任仙芝　任尚坤　樊清泉

摘要：磁導率檢測技術(shù)是一種可高精度評價鐵磁構(gòu)件整體或部分區(qū)域應力集中、疲勞損傷狀況的無損檢測方法。依據(jù)磁導率檢測原理，以430鐵素體不銹鋼試件為研究對象，研究激勵電壓幅值、激勵線圈匝數(shù)、檢測線圈匝數(shù)及外加拉應力對檢測傳感器最優(yōu)激勵頻率的影響。研究發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)檢測頻率隨激勵線圈匝數(shù)的增加而減小;最優(yōu)檢測頻率與外加拉應力有關(guān)，當外加拉應力超出試件的彈性變形階段時，最優(yōu)頻率隨拉應力的增大而增大;最優(yōu)檢測頻率不隨激勵電壓幅值、檢測線圈匝數(shù)的變化而變化，但隨著激勵電壓幅值、檢測線圈匝數(shù)的增加，檢測靈敏度升高。該研究結(jié)論可為靈敏傳感器的設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：無損檢測;磁導率檢測;鐵素體不銹鋼;激勵源;線圈匝數(shù);拉應力

中圖分類號：TG115.28 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）08-0038-06

0 引言

430不銹鋼為含鉻量16%～18%，晶體結(jié)構(gòu)為體心立方晶格的鐵基合金，在室溫下以鐵素體組織為主[1]。作為中鉻鐵素體不銹鋼的代表，430不銹鋼兼顧了低線膨脹系數(shù)、高熱導率、高強度、高耐腐蝕性等多方面優(yōu)良性能[2]。相比于奧氏體不銹鋼而言，鐵素體不銹鋼是一種節(jié)鎳、成本低，很有發(fā)展前景及重要的利用價值，在某些方面甚至可以代替奧氏體不銹鋼[3]。其多應用于汽車排氣系統(tǒng)、外部面板、鍋爐內(nèi)管、衛(wèi)生器具、沿海建筑等領(lǐng)域，是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)應用中最廣泛、使用量最大的鐵素體不銹鋼[4]。但在實際運用中，鐵素體不銹鋼本身的不足會限制其更廣泛的應用，如在焊接過程中，由于接頭部位晶粒粗化引起的脆化、裂紋及晶間腐蝕等，嚴重影響其焊接效果[5-6]。因此，在對構(gòu)件進行現(xiàn)場檢測時，能夠快捷準確地檢測出缺陷區(qū)域（應力集中、疲勞損傷等）及嚴重程度，對構(gòu)件突發(fā)性失效的預防和重大災難的防止具有重要的現(xiàn)實意義[7-8]。

當前，金屬磁記憶檢測法[9-10]、超聲波[11]、電渦流[12]聲發(fā)射[13]、X光[14]等無損檢測方法有很多，但是都存在操作過程復雜、受外部因素影響較大，對待檢構(gòu)件的要求苛刻、效率低下等問題，并且在檢測過程中都有各自的局限性，均不能滿足人們實際應用的要求，還會造成人力、物力和財力資源的浪費。磁導率檢測技術(shù)[15-16]是一種新興的無損檢測方法，以電磁感應原理為理論基礎(chǔ)，可以對鐵磁構(gòu)件由外部環(huán)境引起的整體或區(qū)域的缺陷損傷程度（應力集中、疲勞損傷）進行早期預測，并可有效評價殘余壽命。其中，試驗中所應用的檢測傳感器在該檢測系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。由于磁導率檢測技術(shù)的檢測傳感器需要激勵源提供激勵，則激勵源的參數(shù)設(shè)置，如激勵幅值、激勵頻率、激勵波形等，會對試驗平臺的檢測準確度產(chǎn)生影響。因此，基于磁導率檢測技術(shù)對檢測傳感器最優(yōu)激勵頻率影響因素的研究具有重要的實際意義。本文采用磁導率檢測技術(shù)對430不銹鋼構(gòu)件檢測傳感器最優(yōu)激勵頻率的影響因素（激勵電壓幅值、線圈匝數(shù)、外加拉應力等）進行試驗研究，從檢測信號、激勵信號兩方面優(yōu)化檢測傳感器系統(tǒng)，對實際工作中鐵磁構(gòu)件的應力集中、疲勞損傷及熱處理等微觀缺陷的檢驗具有一定的指導意義。

