此，可通過MBN信號了解材料的受力情況。英國的BLAOW等[3]在探究鐵磁性材料受外力加載彎曲過程中的MBN信號變化時，指出應力會影響材料的磁化能力，改變MBN信號的波峰幅值和波峰位置，并且指出拉應力下的MBN信號多為單峰信號，而壓應力下的MBN信號會出現(xiàn)多個峰值。2014年，德國AMIRI等[4]指出應力的各向異性和晶體的各向異性對材料的磁化起決定性作用，在鐵磁性材料的易磁化軸方向上，應力對MBN信號的影響大于其他方向，并通過磁致伸縮曲線和磁化曲線進行了驗證說明。

當材料內(nèi)存在殘余應力時，殘余應力會影響材料晶粒的排列、組織結(jié)構等，利用MBN技術可以有效地檢測出材料表面的殘余應力分布，目前已有較多的研究人員開展了此方面的研究。如印度VASHISTA長期研究材料表面殘余應力和MBN信號的關系，指出材料在彈性范圍內(nèi)，MBN磁響應信號與殘余應力成正相關關系[5-6]。

2.2疲勞狀態(tài)檢測

疲勞是鐵磁性金屬材料結(jié)構失效的主要形式之一。材料在交變應力作用下，材料內(nèi)部會出現(xiàn)損傷積累，發(fā)生局部區(qū)域結(jié)構的永久性變化，產(chǎn)生塑性變形，最終造成疲勞破壞。在疲勞過程中，材料會出現(xiàn)位錯、滑移帶、空洞和微裂紋等，較之矯頑力、剩磁強度和磁導率等材料磁參量，MBN信號對此類變化的靈敏度更高，變化更為顯著，可以作為材料疲勞的重要評定參量。

在役金屬材料的疲勞過程如圖3所示，材料壽命可分為三個階段：第一階段為早期力學性能退化階段、第二階段為損傷的起始階段、第三階段為積累和斷裂失效階段，其中第一、二階段占整個壽命周期的80%～90%[7]。隨著循環(huán)應力次數(shù)的增加，金屬材料的疲勞過程逐步加快。目前急需鐵磁性材料疲勞狀態(tài)的全生命周期無損檢測和評估技術，特別是針對疲勞裂紋形成前和形成初期的檢測技術,MBN技術為解決以上問題提供了有效的理論支撐和技術支持。目前針對疲勞過程中的MBN信號變化的研究主要集中在位錯密度的增加、滑移帶的形成、裂紋的萌生等微觀結(jié)構的變化，以及缺陷數(shù)目、疇壁與MBN峰值電壓的相互作用等方面。

圖3　金屬疲勞過程中產(chǎn)生的缺陷

金屬在循環(huán)載荷的作用下，MBN信號變化顯著，為了探究循環(huán)載荷和單向載荷對MBN信號影響的區(qū)別，2004年英國的MOORTHY[8]研究了En36鋼在超限應力(最大達1 700MPa)循環(huán)作用下的MBN信號特性，指出與單向載荷相比，高應力下的循環(huán)載荷會增加材料的位錯密度，會使MBN信號峰值減小，加速材料疲勞。對于部分非磁性的金屬材料，利用MBN技術也可進行疲勞檢測。2005年，VINCENT等[9]將MBN技術用于304L奧氏體不銹鋼低周疲勞的檢測，由于不具有磁性的γ鐵在冷軋及循環(huán)載荷作用下會產(chǎn)生形變，誘導馬氏體產(chǎn)生，作者提出α′馬氏體內(nèi)應力計算的復合模型，通過MBN技術可以測得馬氏體體積分數(shù)，評估非鐵磁性奧氏體不銹鋼的疲勞損傷特性。

2.3金屬相含量和晶粒度分析

鐵磁材料微觀組織不同，其內(nèi)部晶格缺陷、夾雜物和內(nèi)應力分布會存在差異，導致材料磁性、晶界密度不同，影響磁疇轉(zhuǎn)動和疇壁位移的阻力大小，從而影響MBN信號數(shù)量和信號強度。材料中碳含量、鎳含量、馬氏體含量、晶粒度等方面的不同，會從根本上影響MBN信號的產(chǎn)生。

