基于磁噪聲和增量磁導(dǎo)率的塑性變形定量無損評價(jià)

陳洪恩，陳振茂，李 勇，李云飛

（西安交通大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049）

機(jī)械結(jié)構(gòu)在加工制造和服役過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)不同程度的塑性變形。塑性變形的存在會降低材料的疲勞壽命、斷裂韌性等性能，對結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成威脅。因此，對機(jī)械結(jié)構(gòu)中的塑性變形進(jìn)行定量無損評價(jià)具有重要意義。文章針對機(jī)械結(jié)構(gòu)中常用的碳素鋼材料，利用近年發(fā)展起來的巴克豪森噪聲法和增量磁導(dǎo)率法，對材料磁學(xué)特性和塑性變形的相關(guān)性進(jìn)行了研究，探討了這兩種方法對碳素鋼塑性變形定量無損評價(jià)的可行性。

鐵磁性材料具有磁疇結(jié)構(gòu)。在外磁場作用下磁疇壁會發(fā)生位移或轉(zhuǎn)動。磁疇壁移動和磁疇轉(zhuǎn)動過程須不斷克服材料內(nèi)部存在的不均勻應(yīng)力、雜質(zhì)、空穴等因素造成的勢能壘，因而為非連續(xù)的、跳躍式的不可逆運(yùn)動。若將一導(dǎo)體線圈置于材料表面，并對材料施以交變磁場，則材料疇壁的不可逆跳躍將在線圈中感應(yīng)出一系列電壓脈沖信號，即為巴克豪森噪聲信號［1－3］。由于巴克豪森噪聲信號反映了材料中的微觀缺陷狀態(tài)，有望用于材料塑性變形的檢測。

圖1 增量磁導(dǎo)率概念圖

如圖1所示，對材料低頻完整磁化過程中疊加一個(gè)高頻交流磁化場，交流分量的磁導(dǎo)率即為增量磁導(dǎo)率［4－5］。增量磁導(dǎo)率為各磁化狀態(tài)的局部磁導(dǎo)率，反映了材料內(nèi)部磁特性?？紤]到材料磁特性和塑性變形的相關(guān)性，增量磁導(dǎo)率也有可能用于塑性變形的檢測。

文章針對典型碳素鋼材料，設(shè)計(jì)制作了單向拉伸試件，利用拉伸試驗(yàn)機(jī)對試件導(dǎo)入了不同程度的塑性變形。利用所開發(fā)的巴克豪森噪聲和增量磁導(dǎo)率裝置測量了相應(yīng)的噪聲信號和磁導(dǎo)率。研究了塑性變形和測量信號之間的相關(guān)性，并進(jìn)一步探討了這兩種定量無損評價(jià)方法在材料塑性變形定量評估的可行性。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)和試件

試驗(yàn)試件材料選用了核電站中常用的典型碳素鋼SS400（JIS G3101—1995）。試驗(yàn)前，試件經(jīng)去應(yīng)力退火熱處理，試件的形狀和尺寸如圖2所示。

圖2 專家參觀GE新落成的CAC

試驗(yàn)采取循環(huán)加載的方式（即對同一個(gè)試件，分多次加載得到不同程度的塑性變形）對試件引入塑性應(yīng)變，目標(biāo)塑性應(yīng)變分別為0%，1%，2%，3%，5%，7%。

巴克豪森噪聲法和增量磁導(dǎo)率法試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示，兩種測量系統(tǒng)中采用同一種磁化器和探頭，磁化器部分主要有激勵(lì)線圈和鐵芯，磁化器鐵芯材料為硅鋼片，激勵(lì)線圈繞制了5000匝。為了能夠飽和磁化被檢測材料，激勵(lì)信號選取了頻率為1Hz的正弦波。檢測探頭中包含鐵氧體鐵芯和兩個(gè)線圈，兩個(gè)線圈的匝數(shù)均為1000匝。

