， ，， ，，

(1.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；2.陸軍裝甲兵學(xué)院 裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072)

鐵磁性材料在機(jī)械裝置、電力運(yùn)輸設(shè)備、儀器儀表和建筑等行業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用。鐵磁性材料在使用過(guò)程中受力復(fù)雜，容易產(chǎn)生局部應(yīng)力集中而導(dǎo)致局部塑性變形，長(zhǎng)期使用會(huì)產(chǎn)生疲勞損傷，影響材料的力學(xué)性能和使用壽命。目前,檢測(cè)材料殘余應(yīng)力的技術(shù)還有待突破。巴克豪森噪聲法是一種新型的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，具有信號(hào)特征顯著，檢測(cè)手段簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。SRIDHARAN等[1]將研磨溫度模型與MBN噪聲分析法進(jìn)行結(jié)合，對(duì)軸承鋼表面的熱損傷程度進(jìn)行預(yù)測(cè)，研究表明通過(guò)將研磨區(qū)溫升與MBN均方根相關(guān)聯(lián)，可以非常準(zhǔn)確地檢測(cè)研磨引起的熱損傷，而不需要進(jìn)行破壞性評(píng)估和驗(yàn)證。田貴云等將MBN信號(hào)分布的偏度作為微觀結(jié)構(gòu)表征和應(yīng)力應(yīng)變測(cè)定的新特征，分析了疇壁能量和釘扎邊緣之間的距離對(duì)非線性偏斜現(xiàn)象的影響，證實(shí)了偏斜度對(duì)應(yīng)力具有更好的靈敏度[2-3]；陳立功等[4]創(chuàng)建了結(jié)合虛擬儀器技能的MBN殘余應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)，得出熱處理后的板材MBN信號(hào)強(qiáng)度有降低趨勢(shì)的結(jié)論。

筆者應(yīng)用巴克豪森噪聲法對(duì)Q235鋼進(jìn)行了應(yīng)力檢測(cè)，搭建了一套MBN信號(hào)檢測(cè)平臺(tái)，研制了基于MBN原理的檢測(cè)裝置，確定了MBN信號(hào)檢測(cè)的最優(yōu)參數(shù)，開(kāi)展了Q235鋼靜載拉伸試驗(yàn)，分析了MBN信號(hào)峰值與拉應(yīng)力的規(guī)律。

1 MBN檢測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

巴克豪森信號(hào)檢測(cè)平臺(tái)由激勵(lì)部分、檢測(cè)部分和信號(hào)處理部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。激勵(lì)部分由任意波形發(fā)生器和功率放大器共同構(gòu)成。任意波形發(fā)生器產(chǎn)生激勵(lì)交流電，功率放大器將低功率的激勵(lì)信號(hào)放大，獲得足夠磁化強(qiáng)度的交變磁場(chǎng)。信號(hào)處理部分是由差分式前置放大器、帶通濾波器和示波器組成的。差分式前置放大器對(duì)毫伏級(jí)的脈沖電壓進(jìn)行放大，帶通濾波器濾除與激勵(lì)信號(hào)同頻率的感生電壓，示波器作為信號(hào)采集裝置對(duì)巴克豪森信號(hào)進(jìn)行顯示和采集。

圖1 MBN信號(hào)檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 巴克豪森檢測(cè)探頭外觀

巴克豪森檢測(cè)探頭由U型磁軛、激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈共同組成，如圖2所示。將線徑0.71 mm的漆包線繞在U型磁軛上作為激勵(lì)線圈，并施加交變電流，感生交變磁場(chǎng)。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，在U型磁軛上繞600匝漆包線最為合適，并且需要保證繞制的漆包線之間排列緊密且螺旋方向一致。U型磁軛的材料是錳鋅鐵氧體，具有磁導(dǎo)率高、頻帶寬、磁滯回線窄而長(zhǎng)以及矯頑力低等優(yōu)點(diǎn)，能夠束縛磁力線，保證磁化場(chǎng)強(qiáng)度。將線徑0.15 mm的漆包線繞在磁環(huán)上作為檢測(cè)線圈。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證， 線圈匝數(shù)為2 000匝時(shí)，檢測(cè)線圈對(duì)脈沖電壓具有很高的靈敏度。

