牛亞平 沈正祥 蔡鵬輝 李斌彬 陳 虎 余志遠，2 徐佳敏，3 譚繼東

（1.寧波市特種設(shè)備檢驗研究院 寧波市特種設(shè)備智能檢驗與監(jiān)測重點實驗室；2.上海交通大學材料科學與工程學院；3.中國計量大學質(zhì)量與安全工程學院；4.中國特種設(shè)備檢測研究院 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局無損檢測與評價重點實驗室）

對于鐵磁性材料，塑性加工（如軋制、拉伸、擠壓等）將引發(fā)其明顯的磁各向異性，即材料塑性變形產(chǎn)生殘余應(yīng)力， 導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生滑移形成位錯，磁疇重新排列。磁疇運動主要取決于材料應(yīng)力和磁場的耦合作用，一方面，外加磁場會導(dǎo)致材料尺寸發(fā)生變化，即磁致伸縮效應(yīng)；另一方面，應(yīng)力也會改變材料的磁化強度，即壓磁效應(yīng)。 其中，壓磁效應(yīng)是通過磁性測量評估鐵磁構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)的物理基礎(chǔ)［1，2］，在無損檢測領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，相應(yīng)的磁性無損檢測技術(shù)應(yīng)運而生［3］，例如漏磁（MFL）、 磁巴克豪森噪聲 （MBN）、 磁聲發(fā)射（MAE）、磁滯回線（HL）及磁記憶（MMM）等。 盡管X射線和中子衍射技術(shù)也能夠測量材料的殘余應(yīng)力，但X射線穿透深度有限，且需要對材料表面進行處理；中子衍射設(shè)備笨重，價格昂貴，目前僅限實驗室內(nèi)使用。相比較而言，磁巴克豪森噪聲技術(shù)是最早使用壓磁效應(yīng)進行材料微觀組織、 殘余應(yīng)力和力學性能檢測的實用性方法之一。

國內(nèi)外學者對磁巴克豪森噪聲檢測的技術(shù)原理、設(shè)備和應(yīng)用進行了大量研究。芬蘭Stresstech公司制造了世界首臺Rollscan型MBN檢測樣機，用于冷軋氣缸表面應(yīng)力狀態(tài)的檢測［4］。 德國弗勞恩霍夫無損檢測研究所研制了商業(yè)化3MA系列微結(jié)構(gòu)與應(yīng)力分析儀，包括巴克豪森噪聲、多頻率渦流、增量磁導(dǎo)率、切線磁場諧波分析等功能［5］。MBN信號對材料微觀組織變化具有很高的靈敏度， 常用于檢測材料的顯微組織、表面缺陷、殘余應(yīng)力、硬度等。文獻［6］利用磁巴克豪森噪聲技術(shù)分別表征了2.25Cr-1Mo鋼和9Cr-1Mo鋼焊縫、熱影響區(qū)和基體的微觀組織變化規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)BN信號與硬度成反比。 文獻［7］通過磁巴克豪森噪聲（MBN）結(jié)合正電子湮沒光譜（PAS）、X射線衍射（XRD）等技術(shù)， 對大型軸承18NiCrMo14-6鋼表面磨削過程中的熱致?lián)p傷進行了精確監(jiān)測。文獻［8］使用磁性巴克豪森噪聲評估碳鋼硬化表面層的微觀結(jié)構(gòu)、硬度和殘余應(yīng)力分布， 發(fā)現(xiàn)檢測深度與信號頻率密切相關(guān)。 通過必要的校準程序，MBN可替代傳統(tǒng)的破壞性技術(shù)， 為鐵磁材料產(chǎn)品質(zhì)量的快速在線檢測提供一種新思路。 除此之外，MBN技術(shù)也是評估鐵磁性材料彈塑性變形或早期損傷的有效方法。 文獻［9］研究了不同彈性和塑性變形對低碳鋼磁巴克豪森噪聲信號的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)加工硬化是導(dǎo)致塑性變形初期MBN能量增加的主要原因。 隨著塑性變形加劇，磁性特征變化愈加復(fù)雜。 文獻［10］利用磁巴克豪森噪聲技術(shù)評估了3種低合金鋼表面的腐蝕損傷狀態(tài)，并結(jié)合金相組織進行驗證。 然而，由于材料微觀結(jié)構(gòu)和物理特征對MBN效應(yīng)的作用機制復(fù)雜且相互疊加，加上MBN信號處理精度要求高，因此目前仍難以使用MBN技術(shù)進行精確評估［11，12］。 現(xiàn)階段，國內(nèi)外對MBN技術(shù)的應(yīng)用主要集中在微觀組織、殘余應(yīng)力和表面完整性分析方面，對材料彈塑性變形的無損評估仍需進一步拓展。

