何孝興，李志農(nóng)，吳明濤， 沈功田

(1.南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063；2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029)

鐵磁性金屬材料的使用性能和工藝性能優(yōu)異，廣泛應(yīng)用于鐵路軌道、游樂設(shè)施、橋梁等工程領(lǐng)域。其在長期使用過程中受重復(fù)載荷作用，容易發(fā)生疲勞失效，進(jìn)而引發(fā)重大事故。疲勞失效是鐵磁性金屬構(gòu)件的主要失效方式之一，許多文獻(xiàn)和著作都表明疲勞引起的結(jié)構(gòu)失效占鐵磁性金屬材料機(jī)械失效的50%～90%[1]。由于疲勞失效是突發(fā)性的，鐵磁性金屬材料在疲勞失效之前的物理特征常不會出現(xiàn)明顯變化，疲勞失效引發(fā)的事故往往是突發(fā)性的、致命性的、災(zāi)難性。因此，為了防止鐵磁性金屬材料因疲勞而損壞，對其早期疲勞狀態(tài)進(jìn)行無損檢測和評估是非常重要的。

目前常規(guī)的無損檢測方法有許多種，其中超聲檢測方法對于物體內(nèi)部的面積型缺陷較為敏感，陳振華等[2]利用超聲檢測技術(shù)對微小型片層缺陷進(jìn)行研究，提出使用超聲非線性區(qū)域技術(shù)進(jìn)行檢測的方法，獲得較好的檢測效果。射線檢測對物體內(nèi)部的體積型缺陷較為敏感。馮鳴[3]利用數(shù)字X射線成像系統(tǒng)對圓柱形鋁合金鑄件的內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測，其改進(jìn)了一種圖像算法，使得評片人員能更好地分析鑄件內(nèi)部缺陷的信息，提升了工作效率和評片質(zhì)量。渦流和滲透兩種方法是對物體表面及近表面損傷進(jìn)行檢測的方法。曹俊平等[4]利用渦流檢測技術(shù)對高壓電纜鉛封裂紋缺陷進(jìn)行研究，通過仿真技術(shù)驗(yàn)證了渦流檢測技術(shù)對高壓電纜接頭鉛封狀態(tài)下宏觀裂紋的檢測可行性。王齊勝等[5]基于聲發(fā)射檢測方法，對非熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊焊縫的熔透狀態(tài)進(jìn)行識別，有效區(qū)分了未熔透、臨界熔透和過熔透3種狀態(tài)。江海軍等[6]基于紅外檢測技術(shù)，研究設(shè)計(jì)了一套系統(tǒng)對碳纖維蜂窩結(jié)構(gòu)內(nèi)部的宏觀缺陷進(jìn)行檢測，并取得一定成效；張金等[7]應(yīng)用電磁超聲檢測方法對大口徑火炮管內(nèi)膛裂紋進(jìn)行檢測，克服了一些傳統(tǒng)方法要求被檢表面清潔度高的缺點(diǎn)，可以遠(yuǎn)距離對表面及近表面缺陷進(jìn)行高效檢測。?？〗艿萚8]利用空氣耦合超聲檢測方法對金屬/非金屬結(jié)構(gòu)的脫黏缺陷進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)了缺陷的快速定位，獲得了較好的檢測效果。

上述幾種傳統(tǒng)及新興無損檢測方法都是對被檢物體存在的宏觀缺陷進(jìn)行檢測，而無法對被檢物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織的細(xì)微變化進(jìn)行檢測，更不能對被檢物體的早期疲勞狀態(tài)進(jìn)行無損檢測與質(zhì)量評估。文章利用磁聲發(fā)射檢測方法對鐵磁性金屬材料的早期疲勞狀態(tài)進(jìn)行檢測，研究了勵磁條件對磁聲發(fā)射檢測信號的影響。