2 巴克豪森檢測(cè)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方案

試件材料為Q235鋼，試件規(guī)格(長(zhǎng)×寬×厚)為220 mm×50 mm×3 mm，其幾何尺寸如圖3所示。該材料主要性能參數(shù)為：屈服點(diǎn)235 MPa;抗拉強(qiáng)度375～500 MPa;伸長(zhǎng)率26%。在拉伸過(guò)程中，應(yīng)力集中最嚴(yán)重的區(qū)域處于試件的中間位置，此處所受的拉應(yīng)力最大，因此在試件的幾何中心預(yù)設(shè)一個(gè)測(cè)量點(diǎn)。此測(cè)量點(diǎn)距上下兩側(cè)的距離均為20 mm，距左右兩側(cè)的距離均為110 mm。為消除機(jī)械加工等因素對(duì)試件殘余應(yīng)力的影響，試驗(yàn)之前對(duì)試件進(jìn)行去應(yīng)力退火處理[5-6]。

圖3 試件幾何尺寸示意

試驗(yàn)所需設(shè)備為：① WDW-E100D型電子程控試驗(yàn)機(jī)；② 巴克豪森信號(hào)檢測(cè)平臺(tái)(見(jiàn)圖4)。

圖4 巴克豪森信號(hào)檢測(cè)平臺(tái)外觀

試驗(yàn)步驟為：將拉伸應(yīng)力設(shè)定為3，6，9，12，15，18，21，24，27，28 kN進(jìn)行試驗(yàn)拉伸。當(dāng)試件處于預(yù)定載荷時(shí)，采用不同波形的激勵(lì)信號(hào)磁化試件，離線測(cè)量試件幾何中心點(diǎn)的巴克豪森噪聲信號(hào)。

試件拉伸過(guò)程中，加載速度設(shè)定為0.1 mm·min-1。

2.2 優(yōu)化參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果與分析

選用不同的激勵(lì)波形、電壓以及頻率的信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，分析巴克豪森信號(hào)的峰值，確定最佳的激勵(lì)波形、電壓和頻率。

采用正弦波、三角波和方波激勵(lì)信號(hào)分別測(cè)試。當(dāng)激勵(lì)電壓為1 V時(shí)，激勵(lì)頻率由5 Hz增至50 Hz，分析頻率與信號(hào)峰值之間的關(guān)系；當(dāng)激勵(lì)頻率為35 Hz時(shí)，激勵(lì)電壓由0.5 V增至7.5 V，分析電壓與信號(hào)峰值之間的關(guān)系。試驗(yàn)后，得到的結(jié)果如圖5～10所示。

圖5 正弦波頻率與信號(hào)峰值的關(guān)系

圖6 正弦波電壓與信號(hào)峰值的關(guān)系

圖7 三角波頻率與信號(hào)峰值的關(guān)系

圖8 三角波電壓與信號(hào)峰值的關(guān)系

圖9 方波頻率與信號(hào)峰值的關(guān)系

圖10 方波電壓與信號(hào)峰值的關(guān)系

由圖5可知，當(dāng)激勵(lì)電壓為1 V時(shí)，巴克豪森信號(hào)峰值隨正弦波激勵(lì)頻率的增大而增大，并且變化梯度減小，當(dāng)頻率達(dá)到35 Hz時(shí)，信號(hào)峰值不再隨頻率的增大而增大。由圖6可知，隨著電壓的增大，巴克豪森信號(hào)峰值也在增大，在2～7.5 V之間，信號(hào)峰值的增幅較為穩(wěn)定，在5.5 V以后，隨著電壓的增大，信噪比減小，不利于巴克豪森信號(hào)的觀察。