1 檢測信號與磁導率的關(guān)系分析

磁導率檢測技術(shù)以微觀力磁效應和電磁感應原理為理論基礎(chǔ)。在探頭與被檢鐵磁工件構(gòu)成的閉合回路中，給檢測探頭的激勵線圈通人交變信號后，激勵線圈周圍就會由交變的電場產(chǎn)生感應磁場。由于檢測線圈也在此閉合回路中，則由穿過檢測線圈的交變磁場會在檢測線圈內(nèi)產(chǎn)生感應電場，并能以電流或電壓的方式輸出。當鐵磁試件內(nèi)部存在微觀缺陷時，根據(jù)力磁效應，感應磁場通過該部位時，磁通密度就會改變。鐵磁試件微觀缺陷的存在會影響鐵磁試件的磁導率，在閉合磁回路中，待測鐵磁試件的磁阻會因鐵磁試件的磁導率的變化而變化，引起檢測探頭中磁通密度的改變，從而實現(xiàn)對鐵磁試件微觀缺陷（應力集中、疲勞損傷）的檢測。檢測探頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。

試驗中的激勵源選取恒壓源，由基爾霍夫磁路第一定律和第二定律可知，待測試件磁導率的變化可以通過磁軛中磁通密度的變化率來反映，并且對所測量的待測試件的磁導率具有較高的檢測靈敏度。同時，磁軛中磁通密度的變化引起檢測線圈感應電壓的變化，其感應信號可通過檢測線圈輸出。

由磁路歐姆定律，i=φR_m，其中，i為磁軛的電流線密度，φ為磁通量，R_m為全磁路磁阻，可得φ=i/R_m，R_m包括R_m外和R_m內(nèi)分別為磁回路中磁軛磁阻和磁回路被測試件磁阻。則有φ=i/R_m=i/（R_m外+R_m內(nèi)）=i/[R_m外+L/（μS）]，其中，μ為被測試件的磁導率，L為被測試件區(qū)域長度，S為被測試件的平均等效截面積。

依據(jù)麥克斯韋第二方程，磁通密度B=φ/S，可得到感應輸出信號：其中，N₂為檢測線圈匝數(shù)。

由上式可知，當待測試件磁導率μ發(fā)生改變時，可造成對應的輸出的電壓信號發(fā)生變化，負號表示電流與電壓的極性相反。由于微觀缺陷（如應力集中、疲勞損傷）的產(chǎn)生會對構(gòu)件的磁導率造成影響，因此可依據(jù)檢測電壓信號值的大小變化來判斷待測試件對象內(nèi)部的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。可見，檢測電壓信號u與待測試件磁導率密切相關(guān)，檢測信號的變化可直接反映待測試件的磁導率的變化，進而反映鐵磁構(gòu)件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化。

2 傳感器最優(yōu)檢測頻率影響因素的試驗分析

2.1 試驗平臺的搭建

所搭建的試驗平臺主要包括：任意波發(fā)生器、示波器、傳感器、電壓表、電流表、帶通濾波及信號處理電路。選用430鐵素體不銹鋼試件作為試驗對象，外形尺寸如圖2所示（厚度：1.8mm）。U型磁軛選擇高磁導率的錳鋅鐵氧體材料，其外形尺寸為58mm×13mm×33mm。激勵線圈纏繞在U型磁扼梁部形成偏置磁化的磁路，檢測線圈纏繞在磁軛極靴上用以檢測信號值。其中，檢測線圈采用雙線圈對稱性結(jié)構(gòu)，兩組線圈之間串聯(lián)構(gòu)成，線圈采用一定線徑的漆包線各在骨架上繞制相應的匝數(shù)，分別在U型磁軛上的兩個極靴上對稱安裝。本文選用正弦波作為電壓激勵源進行試驗，激勵信號由任意波形發(fā)生器DG4000產(chǎn)生，在示波器上讀取檢測線圈上的拾取信號。

試驗中選取鐵磁回路和空氣回路兩個回路。鐵磁回路是由磁芯和鐵磁試件構(gòu)成的閉合磁路;空氣回路是由探頭磁芯和空氣構(gòu)成的閉合回路。檢測靈敏度以鐵磁回路與空氣回路的檢測信號之差來表示。定義檢測靈敏度最高時對應的激勵頻率為最優(yōu)檢測頻率。

2.2 交流激勵電壓頻率（f）對檢測信號的影響

保持激勵線圈和檢測線圈均為300匝，線圈繞線線徑為0.2mm，激勵線圈通人5V的正弦交流電壓，鐵磁回路和空氣回路及其差值（檢測靈敏度）隨激勵頻率的變化關(guān)系如圖3所示。其中，所測電壓信號均為峰一峰值（Vpp）。圖3表明，在一定激勵頻率范圍內(nèi)，鐵磁回路和空氣回路檢測信號都隨激勵頻率的增加而增加，但增加的速率不同。鐵磁回路和空氣回路檢測信號之差（檢測靈敏度）隨頻率的增大先增加后減小，存在一極值，即為該檢測探頭的最優(yōu)檢測頻率。最優(yōu)檢測頻率為300Hz，該條件下的檢測靈敏度最大為7.54V。

