丁　松，王　平，田貴云

(1.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 210016;2.南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，南京 211816)

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基于主成分分析的18CrNiMo7-6材料理化參數(shù)無(wú)損評(píng)估方法

丁松1,2，王平1，田貴云1

(1.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 210016;2.南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，南京 211816)

重載齒輪材料18CrNiMo7-6加工后需經(jīng)滲碳處理，齒輪表面及亞表面理化參數(shù)通常需通過(guò)切割樣品進(jìn)行有損檢測(cè)來(lái)得到，且產(chǎn)品無(wú)法實(shí)現(xiàn)全數(shù)檢查。提出一種基于Barkhausen效應(yīng)的無(wú)損檢測(cè)方法，通過(guò)提取Barkhausen噪聲信號(hào)的六個(gè)特征值并對(duì)其進(jìn)行主成分分析，用降維后的主成分評(píng)估18CrNiMo7-6材料表面及亞表面馬氏體、殘余奧氏體含量，以及有效硬化層深度等參數(shù)。對(duì)實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法是一種可對(duì)齒輪產(chǎn)品全數(shù)檢測(cè)的有效無(wú)損檢測(cè)與評(píng)估方法。

滲碳；巴克豪森；無(wú)損檢測(cè)與評(píng)估；主成分分析；有效硬化層深

齒輪箱作為風(fēng)力渦輪機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)，長(zhǎng)期工作在載荷及溫度變化劇烈的環(huán)境中，其故障不僅導(dǎo)致風(fēng)機(jī)整體性能下降，甚至?xí)斐蓢?yán)重的設(shè)備事故[1-2]。研究表明，輪齒表面局部接觸應(yīng)力過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致材料屈服產(chǎn)生塑性形變、表面刺膜或疲勞而形成微裂紋并擴(kuò)展，這是引起齒輪失效的直接原因[3-5]。因此，對(duì)齒輪產(chǎn)品進(jìn)行表面滲碳或滲氮處理以獲得理想的硬度及有效硬化深度成為各風(fēng)機(jī)齒輪制造企業(yè)的必要工藝。目前常用的齒輪材料表面參數(shù)檢測(cè)方法主要是以硬度計(jì)測(cè)試表面硬度和有效硬化層深度，以金相儀觀測(cè)微觀組織結(jié)構(gòu)，其均需擠壓或切割被測(cè)試樣表面，因而無(wú)法對(duì)產(chǎn)品實(shí)行全數(shù)檢驗(yàn)，留有質(zhì)量隱患；磁粉、超聲兩種探傷手段，雖然可在保持被測(cè)材料完整性前提下進(jìn)行檢測(cè)，但主要用于缺陷檢查[6]，對(duì)材料表面微觀組織結(jié)構(gòu)無(wú)能為力。實(shí)際上，齒輪制造企業(yè)不僅需要檢測(cè)材料滲碳處理后的碳化物、馬氏體等微觀組織含量、表面硬度和有效硬化層深度(材料表面以下硬度大于HV 550的深度)等理化參數(shù)，更希望能對(duì)齒輪產(chǎn)品進(jìn)行全數(shù)檢驗(yàn)。

無(wú)損檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)能夠在不損壞工件的前提下，通過(guò)各種能提供可靠證明的方法(如技術(shù)評(píng)價(jià)和實(shí)際測(cè)試等)和設(shè)備，檢查工件缺陷以及微觀結(jié)構(gòu)變化情況，并開(kāi)展系統(tǒng)性評(píng)價(jià)[7-10]。其中，Barkhausen效應(yīng)是指磁疇壁在外加磁場(chǎng)作用下，克服各種釘扎作用產(chǎn)生躍動(dòng)時(shí)，發(fā)出一系列電磁脈沖的現(xiàn)象。因噪聲強(qiáng)度和分布與材料的微觀結(jié)構(gòu)，如晶界、位錯(cuò)、空包等，以及內(nèi)應(yīng)力分布緊密相關(guān)，所以，基于Barkhausen效應(yīng)的MBN(Magnetic Barkhausen Noise)方法被全球磁無(wú)損檢測(cè)聯(lián)盟(UNMNDE)認(rèn)為是材料應(yīng)力和微觀結(jié)構(gòu)檢測(cè)的有效手段。目前在材料理化參數(shù)評(píng)估領(lǐng)域，MBN方法主要用于材料表面硬度和硬化層深度的檢測(cè)[11-14]。筆者提出一種基于Barkhausen效應(yīng)的無(wú)損檢測(cè)方法，通過(guò)提取Barkhausen噪聲信號(hào)特征值并對(duì)其進(jìn)行主成分分析，用降維后的主成分評(píng)估18CrNiMo7-6材料理化參數(shù)。