關于金屬內(nèi)相含量對MBN信號的影響，巴西MONLEVADE等[10]于2011年重點研究了合金鋼中鎳含量對材料硬度和MBN信號幅值的影響，總結(jié)出鎳含量少的合金磁疇更易發(fā)生偏轉(zhuǎn)。英國MOORTHY[11]在2014年比較了碳含量不同(含碳量分別為0.20%和0.41%)鋼的MBN信號的差異，并對試件進行了金相組織分析，指出碳含量的變化只會影響波峰的位置，對波峰的高度影響不大，還指出低頻激勵下的碳鋼MBN信號存在兩個波峰，而高頻激勵時只有一個波峰。

材料中的相含量(如馬氏體、鐵素體等)不同會影響MBN信號。2014年，伊朗GHANEI詳細研究了雙相鋼中馬氏體含量和MBN信號峰值的關系，得出馬氏體含量的增大會使MBN信號峰值增大的結(jié)論[12]。文獻[9]通過研究奧氏體和馬氏體相互轉(zhuǎn)換前后MBN信號的差異，來判斷材料中的馬氏體含量。

目前對于金屬內(nèi)部化學成分、相含量和晶粒度的研究，大多結(jié)合金屬材料的金相組織進行分析，雖然得出了MBN信號與相含量相關的定性規(guī)律，但是實際工程中通過MBN信號來反向估測相含量的應用或儀器甚少。主要原因在于:①MBN信號受多種因素的影響，相含量改變往往伴隨著其他影響因素的改變，缺乏通用的定量結(jié)論來描述相含量與MBN之間的關系，若單從MBN信號來推測往往精度不高，有失偏頗;② 在進行化學成分和含量檢測時，往往需要通過和已知含量的標準試樣MBN信號進行參考比對，實際工程中獲取一致的標準試樣難度較大。

2.4材料硬度測試

材料硬度本質(zhì)上由其組成原子間的化學鍵硬度決定[15]，原子間化學鍵硬度的不同，造成了其原子移動的難易程度不一樣，而磁疇又由大量原子構成，這就造成了磁疇轉(zhuǎn)動和疇壁位移的難易程度不同，進一步影響了MBN信號的產(chǎn)生和幅值。一方面，材料種類不同(如碳鋼、合金鋼)和組織(如馬氏體、奧氏體等)不同會造成硬度不一樣;另一方面，熱處理工藝不同也會引起組織的變化。

為了探究由溫度變化引起材料硬度不同對MBN信號的影響，2003年，英國MOORTHY等[16]將En36鋼加熱至不同溫度(192～900 ℃)后進行MBN檢測試驗。結(jié)果表明:En36鋼的MBN信號對材料溫度的變化十分靈敏，材料溫度越高，其表面硬度越小，測得的MBN信號幅值越大，試驗中可檢測到的MBN信號的最大深度為425μm。材料熱處理后的冷卻速率對硬度的影響也較大，2012年，巴西FRANCO等[17]探究了冷卻速率對MBN信號的影響，用頂端淬火的方法設計出材料中不同區(qū)域的不同冷卻梯度，指出材料冷卻速度越快MBN信號越弱。

國外許多學者都總結(jié)得到材料硬度越大MBN信號越弱這一結(jié)論，這對于材料硬度測量有很好的指導作用。由于MBN技術只能檢測材料表面硬度，而對內(nèi)部不同的硬度梯度無法進行有效檢測，因此無法實現(xiàn)材料內(nèi)部深度較大區(qū)域的硬度檢測。

2.5材料表面處理工藝評價

表面處理對于金屬材料的性能有很大的影響，包括電鍍、拋光及其他表面熱處理工藝，當溫度升高時，分子熱運動加快，會導致自發(fā)磁化的磁疇區(qū)域遭到破壞，磁性減弱。MBN信號大多來自于材料表面，富含材料表面多種特性信息，因而通過MBN信號可以判斷材料表面熱處理工藝、滲碳層深度、殘余應力等。

