潘 立,張士晶，萬(wàn) 剛，鄔冠華，吳 偉

(南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南昌 330063)

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基于巴克豪森效應(yīng)的鐵磁性材料硬度檢測(cè)

潘 立,張士晶，萬(wàn) 剛，鄔冠華，吳 偉

(南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南昌 330063)

根據(jù)巴克豪森效應(yīng)，鐵磁性材料在外部交變磁場(chǎng)的影響下會(huì)產(chǎn)生周期性的噪聲信號(hào)。采用該種基于巴克豪森效應(yīng)的檢測(cè)方法，通過(guò)檢測(cè)在同等試驗(yàn)條件下不同硬度45鋼試件接收到的巴克豪森信號(hào)，分析了信號(hào)各特征值與試件硬度的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明：巴克豪森信號(hào)與硬度具有較高的相關(guān)性，巴克豪森法可用于檢測(cè)鐵磁性材料表面硬度。

巴克豪森效應(yīng)；45鋼硬度；鐵磁性材料

鐵磁性材料的硬度取決于其組織結(jié)構(gòu)，即材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化會(huì)引起表面硬度的變化，可認(rèn)為材料表面硬度是內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的外部表征。

巴克豪森效應(yīng)是德國(guó)科學(xué)家巴克豪森(Barkhausen)教授于1919年發(fā)現(xiàn)的一種鐵磁材料具有的物理特性。鐵磁材料在外部交變磁場(chǎng)作用下，磁疇壁突然進(jìn)行不可逆運(yùn)動(dòng)，經(jīng)歷某一自由行程后遇到不被磁化的夾雜、缺陷等，會(huì)被釘扎而停止運(yùn)動(dòng)；其在積蓄足夠磁場(chǎng)能之后，又突然脫離釘扎物再次進(jìn)行不可逆的運(yùn)動(dòng)直至再次被釘扎。其每一次被釘扎和突然脫離釘扎時(shí)，安放在鐵磁材料表面的檢測(cè)線(xiàn)圈中就會(huì)產(chǎn)生一次電脈沖，此即巴克豪森噪聲。材料微觀結(jié)構(gòu)的變化使得內(nèi)部疇壁結(jié)構(gòu)及疇壁運(yùn)動(dòng)形式發(fā)生改變，導(dǎo)致材料矯頑力、磁導(dǎo)率等磁特征參數(shù)發(fā)生變化。微觀組織的不同，最終會(huì)引起巴克豪森噪聲，因此可以利用巴克豪森噪聲的變化來(lái)測(cè)量材料的硬度。筆者采用45鋼進(jìn)行試驗(yàn)[1-2],通過(guò)檢測(cè)在同等試驗(yàn)條件下不同硬度45鋼試件接收到的巴克豪森信號(hào)，分析了信號(hào)各特征值與試件硬度的關(guān)系。

圖1 巴克豪森檢測(cè)系統(tǒng)框架示意

1 方法論述

1.1 巴克豪森檢測(cè)系統(tǒng)巴克豪森檢測(cè)系統(tǒng)框架如圖1所示，其主要包括以下幾個(gè)部分：磁化器、接收線(xiàn)圈、磁化電路(信號(hào)發(fā)生器和功率放大器)、信號(hào)調(diào)理電路以及采集卡等[3-4]。

巴克豪森檢測(cè)系統(tǒng)的工作流程為選擇信號(hào)發(fā)生器的波形類(lèi)型(正弦波、三角波等)、頻率及幅值參數(shù)，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器輸入至巴克豪森傳感器激勵(lì)線(xiàn)圈，為激勵(lì)線(xiàn)圈提供穩(wěn)定充足的電流。激勵(lì)線(xiàn)圈通過(guò)磁軛為被檢測(cè)工件提供交變的外加磁場(chǎng)，被檢測(cè)工件在交變磁場(chǎng)的影響下產(chǎn)生巴克豪森效應(yīng)并釋放出MBN(磁巴克豪森噪聲)信號(hào)，信號(hào)為接收線(xiàn)圈感知并感生出電壓。這些幅度很小的電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路放大濾波后，由采集卡AD轉(zhuǎn)換進(jìn)入PC機(jī)，通過(guò)信號(hào)處理得到MBN信號(hào)的各種特征值，通過(guò)這些特征值可分析被檢測(cè)鐵磁材料的狀態(tài)[5-6]。