圖3 巴克豪森噪聲法和增量磁導(dǎo)率法試驗(yàn)檢測系統(tǒng)框圖

在巴克豪森噪聲法中，采用了探頭下部的線圈作為檢出線圈（上部的線圈由于和試件間有較大的提離，得到的信號較弱，噪聲較大）。檢測線圈輸出電壓信號經(jīng)過信號放大器放大2000倍，在通過3～160kHz的帶通濾波后輸入示波器進(jìn)行信號采集和記錄。

在增量磁導(dǎo)率法中，探頭上部的線圈作為高頻激勵(lì)線圈，下部線圈作為檢出線圈，經(jīng)過觀察比較，發(fā)現(xiàn)高頻激勵(lì)部分采用頻率5kHz的正弦波時(shí)，得到的渦流阻抗信號最強(qiáng)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 巴克豪森噪聲法

圖4 巴克豪森噪聲原始信號

巴克豪森噪聲信號經(jīng)過信號放大器和濾波器后，最終進(jìn)入示波器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。巴克豪森噪聲原始信號如圖4所示，信號中包含有較大的背景噪聲，在信號處理過程中，首先選取一個(gè)50mV的閾值來剔除環(huán)境噪聲對信號質(zhì)量的影響。按照下述公式，計(jì)算巴克豪森噪聲信號的“能量”，其中si為離散化信號的起點(diǎn)，ei為離散化信號的終點(diǎn)，u（t）為離散化信號的電壓值：

圖5為SS400試件實(shí)測塑性變形和噪聲量的相關(guān)關(guān)系圖。圖5表明，在塑性應(yīng)變＜2%時(shí)，巴克豪森噪聲信號總體能量值迅速減?。划?dāng)塑性應(yīng)變超過2%后，巴克豪森噪聲信號同樣趨于飽和，巴克豪森噪聲信號總體能量值與材料塑形應(yīng)變的關(guān)系呈一定的指數(shù)衰減關(guān)系。

圖5 巴克豪森噪聲信號與塑性變形之間的相關(guān)性

2.2 增量磁導(dǎo)率

增量磁導(dǎo)率曲線的拾取是增量磁導(dǎo)率法的技術(shù)關(guān)鍵，文章通過采用渦流檢測檢出線圈獲取增量磁導(dǎo)率曲線。圖6為通過檢測線圈得到的實(shí)部、虛部信號和激勵(lì)電流信號。以磁化磁場信號為橫軸，檢出線圈輸出電壓實(shí)部、虛部信號為縱軸，從而得到增量磁導(dǎo)率變化曲線，如圖7所示。

圖6 渦流線圈阻抗信號及激勵(lì)電流信號

碳素鋼SS400在不同程度塑性變形下的增量磁導(dǎo)率測試結(jié)果如圖8所示。圖中可見，材料中存在的塑性變形會導(dǎo)致材料增量磁導(dǎo)率的變化，增量磁導(dǎo)率曲線的形狀和大小變化細(xì)微，但不同塑性應(yīng)變所對應(yīng)的增量磁導(dǎo)率值整體上存在一定程度的增大或減小。具體為：渦流阻抗信號實(shí)部值隨塑性應(yīng)變的增大而整體增大；虛部值隨塑性變形的增大而整體減小。將增量磁導(dǎo)率曲線的初始值作為特征，探究材料增量磁導(dǎo)率隨塑性變形的變化規(guī)律（圖9）。

圖9 SS400增量磁導(dǎo)率值與塑性變形之間的關(guān)系

3 結(jié)論

在對碳素鋼材料SS400通過循環(huán)加載方式引入塑性應(yīng)變后，分別進(jìn)行了巴克豪森噪聲法和增量磁導(dǎo)率法的試驗(yàn)研究。初步測試結(jié)果表明：塑性變形會導(dǎo)致材料的某些磁學(xué)特性發(fā)生變化，兩者之間具有一定的關(guān)聯(lián)性，通過采用巴克豪森噪聲法和增量磁導(dǎo)率法對材料磁學(xué)特性變化進(jìn)行測量，以實(shí)現(xiàn)塑性變形的定量無損評價(jià)是可行的。

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