2.3 交流激勵電壓（U）對最優(yōu)檢測頻率的影響

保持激勵線圈和檢測線圈匝數(shù)均為300匝，線徑0.2mm。不同激勵電壓條件下檢測靈敏度隨激勵頻率的變化關(guān)系如圖4所示。由圖可知，不同激勵電壓下檢測靈敏度極大值所對應的頻率均為300Hz，由上述最優(yōu)頻率定義知最優(yōu)頻率即為300Hz，即最優(yōu)檢測頻率不隨交流激勵電壓變化而變化。檢測靈敏度隨激勵電壓的增加而升高，呈線性關(guān)系，并且單位電壓的靈敏度是與電壓無關(guān)的常數(shù)。

2.4 線圈匝數(shù)對最優(yōu)檢測頻率的影響

2.4.1 激勵線圈匝數(shù)對最優(yōu)檢測頻率的影響

保持檢測線圈匝數(shù)300匝，線徑0.2mm，激勵電壓5V。圖5表示在不同激勵線圈匝數(shù)下檢測靈敏度隨頻率的變化關(guān)系。由圖可知，隨著激勵線圈匝數(shù)的增加，檢測靈敏度極值點對應的頻率左移，即最優(yōu)頻率隨激勵線圈匝數(shù)的增加而減小，檢測靈敏度亦隨激勵線圈匝數(shù)的增加而減小。在激勵輸入與檢測輸出電路中，最優(yōu)激勵頻率的移位方向應與保持電路中阻抗最低的方向一致。激勵線圈增加，電路中的阻抗增加，頻率減少。同時，激勵線圈增加，阻抗（電阻、電感）增加更快，導致電流快速減小，進而檢測靈敏度降低。

2.4.2 檢測線圈匝數(shù)對最優(yōu)檢測頻率的影響

保持激勵線圈匝數(shù)300匝，線徑0.2mm，激勵電壓5V。圖6為在不同檢測線圈匝數(shù)下檢測靈敏度隨頻率的變化關(guān)系，圖7為測靈敏度隨檢測線圈匝數(shù)的變化關(guān)系。由圖6可知，隨著檢測線圈匝數(shù)的增加，檢測靈敏度極值點對應的頻率不變，即最優(yōu)頻率不隨檢測線圈匝數(shù)的變化而變化。由圖7可知，檢測靈敏度隨檢測線圈匝數(shù)的增加而升高，且近似為線性關(guān)系?？梢?，可依據(jù)增加檢測線圈的匝數(shù)，使得檢測靈敏度升高。

2.5 拉應力對最優(yōu)檢測頻率的影響

對6塊試件進行相同的去應力退火處理：將試件在退火爐中以10℃/min的上升速率加熱到700℃，然后恒溫保持2h，最后隨爐冷卻到600℃取出空冷。其中，1號試件未拉伸，2號、3號、4號、5號和6號試件分別在拉伸機上施加148MPa（8kN）、222MPa（12kN）、278MPa（15kN）、370MPa（20kN）、426MPa（23kN）的拉應力，然后卸載。無拉應力時測得試件最佳頻率為260Hz。將1號試件直接拉斷，負荷-變形曲線如圖8所示。由圖可知，屈服強度218MPa（11.8kN），抗拉強度432MPa（23.31kN）?？芍?號試件處于彈性變形階段，3號試件處于屈服變形階段，4號、5號及6號試件處于均勻塑性變形階段。

圖9表示在不同拉應力作用下檢測靈敏度隨頻率的變化關(guān)系，表1給出了不同拉應力作用下的最優(yōu)頻率值。由圖9及表1可知，試件處于彈性變形階段時，最佳頻率保持不變;超出試件的彈性變形階段后，隨著拉應力的增大，檢測靈敏度極值點右移，即最優(yōu)頻率隨著拉應力的增加而增大，且在均勻塑性變形階段后期增速緩慢。這是因為：1）當試件在彈性變形階段加載應力時，卸載后試件的變形可全部消失;2）在屈服變形階段，內(nèi)應力并不增加，保持相對平穩(wěn)狀態(tài)，但塑性應變在增加，卸載后試件變形無法恢復;3）在塑性變形階段，變形一直增加，負荷增速緩慢。綜上，當外應力超出了試件的彈性變形階段時，將對最優(yōu)檢測頻率有影響。由圖9還可以看出，檢測信號值隨拉應力的增大而下移，這是因為隨著拉應力的增大，試件磁導率減小，導致檢測信號值減小。可見，對試件所處應力狀態(tài)的檢測，可以采用磁導率信號和最優(yōu)激勵頻率信號進行檢測，即采用雙信息融合的方法進行判定和評價。

