基于射頻信號反射特性的金屬塑性變形評估

尹愛軍 姚文權 任宏基 戴宗賢

1.重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶，4000442.重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶，4000443.重慶市計量質量檢測研究院第一分院，重慶，402260

基于射頻信號反射特性的金屬塑性變形評估

尹愛軍1,2姚文權2任宏基2戴宗賢3

1.重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶，4000442.重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶，4000443.重慶市計量質量檢測研究院第一分院，重慶，402260

提出了一種根據(jù)電磁特性變化對金屬塑性變形進行監(jiān)測的研究方法。首先，針對金屬試樣的電磁參數(shù)(磁導率、電導率)變化對射頻反射特性的影響進行仿真，仿真結果表明，電磁特性與射頻能量分布有著明顯的相關性。然后，通過試驗對仿真結果進行驗證，試驗結果表明，隨著塑性變形程度的加劇，反射的射頻信號強度將會逐漸減小，與仿真結果相符。

塑性變形；金屬；無損檢測；射頻

0 引言

金屬構件在加工、制造及服役過程中，受到設計載荷以及其他突發(fā)因素的作用，會不可避免地產生不同程度的塑性變形損傷。塑性變形的存在會縮短材料的疲勞壽命、降低斷裂韌性，對結構安全構成威脅[1]。因此，采用無損評價方法對塑性變形進行監(jiān)測，對金屬結構狀態(tài)的評估、剩余壽命的預測和故障的診斷具有重要意義[2-4]。

金屬塑性變形特性的評估方法有許多。OSKOOIE等[5]運用光學顯微鏡、透射電子顯微鏡和配備了電子背散射衍射探測器的場發(fā)射掃描電子顯微鏡等儀器，研究了塑性變形和雙峰晶粒結構的鋁鎂硅合金強化機理。SINGH等[6]在拉伸和壓縮模式下，對銅-鎳合金塑性變形過程中的間歇電磁輻射的實驗結果進行了研究。RAHMAN等[7]利用同步輻射X射線衍射靜態(tài)應變率鋼，研究了孿晶誘導塑性變形。VINOGRADOV等[8]利用聲發(fā)射監(jiān)測方法，研究了ZK60鎂合金在拉壓不對稱條件下的變形機理。MOROZOV等[9]研究了金屬部件的彈塑性狀態(tài)與其渦流反應之間的相關性。MORADI等[10]運用數(shù)字圖像相關法和紅外成像法研究了變形體力學。

以上檢測方法大多在實驗室條件下進行，需要昂貴復雜的檢測設備，難以實現(xiàn)在線檢測。以射頻(3 kHz～300 MHz)為基礎的電磁無損檢測方法已被廣泛研究[11-12]。這些測試方法具有很多優(yōu)點，并且都是非接觸、不需要耦合劑的檢測方法。然而，目前將射頻特性運用于金屬塑性變形的研究還比較少。本文通過仿真和實驗，提出了一種基于射頻反射特性的金屬塑性變形評估方法，通過特制的150MHz、300MHz傳感器線圈，分析了射頻信號的反射特性與金屬試樣電磁參數(shù)的變化關系，進而對其塑形變形進行了評估。

1 理論

射頻檢測實質上是研究射頻信號和介質的相互作用。當射頻信號從介質A垂直入射到導電介質B時，大部分能量被反射，受趨膚效應的影響，小部分能量進入金屬。對于導電介質B，有|ε|?|σ|，其中，ε為復介電常數(shù)，σ為電導率。則波阻抗可以表示為

(1)

式中，μ為磁導率；ω為角頻率；j2=-1。

反射系數(shù)R(ω,μ,σ)為反射波電場的振幅與入射波電場的振幅之比：

(2)

式中，ηA、ηB分別為介質A和B的波阻抗。

射頻信號在導電介質尤其是鐵磁性金屬介質中傳播時，要考慮趨膚效應的影響，趨膚深度可表示為

(3)

