應(yīng)用于冶金工業(yè)的電磁無損檢測技術(shù)

孫亞飛 劉振宇 孫 靜 牛品菽

(廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院機械與電子工程學(xué)院1，廣東 珠海 519090;東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室2，遼寧 沈陽 110004;東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3，遼寧 沈陽 110004;內(nèi)蒙古大學(xué)計算機學(xué)院4，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021)

0 引言

冶金工業(yè)正向自動化、高速、精益和一貫制生產(chǎn)的方向邁進，生產(chǎn)全過程的質(zhì)量預(yù)報、跟蹤和控制是冶金工業(yè)未來的主要發(fā)展方向。以鋼材鑄造、軋制、退火過程為例，通過在規(guī)定的時間內(nèi)調(diào)整鋼的顯微組織可以達到最終產(chǎn)品性能的均勻性，此時必須依靠無損測試技術(shù)才可以進行有效和精確的過程控制［1］。另外，受設(shè)備、工藝制度以及原材料等因素的影響，金屬工業(yè)生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)裂紋、氣孔、縮孔、夾渣等缺陷，同樣也需要在缺陷易產(chǎn)生工序進行在線檢測，從而實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量實時監(jiān)控。

本文從金屬顯微組織、晶粒度、化學(xué)成分、缺陷、應(yīng)力等材料屬性無損檢測的研究和應(yīng)用出發(fā)，系統(tǒng)介紹當前電磁無損檢測方法在冶金工業(yè)的研究發(fā)展現(xiàn)狀，從中歸納總結(jié)了其目前存在的問題，并提出未來應(yīng)用于冶金工業(yè)的無損檢測技術(shù)發(fā)展思路。

1 顯微組織結(jié)構(gòu)無損檢測

為保證顯微組織均勻、機械性能一致，在鋼材生產(chǎn)過程中實施精確的過程控制至關(guān)重要。如在冷卻過程中需要監(jiān)控高強度鋼第二相的演變過程，從而獲得期望的機械性能。顯微組織會影響鐵磁材料的磁性能，因此，在鋼鐵工業(yè)，可以通過檢測磁性能的變化來無損估計顯微組織的變化［2］。

1.1 渦流檢測方法的應(yīng)用

Habiby等人研究了用以確定馬氏體鋼中奧氏體體積分數(shù)的渦流檢測技術(shù)［3］，結(jié)果表明渦流技術(shù)可以快速、定量確定奧氏體體積分數(shù)。Khan等人的研究結(jié)果表明應(yīng)用渦流技術(shù)可以快速、可靠地檢測普碳鋼中的珠光體［4］。他們的另一項研究認為可以由渦流方法進行估計熱處理效果［5］，同時，他們還對采用渦流方法表征冷軋過程中的不銹鋼奧氏體變化技術(shù)進行了研究［6］，結(jié)果表明，冷軋過程中，渦流檢測信號與奧氏體含量具有線性關(guān)系;另外，沒有觀察到晶粒尺寸、殘余應(yīng)力和硬度與渦流檢測參數(shù)之間的關(guān)系。Normando等人分別利用超聲技術(shù)和渦流技術(shù)對雙相不銹鋼σ相進行檢測，研究結(jié)果表明，阻抗和超聲速率對σ相的形成敏感［7］。

1.2 Barkhausen噪聲方法的應(yīng)用

O'Sullivan等人的研究證明，在30%塑性變形時，隨著試件鐵素體的增加，Barkhausen噪聲的均方根(root mean square，RMS)幾乎呈線性增大，因此，Barkhausen噪聲可以用于確定試樣中的α'馬氏體數(shù)量，并且證明位錯密度的增加相對α'馬氏體數(shù)量來說對加工硬化的影響更大;另外在形變過程中可以應(yīng)用Barkhausen噪聲研究奧氏體向α'馬氏體轉(zhuǎn)變的機理，但Barkhausen噪聲不適用于研究加工硬化。矯頑力更適合用于加工硬化的研究［8］。O'Sullivan等人的另一項研究發(fā)現(xiàn)磁聲發(fā)射和Barkhausen噪聲與材料的的顯微組織結(jié)構(gòu)顯著相關(guān)，可以用作AISI 430鐵素體不銹鋼的顯微組織狀態(tài)無損表征方法。研究表明，磁聲發(fā)射和Barkhausen噪聲檢測參數(shù)對塑性變形敏感;同時檢測參數(shù)還是退火溫度的函數(shù)［9］。Kaplan等人研究了雙相鋼無損表征方法，結(jié)果表明，Barkhausen噪聲峰值大小可以用于雙相鋼馬氏體、鐵素體含量無損估計，Barkhausen噪聲峰位置參數(shù)對馬氏體含量不敏感［10］。