由圖7可知，當(dāng)激勵(lì)電壓為1 V時(shí)，隨著三角波頻率的增大，巴克豪森信號(hào)峰值也在增大，并且增大的趨勢(shì)在減弱。當(dāng)頻率達(dá)到35 Hz時(shí)，信號(hào)峰值不再隨頻率的增大而增大。由圖8可知，隨著電壓的增大，巴克豪森信號(hào)峰值也在增大，并且在4 V以后，信號(hào)峰值的增幅降低，信噪比減小。在數(shù)值方面，三角波產(chǎn)生的信號(hào)峰值比正弦波產(chǎn)生信號(hào)的峰值要??；在信號(hào)特征方面，三角波產(chǎn)生的信號(hào)的信噪比比正弦波產(chǎn)生信號(hào)的信噪比更小。

由圖9可知，當(dāng)激勵(lì)電壓為1 V時(shí)，隨著方波頻率的增大，巴克豪森信號(hào)峰值減小，但是在25～30 Hz,40～45 Hz之間出現(xiàn)了反向增大。由圖10可知，隨著電壓的增大，巴克豪森信號(hào)峰值的變化呈遞增趨勢(shì)。在信號(hào)特征方面，方波產(chǎn)生的巴克豪森噪聲信號(hào)不完整，且30 Hz以后信噪比更小，但是180°的磁疇翻轉(zhuǎn)特別劇烈，產(chǎn)生的脈沖電壓強(qiáng)，中間的巴克豪森信號(hào)突兀，不利于巴克豪森信號(hào)的觀察。

交變電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)會(huì)對(duì)材料內(nèi)部的磁疇翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響，磁化過(guò)程如圖11所示。當(dāng)磁化場(chǎng)H逐漸增加時(shí)，磁化強(qiáng)度M隨之增長(zhǎng)，開(kāi)始時(shí)M增長(zhǎng)得比較遲緩，然后經(jīng)過(guò)一段急劇上升的過(guò)程，又進(jìn)入遲緩變化的階段，最終達(dá)到磁飽和，磁化曲線如ab所示；當(dāng)外磁場(chǎng)減小至0時(shí)，試件會(huì)保留一定的磁性，磁化曲線如bc所示；M減小至0的過(guò)程當(dāng)中，材料內(nèi)部發(fā)生磁疇壁位移(可逆磁化)和小跳躍的磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)(不可逆磁化)，產(chǎn)生的巴克豪森信號(hào)微弱，當(dāng)M反向增大至磁飽和時(shí)，磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)的跳躍劇烈，巴克豪森噪聲信號(hào)顯著，如cd所示；H減小至0的過(guò)程中，材料保留剩磁，如de所示。

圖11 巴克豪森噪聲與磁滯回線

通過(guò)比較正弦波、三角波和方波，發(fā)現(xiàn)正弦波與三角波產(chǎn)生的巴克豪森信號(hào)的特征類似，但正弦波產(chǎn)生的巴克豪森信號(hào)的峰值略大于三角波產(chǎn)生的巴克豪林信號(hào)的峰值。在信號(hào)特征上，方波產(chǎn)生的巴克豪森信號(hào)不完整，這種現(xiàn)象與方波的波形有關(guān)。正弦波和三角波的信號(hào)都存在由0過(guò)渡到峰值的過(guò)程，激勵(lì)電壓是有變化區(qū)間的，產(chǎn)生的外磁場(chǎng)對(duì)材料的作用是一個(gè)完整的磁滯回線的過(guò)程。這一過(guò)程中伴隨著磁疇的可逆轉(zhuǎn)動(dòng)，90°磁疇不可逆翻轉(zhuǎn)以及180°磁疇不可逆翻轉(zhuǎn)。而對(duì)于方波，外磁場(chǎng)強(qiáng)度是恒定值，在磁場(chǎng)強(qiáng)度飽和的情況下，檢測(cè)線圈感生的電脈沖大部分來(lái)源于180°的磁疇翻轉(zhuǎn)，所以感生的電脈沖很強(qiáng)，當(dāng)磁化場(chǎng)隨著激勵(lì)信號(hào)改變方向時(shí)，試件進(jìn)入退磁階段，外磁場(chǎng)強(qiáng)度迅速減弱，感生的電脈沖的電壓降低，直到磁場(chǎng)完全退去，外磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為反向飽和磁場(chǎng)。