1 磁聲發(fā)射檢測方法簡介

磁聲發(fā)射(MAE)檢測技術(shù)是結(jié)合巴克豪森效應(yīng)(MBN)和聲發(fā)射(AE)檢測技術(shù)的一種無損評價方法[9]。在無磁場狀態(tài)下，鐵磁性金屬材料內(nèi)部存在各個方向的磁疇，使得材料對外不表現(xiàn)磁性，對其施加外部磁場時，在外加磁場的作用下，被激勵材料內(nèi)部雜亂無章的磁疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致內(nèi)部磁疇壁發(fā)生湮滅現(xiàn)象，這種現(xiàn)象發(fā)生的同時釋放出一種彈性波，該彈性波就是試驗(yàn)收集的超聲波信號，即MAE信號[10-12]。JILES[9]對鐵磁性金屬材料的MAE檢測信號進(jìn)行研究，證明了鐵磁性金屬材料的應(yīng)力變形及其微觀組織的變化均能用MAE信號的強(qiáng)度表征。

徐約黃等[13]對45鋼、硅鋼以及不同材料的純鐵進(jìn)行了磁聲發(fā)射研究，發(fā)現(xiàn)磁聲發(fā)射對材料所受的應(yīng)力極為敏感；穆向榮等[14]、王威等[15]、王金鳳等[16]研究了鐵磁性材料的應(yīng)力狀態(tài)和塑性變形對磁聲發(fā)射的影響，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力狀態(tài)和塑性變形的改變會導(dǎo)致磁聲發(fā)射信號呈現(xiàn)一定規(guī)律的改變；杜鳳牧等[17]研究了幾種材料的硅鋼在不同形變量下MAE信號的變化情況，發(fā)現(xiàn)MAE信號強(qiáng)度隨形變量的增大而減弱；侯炳麟等[18]對軌鋼樣品進(jìn)行MAE檢測，發(fā)現(xiàn)可根據(jù)MAE信號來估測材料的損傷程度與剩余壽命。

相較于幾種傳統(tǒng)的只能檢測宏觀缺陷的無損檢測方法，MAE技術(shù)在鐵磁性金屬材料的疲勞損傷、塑性變形及應(yīng)力檢測等方面展現(xiàn)出極大的潛力。

由于對MAE檢測法的研究較晚，其并不如傳統(tǒng)無損檢測方法成熟。MAE信號的幅值較低，在工程應(yīng)用中，容易受到現(xiàn)場環(huán)境干擾。因此，尋找合適的MAE信號對材料進(jìn)行檢測是非常有必要的。MAE信號的影響因素眾多，如勵磁波形、頻率以及電壓等。為使MAE檢測方法對材料的檢測更加有效、可信，文章以Q235鋼為例，對影響MAE信號的勵磁頻率、電壓以及波形等3個影響因素進(jìn)行研究，以確定合適的MAE檢測參數(shù)。

2 MAE檢測試驗(yàn)

試驗(yàn)采用課題組自行設(shè)計(jì)研制的MAE信號檢測裝置[19]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。Q235鋼試樣的結(jié)構(gòu)如圖2所示，試樣厚度為8 mm。試驗(yàn)所用聲發(fā)射儀的主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。試驗(yàn)通過導(dǎo)磁膠把磁軛兩極和Q235試樣緊緊相連。

圖1 MAE信號檢測裝置結(jié)構(gòu)示意

圖2 Q235鋼試樣結(jié)構(gòu)示意

表1 聲發(fā)射儀的主要參數(shù)設(shè)置

2.1 勵磁電壓對MAE信號的影響

試驗(yàn)采用單一變量法研究勵磁電壓對MAE信號的影響。采用勵磁頻率為10 Hz，波形為正弦波的勵磁信號對圖2所示的Q235鋼試樣進(jìn)行勵磁，得到不同勵磁電壓下的MAE信號波形及頻譜(見圖3)。勵磁電壓與濾波后時域波形面積的關(guān)系如圖4所示；勵磁電壓與信號均方根值的關(guān)系如圖5所示。