3 結(jié)束語

依據(jù)磁導率檢測原理，研究了激勵電壓幅值、激勵線圈匝數(shù)、檢測線圈匝數(shù)及外加拉應力對最優(yōu)檢測頻率的影響，可得結(jié)論如下：

1）磁導率檢測靈敏度與激勵頻率有關(guān)，檢測靈敏度隨頻率的增大，先增加后減小，存在一極值點，即存在一最優(yōu)檢測頻率使得檢測靈敏度最大。

2）最優(yōu)檢測頻率與激勵線圈匝數(shù)有關(guān)，隨激勵線圈匝數(shù)的增加而減小。最優(yōu)檢測頻率與檢測線圈匝數(shù)、激勵電壓幅值無關(guān)，不隨檢測線圈匝數(shù)、激勵電壓幅值的變化而變化。

3）最優(yōu)檢測頻率與外加拉應力有關(guān)。當外加拉應力超出試件的彈性變形階段時，最優(yōu)頻率隨拉應力的增大而增大，且在均勻塑性變形階段后期增速緩慢。結(jié)果表明，可以依據(jù)最優(yōu)頻率位置對構(gòu)件拉力殘余應力進行檢測。

4）磁導率檢測技術(shù)可以采用雙信息（磁導率信號、最優(yōu)激勵頻率）融合的數(shù)據(jù)處理方法，對鐵磁構(gòu)件的應力集中和疲勞損傷進行檢測和評價。

參考文獻

[1]王美玲.1Cr17鐵素體不銹鋼退火工藝優(yōu)化及成形性研究[D].鞍山：遼寧科技大學，2015.

[2]張聰，趙愛民，尹鴻祥，等.17%Cr鐵素體不銹鋼的再結(jié)晶組織與織構(gòu)特征[J].材料熱處理學報，2015，36（2）：72-76.

[3]丁茹，王伯健，王成，等.鐵素體不銹鋼的開發(fā)研究[J].鋼鐵研究學報，2009，21（10）：1-4.

[4]馬立，董文卜.熱處理工藝對12%Cr鐵素體不銹鋼組織性能的影響[J].中國冶金，2014，24（5）：25-29.

[5]楊欣妍，陳旭，丁毅，等.熱處理工藝對430鐵素體不銹鋼耐蝕性的影響[J].腐蝕與防護，2013，34（1）：49-51.

[6]蔡淑娟，朱亮，龔練.熱輸入對430鐵素體不銹鋼熱影響區(qū)組織和韌性的影響[J].蘭州理工大學學報，2016，42（2）：24-27.

[7]昊德會，李雪松，黃一民，等.利用局部磁滯回線特性的無損檢測新方法[J].儀器儀表學報，2015，36（10）：2207-2214.

[8]曾杰偉，蘇蘭海，徐立坪，等.逆磁致伸縮效應鋼板內(nèi)應力檢測技術(shù)研究[J].機械工程學報，2014，50（8）：17-22.

[9]DUBOV A A.Principle features of metal magnetic memorymethod and inspection tools as compared to known magneticNDT methods[C]//World Conference on NondestructiveTesting.2006：1034-1037.

[10]SHI C，DONG S，XU B，et al.Stress concentration degreeaffects spontaneous magnetic signals of ferromagnetic steelunder dynamic tension load[J].Ndt&E International，2010，43（1）：8-12.

[11]金哲.鋼軌應力的電磁超聲檢測技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學，2011.

[12]于亞婷，杜平安，廖雅琴.線圈形狀及幾何參數(shù)對電渦流傳感器性能的影響[J].儀器儀表學報，2007，28（6）：1045-1050.

[13]韓暉，肖迎春，白生寶，等.結(jié)構(gòu)疲勞損傷的聲發(fā)射檢測可靠性研究[J].機械設(shè)計與制造工程，2014（6）：76-79.

[14]GAO W，HU Y，MU X，et al.Real-time detection andsegmentation of submerged-arc welding defects in X-rayradiography images[J].Chinese Journal of ScientificInstrument，2011，32（6）：1215-1224.

[15]楊梅芳，任尚坤，趙珍燕.基于磁導率檢測技術(shù)的傳感器設(shè)計研究[J].中國測試，2017，43（2）：77-81.

[16]任尚坤，郭峰，徐振瀚.20#鋼構(gòu)件應力疲勞檢測的新技術(shù)及試驗研究[J].儀器儀表學報，2014，35（5）：1155-1160.

（編輯：商丹丹）