筆者采用磁巴克豪森噪聲技術(shù)對3種典型碳鋼（Q235、45#和35CrMo鋼）靜態(tài)拉伸過程進行在線檢測，分別對彈、塑性變形階段MBN信號與應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進行關(guān)聯(lián)分析， 并考察含碳量對MBN特征值的影響規(guī)律，最后對材料損傷狀況進行快速無損表征，以期為磁巴克豪森噪聲技術(shù)應(yīng)用于鐵磁材料變形與失效無損定量評估提供技術(shù)支撐。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料分別為Q235、45#和35CrMo無縫鋼管，其中Q235鋼和45#鋼是含碳量不同的碳素結(jié)構(gòu)鋼，35CrMo鋼是一種低合金高強鋼，廣泛應(yīng)用于建筑、壓力容器與管道、橋梁、機械零部件和焊接結(jié)構(gòu)等。 三者的化學成分和主要力學性能見表1。

表1 試驗材料的化學成分與力學性能

采用線切割機沿鋼管軋制方向截取拉伸試樣，并將表面打磨光滑。 如圖1所示，拉伸試樣為平板狀，厚度為5 mm，以方便與探頭緊密貼合。測量點（紅色標志）位于試樣中央，距上下邊緣約10 mm，距平行段端點40 mm。 所有試樣加工完成后均進行熱處理，以消除不必要的殘余應(yīng)力。

圖1 拉伸試樣與測量點位置

1.2 試驗方法

拉伸載荷下試樣MBN效應(yīng)測試平臺如圖2所示， 在加載過程中定期測量試樣表面的MBN信號。 采用中國特種設(shè)備檢測研究院［13］自主研發(fā)的磁巴克豪森噪聲檢測儀對試樣測量點的應(yīng)力狀態(tài)進行檢測，該儀器主要由信號發(fā)生器、功率放大器、信號濾波器、數(shù)據(jù)采集器、計算機模塊和探頭組成，其檢測系統(tǒng)如圖3所示［13］。MBN探頭包括一個U型磁芯和一個圓柱對稱檢測線圈， 該線圈對材料近表面的磁場變化非常敏感。MBN檢測儀的磁化深度與激勵頻率有關(guān)，本試驗中激勵頻率設(shè)定為50 Hz，配合1～400 kHz的帶通濾波器進行信號處理。 準靜態(tài)單軸拉伸試驗在配有縱向自動引伸計的MTS電子萬能試驗機上完成， 每次試驗前，采用德國Fischer FMP30鐵素體測試儀對試樣的鐵素體含量進行無損測量， 測量范圍0.1%～80.0%Fe。然后對試樣進行退磁處理，以避免殘余磁場對MBN信號的影響。 將平板試樣固定在上下卡具之間，MBN探頭安裝在試樣測量點位置，用橡皮筋或膠帶綁牢，確保探頭與試樣表面完全接觸。 在加載速率低于0.1 s-1的條件下，當試樣達到不同的預(yù)定應(yīng)力水平后，暫停試驗并記錄下此時的MBN信號值，直至試樣斷裂。 對試樣未加載、彈性和塑性變形的磁信號數(shù)據(jù)分別進行處理和分析，并提取常見的MBN有效特征量［13］：均方根值（Rms）、峰值（Peak）和均值（Mean），從而得到試樣未加載和加載狀態(tài)下彈-塑性應(yīng)力應(yīng)變特征和MBN信號特征量之間的關(guān)系。 最后采用Tescan型掃描電鏡（SEM）對試樣的斷面形貌進行觀察。

圖2 靜態(tài)拉伸試樣MBN信號檢測平臺

圖3 MBN檢測系統(tǒng)示意圖

2 結(jié)果分析與討論

2.1 含碳量

鐵磁性材料在磁化過程中其內(nèi)部疇壁將發(fā)生不規(guī)則跳躍，形成磁巴克豪森噪聲效應(yīng)。 一般來講，MBN信號與磁疇壁形核、運動和湮滅有關(guān)，并受材料組織內(nèi)部的缺陷、晶界和第二相析出物或雜質(zhì)的影響。 對于普通的碳鋼，第二相滲碳體通常出現(xiàn)在晶界處，或在珠光體晶粒中以層狀形式出現(xiàn)，作為阻礙疇壁運動的釘扎點。 文獻［14］提出的鐵磁材料磁巴克豪森噪聲特征值均方根Vrms計算式為：