結(jié)合對(duì)三種波形的分析，可選擇的波形有正弦波和三角波，最適宜的激勵(lì)頻率和電壓分別為35 Hz和4 V，如圖12,13所示 。

圖12 正弦波的激勵(lì)與檢測(cè)信號(hào)

圖13 三角波的激勵(lì)與檢測(cè)信號(hào)

2.3 靜載拉伸試驗(yàn)結(jié)果及分析

將檢測(cè)線圈的中心置于試件的幾何中心，并用絕緣膠帶將試件與檢測(cè)探頭固定，防止磁化過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)影響巴克豪森信號(hào)的穩(wěn)定性，檢測(cè)的數(shù)據(jù)如表1，2所示。

表1 正弦波激勵(lì)下的巴克豪森信號(hào)峰值

表2 三角波激勵(lì)下的巴克豪森信號(hào)峰值

對(duì)比分析正弦波激勵(lì)和三角波激勵(lì)產(chǎn)生的巴克豪森信號(hào)峰值與應(yīng)力的關(guān)系曲線，如圖14,15所示。

圖14 正弦波激勵(lì)下的MBN信號(hào)峰值擬合曲線

圖15 三角波激勵(lì)下的MBN信號(hào)峰值擬合曲線

試件所受的拉應(yīng)力小于屈服點(diǎn)時(shí)，巴克豪森信號(hào)峰值隨拉應(yīng)力的增大而增大，并且越靠近屈服點(diǎn)，峰值變化越劇烈；當(dāng)試件所受的拉應(yīng)力大于屈服點(diǎn)時(shí)，巴克豪森信號(hào)峰值先急劇下降，然后趨于穩(wěn)定。正弦波激勵(lì)產(chǎn)生的信號(hào)峰值大于三角波激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生的信號(hào)峰值，在屈服點(diǎn)處尤為明顯，此處正弦波產(chǎn)生的巴克豪森信號(hào)的峰值近乎于三角波產(chǎn)生的巴克豪森信號(hào)峰值的2倍。

為了研究巴克豪森信號(hào)峰值與應(yīng)力集中之間的關(guān)系，對(duì)MBN信號(hào)峰值曲線分階段進(jìn)行Gauss Amp函數(shù)和Log Normal函數(shù)的非線性擬合。Log Normal函數(shù)回歸是一種廣義的線性回歸方法，具有A2+(A1-A2)/[1+(x/x0)p]的特征方程，其中A1,A2,x0,p為待求系數(shù)?？傻贸稣也ê腿遣?lì)下的MBN信號(hào)峰值擬合曲線(塑性階段)的相關(guān)度為0.995 39和0.990 3，近乎無(wú)差異。Gauss Amp函數(shù)具有y0+A*exp{-0.5[(x-xc)/w2]}的特征方程，其中A1,A2和p為待求系數(shù)。正弦波激勵(lì)下的MBN信號(hào)峰值擬合曲線(彈性階段)的y0=2.598 34，xc=13.903 1，w=3.953 57，A=4.100 44，可見(jiàn)相關(guān)度Adjusted R-square(相關(guān)系數(shù)R2)為0.999 93，而三角波激勵(lì)下的MBN信號(hào)峰值擬合曲線(彈性階段)的相關(guān)度Adjusted R-square(相關(guān)系數(shù)R2)為0.10303,表明正弦波激勵(lì)下的MBN信號(hào)峰值(彈性階段)與拉應(yīng)力的相關(guān)性極好，因此可以選用正弦波作為激勵(lì)信號(hào)，利用MBN信號(hào)峰值遵循的Gauss Amp曲線和Log Normal曲線對(duì)應(yīng)力集中進(jìn)行定量分析。