由式(1)～式(3)可知，對于導電介質，垂直入射的射頻信號反射特性主要受磁導率μ、電導率σ以及信號角頻率ω的影響。當射頻信號垂直入射到金屬介質表面時，大部分能量被反射，小部分能量由于趨膚效應的影響被吸收，所以本文將主要研究材料電磁參數(shù)對射頻反射特性的影響。通過對金屬試樣分別加載不同的拉力，來創(chuàng)建所需要的塑性變形狀態(tài)，產生塑性變形后的金屬試樣微觀結構狀態(tài)會發(fā)生改變，進而導致宏觀電磁參數(shù)(磁導率、電導率)發(fā)生變化。因此，可以通過研究射頻反射特性的變化來可以評估金屬塑性變形。

2 仿真

2.1 仿真模型

試樣尺寸如圖1所示，信號激勵端口同時也是信號接收端。激勵信號為高斯信號，信號頻率為100～500 MHz，主要關注150 MHz和300 MHz頻率附近的仿真結果。仿真背景參數(shù)為“Normal”，本文主要研究其反射波即散射參數(shù)(端口接收到的能量與總能量的比值)S1,1。

圖1 鋼板試樣尺寸Fig.1 Size of metal plate model

每次仿真只改變某一變量而保持其他參數(shù)不變，從而觀察該變量對反射系數(shù)的影響。一般來說，碳鋼的相對磁導率隨含碳量的增加而減小，電導率隨著含碳量的增加而增加。所以，對于45鋼而言，在鋼板電導率仿真中，相對磁導率取200，在相對磁導率仿真中，電導率取4.0 MS/m。基本仿真參數(shù)如表1所示。

表1 基本仿真參數(shù)Tab.1 General parameters

2.2 射頻反射特性與磁導率變化的關系

不同拉力作用后，鋼板試樣會發(fā)生不同程度的塑性變形，磁滯和矯頑力增加，磁飽和度降低，電磁參數(shù)發(fā)生變化。塑性變形程度的不同會導致磁導率的變化程度不同，繼而對反射系數(shù)的變化產生影響。所以，根據(jù)反射系數(shù)的變化可以推測鋼板的塑性變形程度大小。

如圖2所示，隨著試樣相對磁導率的增加，激勵端口接收到的反射能量逐漸減小。這表明相對磁導率的變化能在一定程度上影響射頻信號反射系數(shù)的變化。此外，根據(jù)式(1)、式(2)可推知，隨著磁導率的增加，波阻抗會增加，導致反射系數(shù)的減小。

圖2 磁導率仿真結果Fig.2 Results of the permeability simulation

2.3 射頻反射特性與鋼板電導率變化的關系

鋼板的塑性變形可導致其導電性能和電阻溫度系數(shù)的變化，使其阻抗發(fā)生改變，進而影響射頻的反射特性。

從圖3中可以看出，隨著試樣電導率的增大，激勵端口接收到的反射能量逐漸變大。同時，根據(jù)式(1)、式(2)可推知，隨著電導率的增加，波阻抗會減小，進而導致反射系數(shù)的增大。這表明，金屬電導率的變化和射頻反射特性具有很強的相關性，仿真結果和理論相一致。

圖3 電導率仿真結果Fig.3 Results of the electric conductivity simulation

3 實驗與討論

3.1 實驗設置與試樣

基于射頻信號的無損檢測系統(tǒng)原理如圖4所示，信號發(fā)生器產生周期性變化的交流電壓信號，經功率放大后加載到傳感器線圈(線圈也接收反射信號)。采樣頻率設置為2000 Hz。試驗過程中，保持傳感器線圈和試樣的相對位置不變以減小誤差。

圖4 試驗系統(tǒng)原理圖Fig.4 Experimental system diagram

圖5a所示為不同拉力作用后的鋼板試樣，試樣1～5的拉伸力分別為0、80 kN、90 kN、100 kN、110 kN。由圖5b可知，當拉力超過70 kN時，試樣產生塑性變形。塑性變形范圍內，拉力越大，其塑性變形程度越大，材料內部的結構和性能改變也越顯著。

(a)不同塑性變形狀態(tài)下的試樣 (b)拉力-應變曲線圖5 不同拉力作用后的金屬試樣Fig.5 Samples of different metal plate samples