其中，T為溫度，μ為磁導(dǎo)率，n為探頭的線圈數(shù)，A為橫截面積，N為磁巴克豪森噪聲跳躍的數(shù)量，Mdisc為磁巴克豪森噪聲跳躍的平均尺寸，Mirre為磁化的不可逆變化值，t為時間，β為比例常數(shù)，H為外加磁場強度，Hc為釘扎點的矯頑力場，Np為釘扎點數(shù)量，hc為每個釘扎點的局部矯頑力。

從式（1）可以看出，MBN信號的Vrms與不可逆磁化率dMirre/dt相關(guān)。 文獻［15］給出的釘扎點的局部矯頑力表達式如下：

其中，K為磁各向異性常數(shù)，Is為飽和磁化強度，D為釘扎點的直徑，δ為磁疇壁的寬度，α為第二相顆粒的比例常數(shù) （近似等于含碳量）。 文獻［16］認為鐵磁材料的釘扎點數(shù)量Np=6α/（πd3）（其中d為顆粒直徑），最終得出：

假設(shè)外加磁場強度H均相同，綜合式（1）～（4）可得：

需要注意的是，式（5）僅限于含碳量不超過0.45%的鐵磁材料。 對于高碳鋼，其內(nèi)部釘扎點密度較高，疇壁運動需克服的勢能壁壘較大，作用機制復(fù)雜，MBN信號甚至呈現(xiàn)下降的趨勢［17］。 圖4是3種試樣未加載狀態(tài)下，BN-Peak值和BN-Rms值隨含碳量的變化關(guān)系。 可以看出，材料微觀組織對MBN效應(yīng)有重要影響。 隨著含碳量增加，MBN信號特征值逐漸變大，磁化過程做功或耗散能量增大，與式（5）分析結(jié)果基本一致。 從磁疇壁運動的勢能壁壘角度來看［18］，Q235鋼的微觀組織以鐵素體（含量約97%）為主，釘扎點密度最低，晶粒內(nèi)部的疇壁能平穩(wěn)迅速地移動，磁化所需的能量最少。 隨著含碳量增加，盡管部分碳原子仍然作為鐵素體的間隙原子，但其余的已開始形成珠光體晶粒和滲碳體。對于35CrMo鋼和45#鋼，珠光體含量已提高至14.3%和27.6%左右，珠光體晶粒外部和內(nèi)部分別存在大量的滲碳體析出和片層，釘扎點密度大幅提高，導(dǎo)致阻礙疇壁運動的局部能量壁壘明顯變大，這是導(dǎo)致MBN效應(yīng)變強的主要原因。

圖4 含碳量對MBN參數(shù)的影響

2.2 彈性變形

在彈性極限內(nèi)， 金屬材料的變形是可逆的，外加應(yīng)力使原子間距發(fā)生變化，最終導(dǎo)致磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。 對于正向磁致伸縮系數(shù)的結(jié)構(gòu)鋼，應(yīng)力作用下的磁彈性能Eσ可表示為［19］：

其中，γ100為晶粒〈100〉方向的磁致伸縮系數(shù)，鐵素體可取2.07×10-5；σ為外加應(yīng)力；θ為應(yīng)力與磁疇易磁化方向的夾角。

由式（6）可以看出，當應(yīng)力與磁化方向垂直時，Eσ=0，對于拉伸應(yīng)力σ＞0來說，此時磁彈性能達到最大；當拉伸應(yīng)力與磁化方向平行時，磁彈性能最小。 顯然為使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，磁疇需重新排列達到與應(yīng)力和磁化方向平行，以獲得最小的磁彈性能［20，21］。 圖5為Q235、45#和35CrMo試樣彈性變形階段中MBN特征值的變化趨勢， 可以看出，隨著拉伸應(yīng)力或應(yīng)變增加，MBN相應(yīng)的特征參量Peak、Rms、Mean值均明顯提高。 盡管拉伸應(yīng)力會導(dǎo)致晶粒〈100〉方向上180°磁疇壁集聚，以降低MBN的磁彈性能，但是由于磁疇壁移動需消耗能量， 當拉伸應(yīng)力增加到某一臨界值σc時，MBN效應(yīng)達到飽和， 其特征值曲線將出現(xiàn)明顯的峰值，這種現(xiàn)象稱為MBN應(yīng)力誘導(dǎo)各向異性，源于磁場與應(yīng)力對疇壁運動的綜合作用［22，23］。 由圖5a、b可知，Q235鋼的臨界應(yīng)力約200 MPa，45#鋼的臨界應(yīng)力約277 MPa。 對上述具有明顯屈服行為的鐵磁材料，當拉伸應(yīng)力超過臨界值σc時，晶?；茩C制被提前激活，形成一個彈塑性混合變形階段直至達到屈服應(yīng)力σ0.2，此時MBN信號對應(yīng)力響應(yīng)的靈敏度降低，其特征值均出現(xiàn)小幅下降，這是因為少量微觀塑性變形產(chǎn)生的位錯阻礙了磁疇壁活動［24］。 對于無明顯屈服點的35CrMo合金鋼，由圖5c可知，其臨界應(yīng)力σc約645 MPa，與屈服應(yīng)力σ0.2重合。 研究顯示，MBN飽和效應(yīng)與飽和磁滯回線有關(guān)，其磁疇矢量旋轉(zhuǎn)會導(dǎo)致應(yīng)變收縮，并降低材料的總磁化強度［25］。 總的來說，彈性拉伸應(yīng)力對MBN信號的影響主要與磁彈性效應(yīng)下180°磁疇壁重新排列有關(guān)。

