磁巴克豪森噪聲檢測材料疲勞的勵磁頻率優化研究

穆瑞杰，譚繼東，周進節，鄭 陽，朱雨虹

(1.中北大學機械工程學院，山西 太原 030051; 2.中國特種設備檢測研究院 國家市場監管總局無損檢測與評價重點實驗室，北京 100029)

0 引 言

鐵磁性材料由于其良好的機械性能和較低的經濟成本被廣泛地應用于各行各業中，如壓力容器、石油管道、游樂設施等。然而，結構部件在其服役期間常常承受交變應力的作用，當經歷了數萬個交變應力循環周期后，會由于疲勞損傷而突然發生結構斷裂[1]。結構部件的疲勞失效往往會引發重大安全事故，并造成巨大經濟損失。因此，對鐵磁性材料進行疲勞評估具有十分重要的意義[2-3]。

由于鐵磁性材料的磁化過程與其微觀結構密切相關[4]，使得磁巴克豪森噪聲（magnetic Barkhausen noise, MBN）檢測法在鐵磁性材料的疲勞損傷檢測過程中具有巨大的應用潛力。然而，在疲勞檢測過程中，MBN信號易受磁化場參數（如：磁化強度、勵磁頻率、勵磁波形等）的影響而發生變化，使得檢測結果的精度下降。其中，勵磁頻率作為MBN的激發源，對其進行優化設計具有十分重要的作用。

針對MBN勵磁頻率優化以及疲勞無損檢測的問題，國內外學者的研究成果主要有Moorthy[5]在探究MBN剖面的影響因素時發現：優化勵磁頻率（一般小于2 Hz）可以有效擴大MBN剖面并且可以減小相移的影響。孫俊杰[6]等人對MBN勵磁檢測傳感器進行了設計與仿真，得出隨著勵磁頻率的增加及勵磁電流的減小，試件磁感應強度大致呈現減小的趨勢。Chávez-González[7]等人建立MBN仿真模型并探究了外加磁場頻率對MBN信號的影響，通過比較實驗與仿真的結果得出當勵磁頻率在0～40 Hz范圍內變化時，試件的MBN信號幅值隨著勵磁頻率的增加而增加。Singh[8]等人研究了勵磁頻率在20～50 Hz范圍內變化時對MBN信號的影響，得出MBN均方根值隨著勵磁頻率的增加而增加。Stupakov[9]等人在勵磁頻率范圍為0～100 Hz內研究了有晶粒取向和無晶粒取向電工鋼MBN信號隨勵磁頻率的變化規律，得出無論是有取向還是無取向電工鋼，隨著勵磁頻率的增加，其MBN均方根值也隨之增加。Chang[10]等人研究了磁頻混合法在中碳鋼疲勞損傷評定中的應用。實驗結果表明，磁頻混合評價參數隨疲勞周期的變化而變化，且具有單調線性規律。因此，該方法可以用于中碳鋼的疲勞損傷評價。Grzegorz[11]提出了一種基于多參數融合的疲勞損傷評估方法，采用磁巴克豪森噪聲和交流磁化法在選定的二維區域監測鋼試件在疲勞過程的變化。最后，利用所得到的函數實現了連續疲勞損傷評估的二維圖。

盡管上述研究從不同角度討論了試件MBN信號隨勵磁頻率的變化規律以及疲勞無損檢測方法。但目前為止，未見到對MBN檢測材料疲勞時勵磁頻率優化研究。而勵磁頻率作為MBN檢測試件疲勞的激發源，其最優值決定著檢測結果精度，對采用MBN技術進行疲勞評估至關重要。為此，本文以20R鋼材料為檢測對象進行低周疲勞實驗，并且在不同勵磁頻率下對試件疲勞損傷進行MBN信號檢測，探究MBN在檢測材料疲勞時的最佳勵磁頻率。

1 磁巴克豪森噪聲（MBN）檢測材料疲勞理論

磁巴克豪森噪聲是鐵磁性材料在動態磁化過程中，因磁疇的不連續跳轉而產生的一種電壓脈沖信號[12-13]。在鐵磁性材料內部相鄰區域內，原子磁矩排列整齊、磁化方向一致的“小區域”稱為磁疇，磁疇與磁疇之間的過渡區域稱為磁疇壁，如圖1(a)所示。在對鐵磁性材料進行動態磁化時，磁疇磁矩發生轉動，磁疇壁發生移動，磁巴克豪森噪聲主要是由磁疇壁的移動而產生的。磁疇壁的移動又可分為可逆移動和不可逆移動，如圖1(b)所示，當磁化狀態處于I區時，磁場強度H較低，當外加場強退回到零時，磁感應強度B也隨之退回到零，此過程主要為磁疇壁的可逆移動；當外加場強繼續增加到II區時，磁感應強度隨磁場強度增加而快速增加，此過程發生疇壁的不可逆移動，釋放出磁巴克豪森噪聲信號；當外加場強繼續增加到III區時，主要發生磁矩轉動；當場強繼續增加，磁感應強度隨磁場強度增加不明顯，趨于飽和水平。在使用連續交變磁場磁化過程中，如圖1(c)磁滯回線所示，放大后可發現曲線為非光滑，呈階梯狀，這是由磁巴克豪森效應所引起的。