3.2 實驗結果與討論

仿真中，通過散射參數(shù)S1,1來確定反射能量的大小；實驗中，通過傳感器線圈上的信號強度來反應反射能量的變化趨勢。對于傳感器線圈，反射信號的電動勢與原信號方向相反，并且會產生疊加，因此反射信號越強，檢測到的電壓越小。

由圖6可以看出，隨著鋼板試樣塑性變形程度的加劇，150 MHz、300 MHz傳感器線圈上得到的電壓信號強度都呈現(xiàn)逐漸變大的趨勢，說明傳感器線圈上反饋回來的信號強度在逐漸變小，即從鋼板試樣反射回來的能量在逐漸減小。

圖6 試驗結果 Fig.6 Results of the detection signal

為進一步分析反射信號變化的原因，探討電磁參數(shù)對射頻信號傳播特性的影響，利用阻抗分析儀和電磁巴克豪森(MBN)檢測儀進行了驗證測試，結果如圖7所示。

圖7 阻抗與巴克豪森測試結果Fig.7 Results of impedance and MBN

從圖7中可以看出，隨著試樣塑性變形程度的加劇，通過阻抗分析儀測試得到的阻抗越來越大，即電阻率在逐漸變小。MBN信號對鐵磁性材料的磁學特性、微觀結構以及應力狀態(tài)十分敏感，能夠反映出其內部微觀缺陷狀態(tài)[13-15]。從圖7中還可以看出，隨著試樣塑性變形程度的加劇，獲得的MBN信號有著明顯的變大趨勢。試件塑性變形過程中，晶間和晶內產生微觀裂紋空隙以及點陣缺陷，導致鋼板電磁參數(shù)的變化，即磁導率的增大和電導率的減小。由仿真可知，這兩個參數(shù)的變化均使得反射能量減小。試驗結果與仿真結果吻合，驗證了利用射頻信號傳播特性評估金屬塑性變形方法的可行性。

4 結語

本文提出了一種基于射頻信號反射特性、對金屬塑性變形進行評估的研究方法。對于鐵磁性材料如45鋼而言，試驗與仿真證實射頻信號反射特性與金屬的電磁參數(shù)存在著一定的相關性，隨著鋼板試樣塑性變形程度的加劇，通過傳感器線圈采集的信號強度會有明顯的變化。因此，射頻信號反射特性能夠被用來檢測金屬構件的塑形變形損傷。在以后的研究中，首先研究傳感器線圈的優(yōu)化，提高傳感器線圈的精度和穩(wěn)定性；然后提取更多的特征信息，通過參數(shù)化及量化方法來具體評估金屬的塑性變形程度。

[1] 陳洪恩，陳振茂，李勇. 基于磁噪聲和增量磁導率的塑性變形定量無損評價[J]. 無損檢測, 2012, 34(10): 12-15. CHEN Hongen，CHEN Zhenmao，LI Yong. Quantitative NDE of Plastic Deformation Based on Barkhausen Noise and Incremental Permeability[J]. Nondestructive Testing，2012, 34(10): 12-15.

[2] GAO Bin, ZHANG Hong, WOO W L, et al. Smooth Nonnegative Matrix Factorization for Defect Detection Using Microwave Nondestructive Testing and Evaluation[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2014, 63(4): 923-934.

[3] LI C，SANCHEZ R V，ZURITA G，et al. Multimodal Deep Support Vector Classification with Homologous Features and Its Application to Gearbox Fault Diagnosis[J]. Neurocomputing, 2015, 168:119-127.

[4] 張尊泉，張兵，賀其元. 金屬表面微波無損探傷方法的研究[J]. 中國機械工程，2001, 12(4): 383-385. ZHANG Zunquan, ZHANG Bing, HE Qiyuan. Study on Microwave Nondestructive Testing in Metallic Surface[J]. China Mechanical Engineering, 2001, 12(4): 383-385.

[5] OSKOOIE M S, ASGHARZADEH H, KIM H S. Microstructure Plastic Deformation and Strengthening Mechanisms of an Al-Mg-Si Alloy with a Bimodal Grain Structure[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2015, 632: 540-548.