圖5 彈性變形對Q235、45#和35CrMo鋼MBN效應(yīng)的影響

2.3 塑性變形

金屬材料屈服是位錯運動的結(jié)果，并由位錯運動的阻力來決定。 當材料進入塑性變形階段后，應(yīng)變硬化和位錯密度是影響MBN效應(yīng)的主要因素［26］。 圖6為MBN信號對Q235、45#和35CrMo試樣塑性變形行為的響應(yīng)特征，其中特征參量Peak值-應(yīng)變曲線與工程拉伸應(yīng)力-應(yīng)變非常類似。 由圖6a可以看出，Q235鋼在塑性變形早期 （應(yīng)變硬化階段），MBN信號略有增加后便趨于平緩；當應(yīng)力進一步增加至抗拉強度σb后，頸縮階段的非均勻塑性變形導(dǎo)致MBN信號呈下降趨勢直至斷裂。由圖6b可以看出， 塑性變形對45#鋼的MBN響應(yīng)行為與Q235鋼類似，早期略有增加后基本趨于平緩； 一旦試樣開始出現(xiàn)頸縮，MBN信號快速下降直至斷裂。由圖6c可以看出，對于35CrMo鋼，MBN信號對塑性應(yīng)力呈現(xiàn)出較高的靈敏度。 在塑性變形全過程中，MBN信號持續(xù)下降直至斷裂。 顯然，MBN信號不同的彈塑性應(yīng)力響應(yīng)行為與材料的彈性和塑性變形機制的差異有關(guān)［26］。 在彈性變形階段，應(yīng)力通過晶格的原子間距來調(diào)節(jié)。 隨著應(yīng)力變大， 原子間距增加并可能持續(xù)到材料斷裂。然而，當應(yīng)力超過MBN飽和臨界值后，滑移機制被激活， 材料開始出現(xiàn)局部塑性流動，MBN信號下降直至完全屈服。 進入均勻塑性變形階段后，位錯增加并相互作用形成應(yīng)變強化效應(yīng)，提高了晶?；频呐R界值，使得晶格中繼續(xù)存在少量的彈性應(yīng)力，這也是圖6a～c應(yīng)變強化階段中MBN信號略有增加的原因。 隨著塑性變形繼續(xù)發(fā)展，位錯密度急劇增加， 進一步阻礙疇壁運動，MBN信號開始下降。 尤其當材料頸縮并進入非均勻塑性變形階段后，以位錯纏結(jié)和晶界為形式的釘扎效應(yīng)變得越來越重要，疇壁運動阻力加劇甚至出現(xiàn)變形，MBN信號整體呈下降趨勢直至斷裂。

圖6 塑性階段中Q235、45#和35CrMo鋼的MBN信號變化趨勢

需要注意的是，與Q235和45#相比，35CrMo鋼增加了Cr、Mo等合金原子（表1），與位錯相互作用引發(fā)晶格畸變， 進一步增加了疇壁運動的阻力，導(dǎo)致其MBN信號在塑性階段中后期不斷下降。 這一點也可對比3種材料的矯頑力場大小得出，矯頑力可認為是磁疇壁運動需克服的能量壁壘，表示如下［27～29］：