圖 1 磁巴克豪森噪聲原理圖

然而，材料在疲勞過程中，持續的塑性變形將影響磁疇轉動以及疇壁移動的難易程度，進而引起磁巴克豪森噪聲信號的變化。因此，磁巴克豪森噪聲信號與材料的疲勞狀態之間存在一定的關系。同時在疲勞檢測過程中，磁巴克豪森噪聲信號易受磁化場影響而發生變化，影響因素包括勵磁頻率、勵磁強度、勵磁波形等。其中，勵磁頻率決定著趨膚深度，本文根據不同的趨膚深度共選擇了4個勵磁頻率進行優化，不同勵磁頻率將會激勵疲勞試件不同深度的MBN信號。同時，不同勵磁頻率將改變疇壁的移動速率，導致所釋放出的磁巴克豪森信號能量不同，同時會影響檢測信號的靈敏度。因此，獲取不同磁化頻率下磁巴克豪森信號隨疲勞周期的變化規律，并選擇最優勵磁頻率對MBN進行激發，將有助于更精確的評估材料的疲勞壽命。

2 實 驗

2.1 實驗儀器系統

實驗研究首先對試件進行拉伸實驗，確定試件材料的力學性能；其次，對試件進行疲勞實驗，每間隔一定的加載次數將載荷卸載，采用不同勵磁頻率對試件進行MBN信號的測量。重復疲勞加載以及測量步驟，直到試件斷裂為止。

選取工程中廣泛應用的20R鋼材料，按圖2所示的形狀及尺寸制備拉伸試件和疲勞試件，且兩種試件必須取自同一母材。為了獲取材料的力學性能參數，拉伸試件將用于進行材料的拉伸實驗。在進行疲勞實驗前，為了消除試件剩磁對檢測結果的影響，疲勞試件需經過交流退磁器進行退磁處理。

圖 2 試件尺寸圖（單位：mm）

實驗系統主要由疲勞實驗機和MBN測量實驗系統構成，其中疲勞實驗機為SHIMADZU低頻疲勞實驗機。MBN測量實驗系統由功率放大器（功放）、前置放大器（前放）、信號發生器、數據采集器、MBN傳感器、PC端等模塊組成，如圖3(a)所示。實驗系統原理框圖如圖3(b)所示，其基本工作原理為計算機上的自研軟件控制信號發生器發射正弦激勵信號，正弦激勵信號經過功率放大器放大后到達激勵線圈，激勵線圈在U型磁軛內激勵出交變磁場，U型磁軛接觸被測試件使得磁化區感生交變磁場進而產生MBN信號。MBN接收器接收到的信號經過信號放大器放大后由數據采集器送入計算機，并由上位機軟件對信號進行處理。MBN傳感器安裝于試件正中心位置(即圖2中心線上，距離試件兩端面均為115 mm位置處)。

圖 3 實驗系統及其原理框圖

2.2 磁巴克豪森噪聲檢測疲勞實驗研究

在進行磁巴克豪噪聲測量疲勞實驗前，通過拉伸實驗結果得出20R鋼的屈服強度為299 MPa，抗拉強度為445.5 MPa。疲勞實驗采用SHIMADZU低頻疲勞實驗機，疲勞機采用頻率為15 Hz的正弦加載，應力比為0。通過多次變更載荷測試，最終確定20R鋼材料載荷為345 MPa。在進行MBN檢測試件疲勞損傷程度時，每加載間隔2 000次并將應力卸載到 0后，分別在 9 Hz、16 Hz、35 Hz、60 Hz的勵磁頻率下對試件的MBN信號進行采集。由于疲勞具有分散性，為了減小實驗誤差，對取自同一母材的3個試件進行同一疲勞實驗以及MBN信號的測量，試件編號分別為S001、S002、S003。

2.3 實驗數據處理

由于疲勞實驗為低周疲勞實驗，試件的疲勞循環次數在104～105之間，數據較大，同時由于疲勞具有分散性，不同試件的疲勞壽命存在一定的差異。為了便于試件疲勞壽命的分析和評估，將試件的疲勞壽命進行歸一化處理。假設試件未發生疲勞斷裂前所經歷的疲勞循環次數為Ni，試件疲勞斷裂時所經歷的疲勞循環次數為Nmax。則試件歸一化后的疲勞使用壽命i可由下式計算得出：

3 結果與討論

3.1 疲勞實驗結果

3個試件在發生疲勞斷裂后，其所經歷的疲勞循環次數如表1所示。疲勞壽命均在42 000～55 000次范圍內，即試件在疲勞斷裂前所經歷循環次數在104～105范圍內，屬于低周疲勞。圖4分別是3個試件發生斷裂后實物圖。從表1可以發現，試件S001、S002與S003疲勞壽命存在明顯差異。試件S001與S002之間相差11 931次，S001與S003相差 5 050次，S002與S003相差6 881次，可見S001與S002之間差異最大。造成此現象的原因是疲勞具有分散性，屬于正常的實驗誤差。