1.2 噪聲抑制

巴克豪森系統(tǒng)探頭檢測(cè)到的小信號(hào)常常由于電氣干擾噪聲、機(jī)械振動(dòng)噪聲等原因?qū)е滦盘?hào)的信噪比低、重復(fù)性較差，故通常需要使用噪聲抑制的方法對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。

圖2 干擾引起的噪聲信號(hào)示例

電氣干擾噪聲與電源、功率放大器、接線(xiàn)的可靠性有關(guān)。電源應(yīng)盡量選擇開(kāi)關(guān)電源，這是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源相對(duì)線(xiàn)性電源波紋小，提供的功率比較大，可靠性也比較高。功率放大器含有功率放大芯片，輸出信號(hào)相對(duì)于MBN信號(hào)屬于大信號(hào)，故應(yīng)盡量將功率發(fā)大器的輸出信號(hào)和MBN信號(hào)進(jìn)行隔離，避免信號(hào)之間的干擾。接線(xiàn)的可靠性主要指端子排與導(dǎo)線(xiàn)連接的可靠性，如果它們出現(xiàn)虛接，MBN信號(hào)將變得雜亂無(wú)章，故試驗(yàn)前應(yīng)確保端子與導(dǎo)線(xiàn)之間連接可靠。對(duì)于巴克豪森傳感器，檢測(cè)線(xiàn)圈應(yīng)該外加屏蔽線(xiàn)，盡量避免外部感應(yīng)電磁場(chǎng)的影響，圖2(a)為電氣干擾時(shí)的MBN信號(hào)示例。

機(jī)械振動(dòng)噪聲主要是由磁化器兩端不平衡或者被檢測(cè)工件表面的凹凸不平引起的。當(dāng)磁化器外加交變電流時(shí)，磁化器開(kāi)始以磁化頻率振動(dòng)，有時(shí)振動(dòng)幅度不大，但是體現(xiàn)在信號(hào)上就會(huì)出現(xiàn)明顯的尖脈沖現(xiàn)象，如圖2(b)所示。

1.3 45鋼熱處理

試樣由45鋼加工而成，尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)為60 mm×30 mm×7 mm，在型號(hào)為SX2-8-10的試驗(yàn)電阻爐里進(jìn)行熱處理。在830℃淬火(鹽水淬火)完成后統(tǒng)一進(jìn)行200 ℃去應(yīng)力退火4 h，空冷后對(duì)8組試樣分別在150,200，250，300，350，400，500，600 ℃進(jìn)行回火，保溫時(shí)間均為1 h，再空冷，最終得到不同硬度的試樣。試樣熱處理完成后，對(duì)試樣進(jìn)行硬度采集及巴克豪森信號(hào)檢測(cè)，其中硬度采集時(shí)使用型號(hào)為HR-150A的洛氏硬度計(jì)。試驗(yàn)中采集的巴克豪森信號(hào)示例如圖3所示。

圖3 45鋼試樣的巴克豪森信號(hào)示例

1.4 試樣淬火后硬度不均勻分析

在熱處理過(guò)程中容易產(chǎn)生淬火后硬度不均勻的現(xiàn)象，經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn)引起該現(xiàn)象的原因主要有操作不規(guī)范與材料不均勻等。

操作規(guī)范性在熱處理中極為重要，細(xì)小的誤差便可能導(dǎo)致熱處理失敗。分析發(fā)現(xiàn)：在淬火過(guò)程中夾具未預(yù)熱(夾具與試件溫差過(guò)大)、試件入水角度、夾取工件時(shí)在空氣中停留的時(shí)間、保溫時(shí)間、試件在爐中擺放位置、淬火液配置等因素均會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響，另外試件材料的均勻性也會(huì)對(duì)淬火后硬度的均勻性產(chǎn)生較大影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果

試樣在熱處理完成后，對(duì)試樣進(jìn)行信號(hào)采集，由于試樣硬度不是特別均勻，故每塊試樣選擇三個(gè)測(cè)試點(diǎn)。待試樣數(shù)據(jù)采集完成后，采用硬度計(jì)對(duì)試塊進(jìn)行硬度測(cè)試，同樣每個(gè)試塊挑選三個(gè)不同的區(qū)域進(jìn)行硬度試驗(yàn)，可得到MBN信號(hào)特征值與試樣硬度的關(guān)系，如表1所示。根據(jù)表中數(shù)據(jù)，可得到MBN信號(hào)特征值與硬度之間的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖4所示。