德國弗勞恩霍夫研究所在金屬表面處理和表面殘余應力的MBN研究方面有較為顯著的成果。2009年其利用MBN對不同熱處理的合金進行了殘余應力的檢測研究，重點比較了室溫(20 ℃)和居里溫度(230 ℃)下殘余應力趨于飽和時MBN信號之間的差異，發(fā)現(xiàn)材料處于居里溫度下的MBN信號遠小于室溫下的MBN信號[18]。2011年，該研究所人員通過MBN設備對齒輪表面質(zhì)量進行檢測[19]，通過表面(50μm內(nèi))MBN信號的特征，推斷出材料表面硬度和硬化層深度。芬蘭的SANTA-AHO等[20]近年來將研究方向聚焦在探究鐵磁性材料表面激光加工工藝和MBN信號的關系上，分析了硬化鋼滲碳層深度、殘余應力等表面質(zhì)量與激光工藝之間的關系，提出了避免材料重淬火和應力飽和的鐵磁性材料表面控制熱損傷的技術。

MBN技術是評價材料表面加工工藝的有效方法之一。目前，通過MBN技術進行表面處理工藝的檢測已有成熟的商業(yè)化設備，且已應用于一些金屬零部件的表面加工工藝檢測中，如芬蘭Stresstech公司的Rollscan300檢測儀可實現(xiàn)對材料表面加工工藝、殘余應力的檢測。

2.6與常規(guī)無損檢測方法的對比

MBN技術作為一種新型的無損檢測技術，國外已在部分領域進行了實際工程應用，如齒輪表面加工等。相比于其他無損檢測技術，MBN技術具有諸多優(yōu)點。如與超聲檢測相比，MBN檢測無需耦合劑，可實現(xiàn)非接觸測量；與射線檢測相比，MBN檢測也可測量殘余應力，可現(xiàn)場作業(yè)，且對人體無害；與紅外熱波檢測相比，MBN設備激勵裝置簡便，便于現(xiàn)場作業(yè)。

2013年，阿根廷NEYRA等[21]比較了MBN檢測技術和磁聲發(fā)射(MAE)檢測技術，指出了兩者信號強度和材料硬度都有相關性，比較了兩者信號方均根電壓(RMS)的差異，指出MBN信號的信噪比高于MAE信號的信噪比。2014年，SAHEBALAM等[22]比較了微觀結(jié)構的渦流檢測(ECT)和MBN檢測，結(jié)果表明:MBN信號峰值隨著微觀結(jié)構的變化更明顯，有很高的靈敏度。文獻[13]中也對ECT和MBN檢測進行了比較，指出了MBN與ECT一樣，可實現(xiàn)對金屬材料微觀組織的檢測。

對比可知，MBN技術與ECT、MAE等技術在金屬材料的無損檢測方面具有很好的適用性，并且在綜合微觀組織、殘余應力、相含量、滲碳層深度檢測等方面，MBN技術具有更綜合的檢測能力。但是MBN技術也存在一定的局限性，例如由于激勵磁場強度、趨膚效應的限制，其存在檢測精度不高、檢測深度不夠等問題。

3　國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對MBN技術的研究始于20世紀80年代中期，近年來開展MBN信號研究的機構主要有南京航空航天大學、北京化工大學、上海交通大學、沈陽工業(yè)大學、吉林大學等。

1988年，原北京鋼鐵學院穆向榮等[23]開展了對雙相鋼的MBN效應的研究，指出利用MBN技術，可以實現(xiàn)對材料組織結(jié)構和組織性能的研究。1994年，華中理工大學的馬咸堯等[24]研究了MBN效應受應力影響的規(guī)律，還將MBN技術和MAE技術進行了對比，指出MBN信號特征依賴于鐵磁材料的組織結(jié)構和應力狀態(tài)，拉應力降低了MAE信號強度，增加了MBN信號強度；壓應力可降低MBN信號強度，提出將兩效應結(jié)合測量，既可提高測量拉應力的靈敏度，又可判別應力的正負值。

2003年，上海交通大學陳立功[25]開始研制MBN傳感器及信號采集處理系統(tǒng)，研究了殘余應力和MBN信號的關系，建立了結(jié)合虛擬儀器技術的MBN殘余應力檢測系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)進行了鐵磁材料熱處理后殘余應力的分析，指出熱處理后的板材MBN強度呈下降趨勢[26]。2008年，尹何遲等[27]改進了針對各向異性及非均勻殘余應力的MBN傳感器。