圖1　Barkhausen噪聲檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1　試驗(yàn)制備

根據(jù)Barkhausen噪聲產(chǎn)生原理，采用圖1所示結(jié)構(gòu)對(duì)被測(cè)試樣施加交變磁場(chǎng)并采集噪聲信號(hào)。其中，波形發(fā)生裝置為Agilent 33250A信號(hào)發(fā)生器，輸出頻率10 Hz，峰-峰電壓0.7 V正弦波；Newtons N4L LPA05B型雙極性功放固定增益20 dB，其輸出用以驅(qū)動(dòng)U形磁軛上繞制600匝的線圈(φ0.21 mm漆包線)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)作用于試樣；試樣表面的接收線圈為1 500匝(φ0.07 mm漆包線，含鐵氧體磁芯)；數(shù)據(jù)采集卡型號(hào)為研華DAQ2010，雙通道500 kHz采樣頻率采集勵(lì)磁電壓和Barkhausen噪聲信號(hào)，送入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和處理。

18CrNiMo7-6具有良好的抗拉強(qiáng)度和延展性，是國(guó)內(nèi)外重載齒輪制造的常用材料，通常需經(jīng)過(guò)滲碳或滲氮處理以獲得理想的表面硬度和一定的硬化深度。其典型化學(xué)成分(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))為：C，0.15%～0.21%;Si,≤0.4%;Mn,0.5%～0.9%;Cr,1.5%～1.8%;Mo,0.25%～0.35%;Ni,1.4%～1.7%;P,≤0.025%;S,≤0.035%。

南京某齒輪制造有限公司為課題組提供了29件理化檢驗(yàn)試樣(按GB/T 3480.5-2008《直齒輪和斜齒輪承載能力計(jì)算》規(guī)定，制備φ40 mm×100 mm同質(zhì)圓柱隨齒輪成品同爐滲碳所得)，試樣外觀如圖2所示。采用洛氏硬度計(jì)和金相分析儀測(cè)得試樣的理化參數(shù)，包括碳化物含量、馬氏體含量、殘余奧氏體含量、芯部組織、芯部硬度、有效硬化層深度、表面硬度，以及晶間氧化物和非馬氏體組織尺寸等9個(gè)指標(biāo)。圖2中左側(cè)為未經(jīng)滲碳處理的圓棒試樣，右側(cè)為經(jīng)過(guò)滲碳處理的圓棒，且已切割20 mm分段用于理化參數(shù)分析。

圖2　18CrNiMo7-6圓棒試樣

圖3　集成化傳感器探頭

筆者采用MBN方法采集這批試樣的Barkhausen噪聲信號(hào)，通過(guò)特征提取及主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)法，建立材料滲碳處理后表面理化參數(shù)與MBN信號(hào)之間的關(guān)系。為了匹配試樣尺寸，將圖1中磁軛、激勵(lì)線圈以及接收線圈集成在一個(gè)鋁制外殼(長(zhǎng)×寬×高為110 mm×40 mm×10 mm)內(nèi)，成為一集成化傳感器探頭(見(jiàn)圖3)，便于夾持且屏蔽空間電場(chǎng)的干擾。

2　結(jié)果與討論

采用圖1所示的檢測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)企業(yè)提供的試樣，分別對(duì)其采集巴克豪森噪聲，得到的典型信號(hào)如圖4所示(含濾波后MBN信號(hào)及其對(duì)應(yīng)的包絡(luò)線)。

圖4　18CrNiMo7-6試樣表面的MBN信號(hào)

根據(jù)MBN信號(hào)及其包絡(luò)線計(jì)算出均方根、均值、振鈴、峰值、峰寬比和延遲時(shí)間等常用特征值，將相同編號(hào)的試樣金相分析和硬度檢測(cè)所得的理化參數(shù)與MBN信號(hào)特征值對(duì)應(yīng)。分析發(fā)現(xiàn)，18CrNiMo7-6材料表面MBN信號(hào)的各特征值與表面硬度、有效硬化層深度，以及微觀組織結(jié)構(gòu)等理化參數(shù)均無(wú)單調(diào)對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而無(wú)法直接用單個(gè)特征值來(lái)評(píng)估某一理化參數(shù)的大小與變化。經(jīng)計(jì)算，材料的不同理化參數(shù)與MBN信號(hào)特征值之間的互相關(guān)系數(shù)明顯偏低，如表1所示。雖然振鈴和延遲時(shí)間特征值與馬氏體及殘余奧氏體的相關(guān)系數(shù)均超過(guò)0.5，然而這兩個(gè)特征值的提取均與閾值的選取關(guān)系密切；且隨著馬氏體或殘余奧氏體含量的增加，振鈴和延遲時(shí)間都呈現(xiàn)明顯的非單調(diào)特征，因此以其作為評(píng)估馬氏體及殘余奧氏體的指標(biāo)，在工程應(yīng)用中難度較大。

表1　18CrNiMo7-6滲碳理化參數(shù)與MBN信號(hào)特征值的相關(guān)系數(shù)

由理論分析可知，熱處理導(dǎo)致材料微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而改變了材料的機(jī)械性能，同時(shí)，這樣的微觀結(jié)構(gòu)的變化也引起了固定外加磁場(chǎng)下MBN信號(hào)的變化，所以材料熱處理后的理化參數(shù)與MBN信號(hào)之間必然存在聯(lián)系?？紤]到MBN信號(hào)本質(zhì)上是隨機(jī)電磁脈沖信號(hào)的集合，筆者針對(duì)MBN信號(hào)多個(gè)特征值采用PCA方法[15-16]，以降維處理后的主成分評(píng)估18CrNiMo7-6的滲碳理化參數(shù)。