Moorthy等人的研究表明通過Barkhausen噪聲峰值和峰位置參數(shù)可以很容易地檢測到晶粒尺寸和滲碳體粒子尺寸的變化。同時Barkhausen噪聲可以用于鐵素體鋼回火過程不同階段的檢測［11］。Gür等人比較了Barkhausen噪聲和超聲方法在工業(yè)鋼材顯微結(jié)構(gòu)的檢測能力，結(jié)果表明，淬火馬氏體、回火馬氏體、細晶珠光體－鐵素體和粗晶珠光體－鐵素體對Barkhausen噪聲和超聲速度檢測參數(shù)的響應(yīng)均為逐步增加，但磁特性對顯微結(jié)構(gòu)的敏感性更高［12］。

Bükki-Deme等研究了冷軋低碳鋼顯微組織各向異性對Barkhausen噪聲的影響，結(jié)果表明平行和垂直于軋制方向的Barkhausen噪聲檢測結(jié)果明顯不同［13］。

1.3 宏觀磁性能方法的應(yīng)用

1.3.1 熱軋工序顯微組織無損檢測

Mumtaz等人的研究工作證實，可以通過磁無損檢測方法探測304奧氏體不銹鋼在高溫形變時α'馬氏體相產(chǎn)生及其存在范圍。馬氏體相變與磁參數(shù)(包括飽和磁化強度、矯頑力、磁化率)之間具有很好的相關(guān)性。飽和磁化強度隨α'馬氏體相體積分數(shù)的增加而增大，而α'馬氏體相體積分數(shù)又與溫度和塑性變形有關(guān)。Tavares等人的研究表明雙相鋼的飽和磁化強度以及磁導(dǎo)率與塑性變形程度具有相關(guān)性［15］。

1.3.2 冷軋工序顯微組織無損檢測

Hauser等人研究了電磁參數(shù)與冷軋低碳鋼壓下率的關(guān)系，結(jié)果表明，矯頑場強度隨壓下率的增加而增大［16］。Tavares等人研究證明冷軋塑性變形對于雙相不銹鋼UNS S31803的顯微結(jié)構(gòu)有很大影響，研究結(jié)果表明，磁測量方法與X射線衍射方法獲得的不同形變下馬氏體含量定量測量結(jié)果非常接近［17］。

1.3.3 熱處理工序顯微組織無損檢測

無論是感應(yīng)淬火工藝還是滲碳工藝，工件的硬化層深度測量對于熱處理工序中的質(zhì)量控制來說至關(guān)重要。

Zhang等人的研究表明，在一定強度磁場、兩種硬化方式下，當硬化層深度增加時，微分磁導(dǎo)率都會增大，但是對于感應(yīng)淬火加熱工件更敏感;兩種硬化方式下硬化層深度增加時，飽和磁化強度都會減小［18］。

Guerenu等人研究發(fā)現(xiàn)，最大磁感應(yīng)強度和最大微分磁導(dǎo)率對再結(jié)晶的開始非常敏感，其中最大微分磁導(dǎo)率可用于監(jiān)測再結(jié)晶過程。另外，矯頑場、剩磁感應(yīng)和磁滯損耗間的相關(guān)性還可用于區(qū)分回復(fù)和再結(jié)晶過程［19］。

Rumiche等人研究了普碳鋼電磁特性與顯微組織的關(guān)系，結(jié)果表明，感生磁飽和度與鋼材鐵素體含量、晶粒尺寸和硬度相關(guān);當試樣橫截面面積減小時，會引起飽和磁通、頑磁減小［2］。