由圖4分析可得，隨著硬度的升高，MBN信號(hào)均值、均方根及振鈴計(jì)數(shù)都隨之下降，而振鈴計(jì)數(shù)對(duì)硬度的變化反應(yīng)最為靈敏。當(dāng)材料硬化后，材料磁滯回線(xiàn)的斜率變小，使得MBN信號(hào)降低。當(dāng)材料經(jīng)過(guò)回火時(shí)材料的硬度會(huì)降低，此時(shí)MBN信號(hào)隨之增大。采用巴克豪森系統(tǒng)對(duì)不同回火溫度的試樣進(jìn)行信號(hào)采集，分別繪制45鋼試樣在不同回火溫度時(shí)的MBN信號(hào)包絡(luò)線(xiàn)，如圖5所示。由不同回火溫度試樣的包絡(luò)線(xiàn)的時(shí)域圖譜可看出，回火溫度越高時(shí)，試樣的表面硬度越小，MBN信號(hào)的峰值有明顯增大的趨勢(shì)，并且峰值所在的位置有很大的區(qū)別。當(dāng)回火溫度為250 ℃時(shí)，峰值位置在整個(gè)信號(hào)的中心位置，而回火溫度為600 ℃時(shí)，峰值位置在整個(gè)信號(hào)的前端，這樣表征了峰值位置前移，達(dá)到峰值位置的建立時(shí)間減小。

表1 各試樣MBN信號(hào)特征值與硬度的關(guān)系

圖4 試樣硬度與均方根、振鈴計(jì)數(shù)及均值的曲線(xiàn)擬合

圖5 45鋼試樣不同回火溫度時(shí)的MBN信號(hào)包絡(luò)線(xiàn)

通過(guò)對(duì)均方根、振鈴數(shù)、均值等巴克豪森信號(hào)特征值與硬度做相關(guān)性分析(見(jiàn)表2)發(fā)現(xiàn)：材料硬度與均方根有較大的相關(guān)性，在0.01(雙側(cè))上顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)最大，r=-0.988；振鈴計(jì)數(shù)與硬度之間的相關(guān)性緊隨其后，r=-0.966，在0.01(雙側(cè))上顯著相關(guān)；而均值與硬度之間的相關(guān)最低，r=-0.918。相比較可知，均方根與硬度的線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系最顯著。對(duì)硬度和均方根進(jìn)行線(xiàn)性擬合，如圖6所示，根據(jù)擬合曲線(xiàn)可得下式：

(1)

式中：R為均方根;H為硬度。

表2 硬度與MBN三種特征值的相關(guān)性

圖6 試樣硬度與均方根曲線(xiàn)擬合

3 結(jié)論

隨著巴克豪森探頭提離距離的增加，巴克豪森信號(hào)特征值也隨之呈線(xiàn)性減小的趨勢(shì)。隨著回火溫度升高，材料表面硬度逐漸減小，而巴克豪森信號(hào)特征值隨之升高，其中振鈴計(jì)數(shù)對(duì)硬度變化反應(yīng)最為靈敏。45鋼MBN信號(hào)隨著硬度增大而減小。

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The Detection of Ferromagnetic Material Hardness Based on Barkhausen Effect

PAN Li, ZHANG Shi-jing, WAN Gang, WU Guan-hua, WU Wei

(Key Laboratory of Nondestructive Testing, Ministry of Education, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China)

This paper proposes a new method to detect hardness of ferromagnetic materials based on the Barkhausen effect. According to Barkhausen effect，ferromagnetic material would produce periodic noise signal under the external alternating magnetic field. Through the detection of the Barkhausen signal of different hardness 45 steel test pieces under the same experimental conditions, the characteristic value of the signal and its relationship with the hardness were analyzed. Test results show that Barkhausen signal and hardness are of high correlation, and the detecting surface hardness of ferromagnetic material by Barkhausen method should be feasible.

Barkhausen effect； 45 steel hardness; Ferromagnetic material

2016-06-22

潘 立(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)損檢測(cè)。

潘 立，E-mail:panli_32@163.com。

10.11973/wsjc201612007

TG115.28

A

1000-6656(2016)12-0028-04