表 1 3個試件斷裂后所經歷的疲勞循環次數

圖 4 三個試件疲勞斷裂實物圖

3.2 磁巴克豪森噪聲檢測疲勞結果

在進行數據處理前，按照上文所述疲勞壽命歸一化的處理方法，分別對3個試件在疲勞斷裂前所經歷的循環次數進行歸一化處理，使其數值i在0～1之間。再利用Matlab對數據進行處理。

不同試件在不同勵磁頻率下所測得的磁巴克豪森噪聲的均方根值（MBN-RMS值）隨歸一化疲勞周期i的變化規律如圖5所示。從圖中可以發現，對于同一勵磁頻率，在鐵磁性材料疲勞進程中，MBN-RMS值隨試件疲勞損傷程度的增加而減小，此現象是由于試件在疲勞過程中不斷的受到交變應力的作用進而產生塑性變形，持續的塑性變形導致材料的微觀結構發生變化，例如位錯、滑移、微裂紋等的產生。微觀結構的變化將會阻礙磁疇的轉動以及磁疇壁的移動[14]。同時，由上文所提到的磁巴克豪森噪聲檢測材料疲勞理論部分可知，磁巴克豪森噪聲信號主要是由磁疇壁的不可逆移動而產生的。然而，疲勞所導致材料的微觀結構變化反而會阻礙磁疇壁的移動進而導致所釋放出的磁巴克豪森噪聲信號能量減小。同時，由圖5可以發現當勵磁頻率較小時，如 9 Hz、16 Hz、35 Hz，3個試件的疲勞測量結果比較分散，此現象是由疲勞的分散性造成的。當勵磁頻率達到60 Hz時，如圖5（d）所示，3個試件疲勞測量結果一致性良好。

圖 5 不同試件在不同勵磁頻率下所測得的磁巴克豪森噪聲的均方根值(MBN-RMS值)隨歸一化疲勞周期i的變化規律

綜上所述，由于疲勞具有分散性，勵磁頻率較小時，同一材料和規格尺寸的不同試件測量結果分散性大。而當選擇60 Hz較高勵磁頻率時，其測量結果一致性良好。

3個試件在不同勵磁頻率下所測得的磁巴克豪森噪聲均方根值隨歸一化疲勞周期的變化規律如圖 6所示。圖 6（a）、（b）、（c）分別是在不同勵磁頻率下試件 S001、S002、S003所測得的 MBN-RMS值隨歸一化疲勞周期的變化規律。由圖6可以發現，對于同一試件，在其疲勞進程中，MBN-RMS值隨勵磁頻率的增加而增加，此現象是由于勵磁頻率的變化改變了疇壁轉動以及磁疇壁的移動速率，勵磁頻率越大，疇壁轉動以及磁疇壁的移動速率相應增加，導致所釋放的磁巴克豪森信號能量增加。當勵磁頻率增大到一定數值時，例如從35 Hz增大到60 Hz，可以發現MBN-RMS值隨勵磁頻率變化不明顯。為了精確區分采用不同勵磁頻率對MBN評估同一試件疲勞結果的影響，本文對試件在不同勵磁頻率下所測得的MBN-RMS值的變化量進行了計算，結果如表2所示。60 Hz較高勵磁頻率下疲勞過程中磁巴克豪噪聲信號輻值平均變化量是9 Hz較低勵磁頻率時的2.2倍。因此，60 Hz較高勵磁頻率對材料的疲勞損傷程度的分辨力強。

圖 6 試件S001、S002、S003在不同勵磁頻率下所測得的MBN-RMS值隨歸一化疲勞周期的變化規律

表 2 不同勵磁頻率下所測得的MBN-RMS值的變化量 mV

4 結束語

實驗研究了MBN檢測材料疲勞時的勵磁頻率優化問題，得出以下結論：

1）在鐵磁性材料疲勞進程中，MBN-RMS值隨試件疲勞損傷程度的增加而減小。

2）勵磁頻率較小時，如 9，16，35 Hz，同一材料和規格尺寸的不同試件測量結果分散性大。而當選擇60 Hz勵磁頻率時，其測量結果一致性良好。

3）60 Hz較高勵磁頻率下疲勞過程中磁巴克豪噪聲信號幅值變化量是9 Hz較低勵磁頻率時的2.2倍。因此60 Hz較高勵磁頻率對材料的疲勞損傷程度的分辨力強。

4）采用磁巴克豪森噪聲技術進行疲勞工程檢測時，考慮到需檢測同一結構的不同位置，為減小檢測結果分散性，并獲得較高分辨力，應選擇最佳勵磁頻率。就本文研究的20R鋼材料為例，最佳勵磁頻率為60 Hz。