當(dāng)鐵磁性材料受拉應(yīng)力作用時(shí)，存在由形變而引起的磁彈性能和外應(yīng)力作用而產(chǎn)生的磁應(yīng)力能[7-8]。對(duì)于磁致伸縮系數(shù)為正的Q235鋼，材料內(nèi)部的自發(fā)磁化方向趨向平行于拉應(yīng)力的方向[9-12]。從磁疇與位錯(cuò)理論來(lái)說(shuō)，在彈性變形階段，隨著拉應(yīng)力的增大，試件應(yīng)力集中的區(qū)域產(chǎn)生局部微小的変形，位錯(cuò)在一定程度上進(jìn)行增殖，并阻礙磁疇的翻轉(zhuǎn)，噪聲的峰值有所增大；當(dāng)載荷接近屈服點(diǎn)時(shí)，材料中少量的間隙原子(如碳、氮等)因?yàn)榛儼l(fā)生的應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)產(chǎn)生彈性交互作用，使它們傾向于分散到位錯(cuò)線四周，構(gòu)成偏聚氣團(tuán)，從而鎖定位錯(cuò)。此時(shí)位錯(cuò)對(duì)磁疇翻轉(zhuǎn)的阻礙作用最為強(qiáng)烈，產(chǎn)生的噪聲信號(hào)峰值最大；當(dāng)外應(yīng)力繼續(xù)增大，以位錯(cuò)、位錯(cuò)纏結(jié)以及位錯(cuò)胞形式出現(xiàn)的釘扎點(diǎn)成冪次數(shù)地迅速增加。強(qiáng)烈的釘扎作用使磁疇的有序化運(yùn)動(dòng)停止，導(dǎo)致噪聲的峰值不再增加，反而略小于未拉伸時(shí)產(chǎn)生的噪聲的峰值，直至試件斷裂。

3 結(jié)論

(1) MBN信號(hào)峰值與激勵(lì)信號(hào)的波形、頻率和電壓都有關(guān)系。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，正弦波對(duì)信號(hào)峰值的影響要優(yōu)于三角波，因此可以選用正弦波作為激勵(lì)波形；激勵(lì)信號(hào)的電壓與信號(hào)峰值呈正相關(guān)關(guān)系，參考信噪比和峰寬比，優(yōu)先選用4 V電壓；在0～50 Hz之間，信號(hào)峰值隨激勵(lì)信號(hào)頻率的增加而增加，最后趨于平緩，參考峰寬比，優(yōu)先選用35 Hz。因此，選用電壓4 V，頻率35 Hz的正弦波作為激勵(lì)信號(hào)，具有信號(hào)特征明顯，信噪比高等優(yōu)勢(shì)。

(2) 巴克豪森信號(hào)峰值隨拉應(yīng)力的增加，先增大后減小，并在屈服點(diǎn)附近達(dá)到最大值。在彈性階段，未發(fā)生明顯的變形，此時(shí)可以參照Gauss Amp函數(shù)的非線性擬合曲線進(jìn)行評(píng)估；在塑性階段，試件開(kāi)始發(fā)生塑性變形，且變形程度逐漸增加，此時(shí)可以參照Log Normal函數(shù)的非線性擬合曲線進(jìn)行評(píng)估。彈性階段和塑性階段非線性擬合曲線的相關(guān)度為0.999 93和0.995 39，擬合精度較高，達(dá)到誤差指標(biāo)的要求，上述研究表明巴克豪森信號(hào)峰值與拉應(yīng)力有良好的相關(guān)性。

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