從20世紀90年代初至今，北京化工大學祁欣持續(xù)開展了巴克豪森效應在殘余應力檢測、硬度和晶粒度分析、相含量的檢測及疲勞壽命的預測等四個方面的研究[28-30]，結(jié)果指出:在利用MBN效應進行鐵磁性材料內(nèi)部應力的測量時，激勵信號不能過大，否則材料處于飽和磁場中時，會降低MBN信號對內(nèi)部應力變化的敏感度。2011年，設計了抗干擾、輸出信號信噪比高的MBN傳感器[30]。

南京航空航天大學王平等人于2008年開始對MBN現(xiàn)象進行研究。2010年，提出了在高速運行條件下，利用MBN效應，用直流電源作為線圈的激勵信號來進行鋼軌應力檢測[31]。2011年，比較了三角波和正弦波對MBN信號的影響[32]，總結(jié)出用三角波作為激勵信號時MBN信號的特征值呈現(xiàn)出更好的線性度的結(jié)論。2012年，研制了第一代便攜式MBN鐵軌應力檢測儀。2013年，將BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法引入了MBN信號處理中，得到應力測量值和真實值的平均誤差為1.061 8%[33]，檢測可靠度較高。2015年，丁松提出了一種名為“偏度skweness”的新的MBN信號特征值評估方法[34]，利用該方法可以獲得比RMS評價法更多的MBN信息。

4　國內(nèi)外MBN儀器現(xiàn)狀

4.1MBN檢測和分析處理方法研究現(xiàn)狀

4.1.1MBN的激勵與探測方式研究

激勵信號的頻率、能量、磁場強度、接收裝置的磁芯材料、提離效應、濾波設置等，都會影響MBN信號的獲取。若再進一步分類的話，單個影響因素又包含多個變量條件，如激勵磁場的大小和線圈匝數(shù)、線圈直徑、線圈位置、信號類型(如正弦波和三角波)等。總體而言，影響MBN信號的獲取有多種干擾因素，對于不同條件下的材料，其最佳的激勵、探測系統(tǒng)是不一樣的，如何確定最佳激勵與探測條件，是獲取最佳MBN信號的關鍵因素之一。

如文獻[11]就探討了頻率對MBN信號的影響，文章比較了高頻(125Hz)和低頻(0.4Hz)激勵頻率下的MBN信號值，得到高頻激勵下的MBN信號只有一個波峰，而低頻激勵下的MBN信號有兩個波峰，指出低頻激勵下的MBN信號更能揭示微觀結(jié)構的動態(tài)變化。2013年，MOORTH等[35]研究了激勵磁場強度對MBN信號的影響，指出低頻磁場下，接收線圈匝數(shù)對MBN信號接收的影響大于高頻磁場。

通過國外的研究論文可以得到如下結(jié)論：

(1) 鐵磁性金屬材料的MBN信號的頻帶在1kHz～2MHz之間，常見的鐵磁性材料的頻帶集中在1kHz～500kHz之間，這與材料磁疇的類型密切相關。

(2) 在低頻(1～100Hz)激勵下，趨膚效應不明顯，獲得的MBN信號所含的材料特性信息更豐富。

(3) 相比三角波、鋸齒波等，正弦波激勵下獲得的MBN信號的參量具有更好的線性度。

(4) 接收線圈的直徑和匝數(shù)會影響MBN信號的拾取靈敏度。

4.1.2MBN信號分析處理方法研究

MBN信號的強度和變化通常用幅值、能量、方均根(RMS)、波形半高寬(FWHM)、包絡線、峰值時間、功率譜等參量來描述，通過對MBN信號的處理與優(yōu)化，可分析材料的疲勞狀況、表面處理工藝等。

在MBN信號的分析處理方面，國外有較多學者進行研究。2000年，波蘭MAGALAS[36]將小波變換引入MBN分析中，改善了MBN信號中的噪聲處理方法，提出非穩(wěn)態(tài)下的小波變換MBN信號叫“特征巴克豪森噪聲”。2011年，印度VASHISTA等[37]引入了“計數(shù)”和“事件”兩個特征值來描述MBN信號，從新的角度進行了MBN信號分類。2015年，伊朗GHANEI等[38]將自適應神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)(ANFIS)引入到MBN檢測技術中，對雙相鋼中馬氏體含量進行評估，結(jié)果表明，ANFIS可以有效提高評估的準確度。