圖3 不同勵磁電壓下Q235鋼試樣的MAE信號波形及頻譜

圖4 勵磁電壓與濾波后時域波形面積的關(guān)系

圖5 勵磁電壓與電壓均方根的關(guān)系

分析試驗(yàn)結(jié)果可知，在勵磁電壓不斷增加的情況下，MAE信號幅值和電壓的均方根等MAE信號特征均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。分析認(rèn)為勵磁電壓的變化導(dǎo)致被檢材料內(nèi)部的磁疇發(fā)生變化，在勵磁電壓較小的情況下，材料內(nèi)部磁疇轉(zhuǎn)動導(dǎo)致磁疇壁發(fā)生移動，隨著勵磁電壓不斷增大，材料內(nèi)部發(fā)生移動的磁疇壁數(shù)量也會逐漸增加，由此產(chǎn)生的MAE信號也就不斷增強(qiáng)。僅在勵磁電壓改變的情況下，MAE信號的變化趨勢總是同勵磁電壓的變化趨勢一致，即勵磁電壓增大，MAE信號也增強(qiáng)。在一個勵磁周期內(nèi)，若磁感應(yīng)強(qiáng)度快速變化，則意味著單位時間內(nèi)材料內(nèi)部磁疇的偏轉(zhuǎn)劇烈，使得磁疇壁移動的數(shù)量增加，產(chǎn)生的MAE信號也增強(qiáng)。

對于鐵磁性金屬材料Q235鋼而言，在勵磁電壓不斷增大的情況下，磁場強(qiáng)度也會逐漸增大，材料內(nèi)部磁疇偏轉(zhuǎn)的數(shù)量就越多，同時磁疇壁的產(chǎn)生和湮滅現(xiàn)象增多，使得MAE信號強(qiáng)度不斷增大。

2.2 勵磁頻率對MAE信號的影響

試驗(yàn)研究在勵磁電壓為1.0，2.0，3.0 V時，不同勵磁頻率下MAE信號的變化。不同電壓下勵磁頻率與濾波后時域波形面積的關(guān)系如圖6所示；不同電壓下勵磁頻率與電壓均方根的關(guān)系如圖7所示。

圖6 不同電壓下勵磁頻率與濾波后時域波形面積的關(guān)系

圖7 不同電壓下勵磁頻率與電壓均方根的關(guān)系

分析試驗(yàn)結(jié)果可知，在勵磁頻率不斷變大的情況下，材料內(nèi)部各個方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)的磁疇數(shù)量增加，即在單位時間內(nèi)磁疇壁的產(chǎn)生或湮滅增多，MAE信號得到增強(qiáng)，但由于勵磁器中勵磁線圈的存在，頻率增大時其感抗增大，勵磁電流減小，磁化強(qiáng)度減弱，參與磁疇結(jié)構(gòu)變化的磁疇數(shù)量減少，MAE信號也就減弱。上述兩種因素共同作用，一增一減，最終導(dǎo)致MAE信號強(qiáng)度、單位時間內(nèi)包絡(luò)的面積等信號特征呈先增大后減小的趨勢。這表明勵磁頻率的大小與MAE信號關(guān)系密切，是MAE信號的重要影響因素。

2.3 勵磁波形對MAE信號的影響

由前文對兩個因素的研究可以發(fā)現(xiàn)，勵磁電壓和頻率都是MAE信號的影響因素，其關(guān)系著MAE信號的信噪比和強(qiáng)度，而勵磁電壓與勵磁頻率相互制約，在線圈的作用下頻率增大勵磁強(qiáng)度減小。若以上升速率和下降速率不對稱的波形進(jìn)行勵磁，由于磁感應(yīng)強(qiáng)度連續(xù)變化，能夠獲得同時滿足高磁感應(yīng)強(qiáng)度和高勵磁頻率的信號。因此，分別用不同對稱性(S)的三角波和不同占空比(D)的方波(見圖8,9)作為Q235鋼試樣的激勵源，分析不同激勵源波形對MAE信號特征的影響。