其中，σ^l為晶粒內(nèi)部的釘扎點能量，可由內(nèi)應(yīng)力幅值表征；Li為釘扎點間距，表征釘扎點的分布密度。 由式（7）可以看出，試樣在未加載狀態(tài)下內(nèi)應(yīng)力水平相同時，矯頑力越大，材料內(nèi)部釘扎點間距越小，對應(yīng)的釘扎點分布密度越大。 如圖7所示，未加載狀態(tài)下35CrMo 鋼的矯頑力水平為11.0 A/cm，高于Q235、45#鋼的6.7、8.7 A/cm，這表明， 在相同條件下35CrMo鋼內(nèi)部釘扎點密度最大，疇壁的運動阻力最大，MBN信號下降最快，這與圖6所得結(jié)果基本一致。 而與彈性階段相比，材料的塑性流動機制更加復(fù)雜，涉及到原子界面滑移，并與晶體織構(gòu)、原子鍵、位錯和殘余應(yīng)力有關(guān)［30］，對MBN的作用規(guī)律后續(xù)需進一步研究。

圖7 Q235、45#和35CrMo鋼的矯頑力場

2.4 拉伸損傷表征

文獻［31，32］對含不同預(yù)制裂紋的管材進行高分辨率MBN測量，發(fā)現(xiàn)裂紋可導(dǎo)致MBN信號顯著降低，這主要源于局部渦流場和裂紋之間的通量解耦，引發(fā)磁化水平降低，可見MBN無損技術(shù)存在對材料缺陷或損傷精確定位的潛力。 對拉伸應(yīng)力卸載后3根試樣沿表面分別進行MBN掃查，圖8為試樣表面標距長度內(nèi)變形率和MBN特征值分布，可以看出，試樣在非均勻塑性變形階段，橫截面發(fā)生收縮， 塑性變形逐漸集中在頸縮位置，最終發(fā)生斷裂。 由圖8a可知，Q235試樣斷裂區(qū)的變形率高達25.87%，MBN信號出現(xiàn)最小值， 其中Peak值降低幅度為14.70%。 由圖8b可知，45#試樣斷裂區(qū)的變形率約為18.33%，MBN信號最低，其Peak值降幅約為21.74%。 由圖8c可知，35CrMo試樣斷裂區(qū)的變形率約為15.67%，MBN信號同樣最低，其Peak值降幅約為36.11%。 試樣裂紋斷口的退磁效應(yīng)誘發(fā)不均勻磁化，降低斷裂區(qū)的磁化強度，導(dǎo)致MBN信號降低。 正是MBN信號與金屬組織連續(xù)性之間存在相關(guān)性，MBN信號最低值位置可認為與損傷或裂紋位置基本一致［33］。 從圖9a可以看出，Q235鋼以鐵素體組織為主，塑性較好，其斷面主要由大小不同的韌窩構(gòu)成，MBN變化幅度最?。?4.70%）。隨著含碳量增加，45#鋼和35CrMo鋼組織中珠光體含量逐漸增多，塑性變差，從圖9b、c可以看出，其斷面由韌窩和結(jié)晶狀“臺階”構(gòu)成，為典型的韌-脆混合斷口。 相比較而言，此類斷面附近的磁場變化較大，MBN變化幅度較大（21.74%和36.11%）。 通過對比3種碳鋼材料的試驗結(jié)果，磁巴克豪森噪聲檢測發(fā)現(xiàn)的損傷位置與實際的斷裂位置基本吻合，可為后續(xù)鐵磁性材料損傷無損定量評估提供技術(shù)支持。

圖8 Q235、45#和35CrMo試樣塑性變形與MBN特征值分布

圖9 Q235、45#和35CrMo試樣的斷面形貌 ×1000

3 結(jié)論

3.1 Q235鋼以鐵素體為主，45#和35CrMo鋼的珠光體含量提高；隨著含碳量增加，釘扎點密度明顯提高，導(dǎo)致MBN效應(yīng)逐漸變強。

3.2 隨著拉伸應(yīng)力增加， 彈性變形階段MBN信號顯著增強， 并在臨界應(yīng)力點達到峰值形成飽和，這主要與磁彈性效應(yīng)下180°磁疇壁重新排列、飽和磁化強度有關(guān)。

3.3 塑性變形階段，由于位錯纏結(jié)引起釘扎效應(yīng)逐漸起主導(dǎo)作用， 盡管拉伸應(yīng)力繼續(xù)增加，MBN信號變化趨于平緩，但整體呈下降趨勢直至試樣斷裂。

3.4 應(yīng)力卸載后， 試樣表面MBN信號最低值與裂紋位置基本一致， 并符合SEM斷口形貌分析結(jié)果。 通過對比3種典型碳鋼試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，磁巴克豪森噪聲技術(shù)可用于鐵磁材料彈塑性變形和失效斷裂的無損定量評估。