對MBN信號進行濾波、分離、變換等后續(xù)處理能夠提取其中的特征信號，建立檢測模型能夠更好地進行定量化分析，將MBN與微觀結(jié)構變化相結(jié)合，形成有效的評估方法。

4.2國外儀器現(xiàn)狀

國外目前已有多個公司有成熟的MBN儀器銷售，可進行特定功能的MBN信號檢測，但是儀器售價昂貴。其中使用最為廣泛的有芬蘭Stresstech公司和德國弗勞恩霍夫無損檢測研究所的MBN檢測儀器。

Stresstech公司是專門從事無損檢測(NDT)的公司，該公司研發(fā)出了巴克豪森效應表面質(zhì)量檢測儀(磨削燒傷檢測儀)，有便攜式檢測儀Rollscan250，300，350三種型號和非便攜式檢測儀Roboscan500，600兩種型號，可以實現(xiàn)復雜形狀工件、粗晶材料殘余應力的精準分析。圖4為Rollscan300表面質(zhì)量檢測儀外觀，其檢測深度在0.01～1.5mm之間。

圖4　Rollscan 300表面質(zhì)量檢測儀外觀

圖5　3MA-II微結(jié)構與應力分析儀外觀

2002年，德國弗勞恩霍夫無損檢測研究所研制了商業(yè)化的3MA微結(jié)構與應力分析儀，目前已有第二代產(chǎn)品3MA-II，如圖5所示，它是一種集成四種不同微磁測量方法的儀器(包括巴克豪森噪聲、多頻率渦流、增量磁導率、切線磁場諧波分析)，可以測定材料表面及淺表面硬度、殘余應力、硬化層深度和加工缺陷等信息，能對邊緣層0～8mm厚度的部件多個相關技術質(zhì)量指標進行快速同步評估。

4.3國內(nèi)儀器現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)尚未有成熟的商業(yè)化磁巴克豪森噪聲檢測儀器。南京航空航天大學研發(fā)出便攜式巴克豪森檢測儀樣機，如圖6所示，可實現(xiàn)對鋼軌的應力檢測，檢測精度在10MPa以內(nèi)[39]。

圖6　便攜式磁巴克豪森檢測儀樣機外觀

北京化工大學陳娟等人研發(fā)的基于磁巴克豪森效應的鋼軌應力檢測系統(tǒng)，能夠?qū)︿撥墐?nèi)部的應力進行實時在線檢測，測量誤差在0.5MPa，具有精度高、響應速度快、可視化效果好等優(yōu)點[40]。

5　國內(nèi)外相關標準現(xiàn)狀

國內(nèi)外關于MBN無損檢測的行業(yè)標準和規(guī)范并不多，許多國家并未提出相應的檢測標準。

美國汽車工程師協(xié)會(SAE)于1991年發(fā)布了SAEARP4662-1991(R2010)Barkhausen Noise Inspection for Detection Grinding Burns in High Strength Steel Parts標準，中譯名為《高強度鋼零件摩削灼傷的巴克豪森噪聲檢測》。

美國齒輪制造商標準協(xié)會(AGMA)于1999年發(fā)布了AGMA99FTM1-1999Barkhausen Noise Inspection Method for Detecting Grinding Damage in Gears標準，中譯名為《齒輪磨削損傷的巴克豪森噪聲檢測方法》。2007年，AGMA又發(fā)布了AGMA09FTM06-2007Using Barkhausen Noise Analysis for Process and Quality Control in the Production of Gears標準，中譯名為《用巴克豪森噪聲分析進行齒輪生產(chǎn)過程中工藝和質(zhì)量控制》。

在利用磁巴克豪森噪聲技術進行檢測時，對檢測技術、檢測環(huán)境、標準試件的要求，國內(nèi)尚未出臺相關的標準和規(guī)范，還需進一步加強相關檢測工藝的研究，盡早制定相關檢測標準。

6　發(fā)展趨勢

磁巴克豪森噪聲檢測技術作為一種前沿的無損檢測技術，以其無損、快速、高效及其他獨特的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)對鐵磁性材料早期損傷和應力狀態(tài)的評估和檢測，有巨大的應用前景。

目前，國際上已有較多國家開展對MBN檢測技術的研究，研究方向包括外部載荷、內(nèi)部殘余應力、材料硬度、微觀組織和相含量、信號激勵等多個方面。截至目前，我國國內(nèi)開展MBN信號研究的機構并不多，研究基礎較為薄弱，研究成果也不豐富。