[6] SINGH R, LAL S P, MISRA A. Correlation of Plastic Deformation Induced Intermittent Electromagnetic Radiation Characteristics with Mechanical Properties of Cu-Ni Alloys[J]. International Journal of Materials Research, 2015, 106(2): 137-150.

[7] RAHMAN K M, JONES N G, DYE D. Micromechanics of Twinning in a TWIP Steel[J]. Materials Science and Engineering A—Structural Materials Properties Microstructure and Processing, 2015, 635: 133-142.

[8] VINOGRADOV A, ORLOV D, DANYUK A, et al. Deformation Mechanisms Underlying Tension-compression Asymmetry in Magnesium Alloy ZK60 Revealed by Acoustic Emission Monitoring[J]. Materials Science and Engineering A—Structural Materials Properties Microstructure and Processing, 2015, 621: 243-251.

[9] MOROZOV M, TIAN G Y, WITHERS P J. Elastic and Plastic Strain Effects on Eddy Current Response of Aluminum Alloys[J]. Nondestructive Testing and Evaluation, 2013, 28(4): 300-312.

[10] MORADI M, BASU S, SHANKAR M R, et al. In Situ Measurement of Deformation Mechanics and Its Spatiotemporal Scaling Behavior in Equal Channel Angular Pressing[J]. Journal of Materials Research, 2015, 30(6): 798-810.

[11] LOHEZIC M, BOLLENSDORFF C, KORN M, et al. Optimized Radio-frequency Coil Setup for MR Examination of Living Isolated Rat Hearts in a Horizontal 9.4T Magnet[J]. Magnetic Resonance in Medicine, 2015, 73(6): 2398-2405.

[12] MESADRI C K, DOUKKALI A, DESCAMPS P, et al. A New Methodology for Optimal RF DFT Sensor Design[J]. International Journal of Microwave and Wireless Technologies, 2012, 4(5): 515-521.

[13] MOORTH V, SHAW B A, WILL B, et al. Evaluation of Contact Fatigue Damage on Gears Using the Magnetic Barkhausen Noise Technique[J]. Studies in Applied Electromagnetics & Mechanics, 2008, 31: 98-105.

[14] 乙曉偉. 基于疲勞性能的熱損傷磁參數(shù)表征[D]. 西安：西北工業(yè)大學，2007. YI Xiaowei. Characterizations of the Thermal Damage by Magnetic Parameters Based on Fatigue Properties[D]. Xi’an：Northwestern Polytechnical University，2007.

[15] BLAOW M, EVANS J T, SHAW B A. Magnetic Barkhausen Noise: the Influence of Microstructure and Deformation in Bending[J]. Acta Materialia, 2005, 53(B): 279-287.

(編輯 張 洋)

Evaluation of Metal Plastic Deformation Using Radio-frequency Reflection Features

YIN Aijun1,2YAO Wenquan2REN Hongji2DAI Zongxian2

1.State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control，Chongqing University,Chongqing,400044 2.The State Key Laboratory of Mechanical Transmission,Chongqing University,Chongqing,400044 3.No.1 Branch of Chongqing Academy of Metrology and Quality Inspection，Chongqing,402260

This paper proposed a method resulting from electromagnetic properties variation for metal plastic deformation monitoring. Firstly, the influences of electromagnetic parameters (permeability, conductivity) on the radio-frequency reflection features of the metal plate samples were simulated. Energy distribution of radio-frequency varies obviously due to electromagnetic properties variation according to the simulation results. Experiments were conducted to verify simulation results. The results of the experiments indicate that the reflected radio-frequency signal strength decreases with progressive plastic deformation in metal, which has been in conformity with simulations.

plastic deformation; metal; nondestructive testing; radiofrequency

2016-03-02

TH17

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.02.002

尹愛軍，男，1978年生。重慶大學機械工程學院教授。主要研究方向為無損檢測、信號處理、虛擬儀器、視覺識別。發(fā)表論文50余篇。E-mail:aijun.yin@cqu.edu.cu。姚文權，男，1991年生。重慶大學機械工程學院碩士研究生。任宏基，男，1988年生。重慶大學機械工程學院碩士研究生。戴宗賢，男，1986年生。重慶市計量質量檢測研究院第一分院工程師。