圖8 三角波波形示意

圖9 方波波形示意

圖10 不同三角波及方波勵磁所得的MAE信號波形及其頻譜

試驗(yàn)選定勵磁頻率為10 Hz，勵磁電壓為3.0 V。不同三角波及方波勵磁所得的MAE信號波形及其頻譜如圖10所示。采集到的MAE信號經(jīng)20～500 kHz帶通濾波后，得到波形的對稱性(或占空比)與時域波形面積的關(guān)系如圖11所示，波形的對稱性(或占空比)與電壓均方根的關(guān)系如圖12所示。

圖11 波形的對稱性(或占空比)與時域波形面積的關(guān)系

由圖10可知，選用S為50%的三角波和D為50%的方波作為勵磁源時，在勵磁周期內(nèi)出現(xiàn)兩個周期為半個勵磁周期的MAE信號，且這兩個信號的幅值及包絡(luò)形狀均較為相似。當(dāng)選用S為25%和75%的三角波作為勵磁源時，在勵磁周期內(nèi)也同樣出現(xiàn)兩個MAE信號，但這兩個信號的幅度和包絡(luò)形狀是不完全相同的。用不同占空比的方波作激勵源時，在勵磁周期內(nèi)同樣可以得到兩個MAE信號，并且這兩個信號的波形特征基本相同，二者出現(xiàn)在時間軸上的位置與占空比相對應(yīng)。對比不同對稱性和不同占空比的方波所得到的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，相同勵磁條件下，不同對稱性的三角波波形作激勵源對MAE信號濾波后的時域波形面積和電壓均方根的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于方波波形作激勵源對MAE信號濾波后的時域波形面積和電壓均方根的影響，并且由三角波激勵產(chǎn)生的MAE信號分布較廣泛，主要頻段為20～500 kHz，而方波激勵產(chǎn)生的MAE信號就比較集中地分布于20～200 kHz，且在某幾個點(diǎn)特別集中。

由圖12，13可以看出，采用三角波波形進(jìn)行勵磁時，無論其占空比如何，實(shí)際檢測的MAE信號濾波后的時域波形面積以及電壓均方根均變化不大，即可以認(rèn)為三角波波形對MAE信號幾乎沒有影響。不同占空比的方波波形作激勵源會影響MAE信號的電壓均方根以及濾波后時域波形的面積，當(dāng)方波的占空比為50%時，MAE信號濾波后的時域波形面積和電壓均方根均處于最大值。

圖12 波形的對稱性(或占空比)與電壓均方根的關(guān)系

由上述分析可知，在其他勵磁條件相同的條件下，選用方波作為激勵源比選用三角波作為激勵源產(chǎn)生的MAE信號更明顯，而對不同占空比的方波而言，選用D為50%的方波波形進(jìn)行勵磁所得的MAE信號特征更明顯。

3 結(jié)論

(1) 從MAE信號產(chǎn)生機(jī)理及試驗(yàn)驗(yàn)證分析，勵磁電壓不斷增大的情況下，MAE信號的幅值和電壓均方根等信號特征逐漸增大，且材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，材料內(nèi)部磁疇偏轉(zhuǎn)的數(shù)量及幅度增大，即發(fā)生移動的磁疇壁增多，產(chǎn)生的MAE信號也增強(qiáng)。

(2) 勵磁頻率不斷增大導(dǎo)致線圈感抗增大，使勵磁電流不斷減小，材料磁化強(qiáng)度減弱，而在單位時間內(nèi)材料內(nèi)部偏轉(zhuǎn)的磁疇數(shù)目增大，即移動、產(chǎn)生或湮滅的磁疇壁增多，使MAE信號增強(qiáng)。這兩種效果共同作用，使得產(chǎn)生的MAE信號的強(qiáng)度、單位時間內(nèi)包絡(luò)面積等信號特征呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

(3) 不同對稱性的三角波波形作激勵源對MAE信號的產(chǎn)生幾乎沒有影響；而采用不同占空比的方波波形作激勵源時，MAE信號會有明顯的變化，占空比為50%的方波波形作為激勵源時，MAE信號的特征更明顯。