近幾年來，傳感器技術、電子技術、材料分析等科技的發(fā)展，對MBN技術的研究有著重大的推進作用，大大提高了對鐵磁性材料進行檢測的效率和精確度。未來幾年，對MBN技術的研究可從以下4個方面開展：

(1) 加強材料的各種變化因素對MBN信號影響規(guī)律的基礎性研究，得到更全面的影響因素與MBN信號的變化規(guī)律，建立MBN檢測結(jié)果的評價模型，為MBN檢測方法研究和儀器的開發(fā)打下理論基礎。

(2) 引入新的MBN信號分析方法，以及其他評價手段和信號處理技術，更詳細更具針對性地分析MBN信號的特性，定量揭示材料信息，提高利用MBN技術檢測的可靠性和準確度，為MBN檢測方法研究和儀器的開發(fā)攻克關鍵技術。

(3) 開發(fā)測量參數(shù)多、測量精度高、測量范圍更廣、可靠性強的MBN檢測儀，擴大工程應用范圍，為MBN檢測技術的推廣應用提供硬件保障。

(4) 加強現(xiàn)場檢測工程應用研究，獲取現(xiàn)場各種對MBN檢測的影響因素及特征識別方法。開發(fā)有針對性的檢測工藝，制定相應的檢測方法國家標準，為MBN檢測技術的推廣應用提供依據(jù)。

7　結(jié)語

近幾年國內(nèi)外開展MBN技術的研究人員和研究成果都在不斷增多，揭示了許多關于MBN信號的規(guī)律和特性，提出了結(jié)合MBN方法進行金屬材料疲勞狀態(tài)分析、金屬表面處理、殘余應力分析等技術，并制定了相關的標準。與歐美等工業(yè)發(fā)達國家相比，我國的研究成果略顯薄弱，并無成熟儀器和相關行業(yè)標準。與其他無損檢測技術相比，MBN技術可實現(xiàn)多種檢測于一體;可進行材料殘余應力分析、材料表面硬度、微觀組織與相含量、滲碳層深度等方面的檢測;可檢測鐵磁性材料的疲勞損傷狀態(tài)，為材料剩余壽命評估提供數(shù)據(jù)。因此，今后應該加大對MBN技術的研究、儀器的開發(fā)、檢測標準的制定和工程應用。

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TheDevelopmentStatusofMagneticBarkhausenNoiseTechnique

SHENGong-tian1,ZHENGYang1,JIANGZheng-pei2,TANJi-dong1

(1.ChinaSpecialEquipmentInspectionandResearchInstitute,Beijing100029,China;2.ChinaJiliangUniversity,Hangzhou310018,China)

MagneticBarkhausenNoise(MBN)techniqueisaNondestructiveTesting(NDT)methodcapableofdetectingthemicrostructuretransformation,stressconcentrationanddamageinferromagneticmaterial.Itcanbeusedtoassessthefatiguedamage,thevariationofmicrostructure,andthestressstatueforferromagneticstructureattheearlystage.TheresearchofMBNtechniqueatpresentisreviewedinthispaper,includingmagneticmaterialtestingonstress,analyzingthefatiguestageofmagneticmaterial,analyzingthemetallographicstructure,testingthesurfacehardnessvalue,evaluatingthesurfacetreatmentquality,andthecomparisionwithotherNDTmethods.TheMBNequipmentsandthestandardsareintroducedinthispaperandmeanwhile,thedevelopmenttendencyofMBNtechniqueisindicated.

MBN;NDT;Ferromagneticmaterial;Fatigue;Review

2016-05-09

鐵磁性金屬材料疲勞狀態(tài)磁性無損檢測方法研究資助項目(51377173)

沈功田(1963-)，男，博士，研究員，博士生導師，主要研究方向為聲發(fā)射、紅外和電磁等無損檢測新技術,E-mail：shengongtian@csei.org.cn。

鄭陽(1984-)，男，博士，高工，主要研究方向為電磁超聲、相控陣超聲、超聲導波等檢測方法,傳感器與檢測儀器開發(fā)等,E-mail:zhengyangchina@126.com。

10.11973/wsjc201607016

TG115.28A

1000-6656(2016)07-0066-08