用MBN信號(hào)特征值構(gòu)成樣本矩陣S(29×2)，為避免個(gè)別數(shù)值大的向量“淹沒(méi)”其他向量的信息，在進(jìn)行PCA計(jì)算前首先根據(jù)式(1)對(duì)樣本矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)陣P，使其各向量的取值均在0～1之間。

(1)

[1.479 1,0.196 9,0.036 8,0.018 4,0.018 2,0.002 6]

可以看出特征值由大到小排列，前兩個(gè)特征值之和達(dá)到所有特征值之和的95%，故選取前兩個(gè)特征值對(duì)應(yīng)的特征向量構(gòu)成的模式矩陣為：

用原樣本矩陣S(29×6)與此模式矩陣C(6×2)相乘獲得新的數(shù)據(jù)矩陣A(29×2)，完成對(duì)原樣本矩陣的降維。矩陣A的兩個(gè)列向量即為主成分PC1和PC2，繪制主成分PC1、PC2與18CrNiMo7-6滲碳后的表面硬度及有效硬化層深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5。

由圖5可以看出，隨著材料表面硬度增加，PC1和PC2均無(wú)明顯變化規(guī)律，然而有效硬化層深度與PC1、PC2的關(guān)系呈現(xiàn)兩個(gè)顯著特點(diǎn)：

① 在有效硬化層深度3 mm附近，PC1和PC2出現(xiàn)集聚(圖中圓圈區(qū)域)。

② 除上述點(diǎn)外，PC1和PC2均隨著有效硬化層深度增加而呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。

PC1和PC2與材料滲碳處理理化參數(shù)的對(duì)照見(jiàn)表2。表中：以等級(jí)1～5級(jí)描述碳化物馬氏體、殘余奧氏體、芯部組織的含量及分布形態(tài)；振鈴為一個(gè)周期的巴克豪森噪聲中，超過(guò)給定閾值的電磁脈沖的個(gè)數(shù)，不寫(xiě)量綱。不難看出圖5中PC1和PC2數(shù)值相對(duì)明顯偏高的點(diǎn)的對(duì)應(yīng)樣品，其馬氏體和殘余奧氏體含量指標(biāo)也明顯高于其他樣品。

表2　18CrNiMo7-6熱處理后理化參數(shù)與PC1、PC2對(duì)照表

圖5　18CrNiMo7-6熱處理后有效硬化層深度及表面硬度與主成分間的關(guān)系

3　結(jié)論

(1) MBN信號(hào)的均方根、均值、振鈴、峰值、峰寬比和延遲時(shí)間等特征值與18CrNiMo7-6熱處理后的理化參數(shù)沒(méi)有顯著對(duì)應(yīng)關(guān)系，因而無(wú)法用這些特征值直接對(duì)材料理化參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)估。

(2) 對(duì)MBN信號(hào)特征值應(yīng)用主成分分析法，經(jīng)過(guò)降維處理后所得的PC1和PC2均對(duì)滲碳后材料表面馬氏體及殘余奧氏體含量非常敏感。因而,可以采用MBN特征值主成分分析法，無(wú)損評(píng)估18CrNiMo7-6材料滲碳處理后的馬氏體與殘余奧氏體含量，而并不會(huì)被其他理化參數(shù)影響。

(3) 在馬氏體和殘余奧氏體含量較低的前提下，PC1和PC2隨著有效硬化層深度的增加而呈現(xiàn)遞增規(guī)律，試驗(yàn)證明對(duì)于齒輪制造企業(yè)密切關(guān)注的有效硬化層深度這一理化指標(biāo)，MBN特征值主成分分析法是行之有效的無(wú)損檢測(cè)與評(píng)估方法。

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Nondestructive Evaluation Method of Carburized 18CrNiMo7-6 Parameters Based on Principal Component Analysis

DING Song1,2,WANG Ping1,TIAN Gui-yun1

(1.School of Automation Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China;2.College of Electrical Engineering and Control Science,Nanjing Tech University,Nanjing 211816,China)

The material of heavy-load gear,18CrNiMo7-6,was carburized after manufacture. Gears could not be tested exhaustively because the physicochemical parameters of surface and sub-surface material were measured by destructive methods. This paper presented a nondestructive method based on Barkhausen effect. The common six features of MBN (Magnetic Barkhausen Noise) signal were extracted for PCA (Principal Component Analysis). The principal components from dimension reduction process were used to evaluate the martensite,residual austenite and case depth in the surface and sub-surface of carburized 18CrNiMo7-6. By evaluating some products from gear faculty,this nondestructive testing and evaluation method was proven effective for gear exhaustive test.

Carburization;Barkhausen effect;Nondestructive testing &evaluation;Principal component analysis;Case depth

2016-03-03

江蘇省研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(CXLX11_0184)

丁松(1977-)，男，博士研究生，主要從事電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究。

丁松，E-mail: dingsong@njtech.edu.cn。

10.11973/wsjc201608003

TH878;TG115.28

A

1000-6656(2016)08-0012-05