Mészáros等人采用不同的無損磁測試方法以及機械性能測試方法研究了SAF 2507超級雙相不銹鋼的熱處理過程。該不銹鋼包含有約40%的亞穩(wěn)鐵素體，在熱處理過程中會分解為σ相和奧氏體，而這種顯微組織結(jié)構(gòu)改變強烈影響材料的機械、抗腐蝕和磁性能。因此，為進一步探究鐵素體分解過程的動力學(xué)機理，進行了磁測量的研究，研究表明，熱處理只影響鐵素體的總量，但不影響殘余鐵素體相的磁性能和顯微組織性能。另外，研究者發(fā)現(xiàn)應(yīng)用非線性諧波分析技術(shù)可以有效分析顯微組織結(jié)構(gòu)。一次諧波幅值與鐵素體相總量成正比關(guān)系;三次諧波幅值與維氏硬度和斷裂韌性具有很好的相關(guān)性［20］。

2 晶粒度無損檢測

Rivera等人研究了外加張應(yīng)力和晶粒尺寸對Barkhausen噪聲和磁滯回線的影響［21］，結(jié)果表明，Barkhausen效應(yīng)幅值隨外加應(yīng)力增加到最大值之后開始逐漸減小，同時細晶粒的Barkhausen效應(yīng)幅值遠大于對粗晶粒材料的幅值，且隨外加應(yīng)力和晶粒尺寸的增加，最大磁感應(yīng)強度均降低。

Moorthy等研究了0.22%回火普碳鋼的顯微組織特性，指出Barkhausen噪聲的產(chǎn)生與晶粒和析出相尺寸相關(guān)［11］。

Yamaura等人研究了晶粒尺寸對純鐵試樣Barkhausen噪聲的影響，證實Barkhausen噪聲與依賴于晶粒尺寸的Hall-Petch關(guān)系具有相關(guān)性［22］。

Rivera等研究了晶粒尺寸對Barkhausen噪聲和磁滯回線的影響，結(jié)果表明，加載應(yīng)力下的試樣的最大磁感應(yīng)強度隨晶粒尺寸增大而顯著減小。值得注意的是磁滯回線斜率隨晶粒尺寸增大而減小，這意味著微分磁化率隨晶粒的增大而減小，這也說明晶粒尺寸對Barkhausen噪聲和磁滯回線的影響密切相關(guān)［23］。對于亞微米顆粒直接采用磁滯效應(yīng)校準晶粒尺寸具有特殊的重要性。

Kikuchi等人的研究證實了交流磁導(dǎo)率與位錯密度和晶粒尺寸在低頻段具有很好的相關(guān)性［24］。

3 化學(xué)成分無損檢測

3.1 鋼材含碳量的無損檢測

碳作為一種重要的合金元素，在提高鋼材產(chǎn)品性能方面起著重要的作用［25－27］。相關(guān)研究廣泛應(yīng)用于鋼材的組織性能預(yù)報中。

Amiri等人將渦流技術(shù)用于檢測氣體滲碳工藝中鋼材表面的碳含量，建立了鋼材表面含碳量與不同的檢測參數(shù)(如阻抗、相位角和電壓)之間的關(guān)系。除了已有的含碳量對阻抗平面的影響之外，發(fā)現(xiàn)相位角與含碳量具有很好的線性關(guān)系［28］。

Ng等人研究了包含α鐵和滲碳體的普碳鋼中含碳量與Barkhausen噪聲檢測參數(shù)的關(guān)系［29］。結(jié)果表明，Barkhausen噪聲信號中的一些參數(shù)與普碳鋼的含碳量有關(guān)，這些參數(shù)包括半值寬度幅值(half-maximumwidth，HMW)、Barkhausen噪聲信號曲線下的面積(如均方根電壓輸出RMS、上升斜率(rising slope，RS)。

Benitez等人分析了鋼材含碳量對Barkhausen噪聲跳躍高度影響的理論模型，得到了Barkhausen平均躍遷高度［30］。

除了渦流和Barkhausen噪聲方法外，筆者等最近還開發(fā)了感應(yīng)加熱法，以在線無損檢測鋼材中的含碳量。該方法就是采用感應(yīng)加熱方式，將鋼材從室溫開始加熱，一定時間t后，測量鋼材表面溫度T，然后根據(jù)鋼材表面溫度T計算前述鋼材的含碳量C，或者是根據(jù)前后鋼材的溫度差ΔT計算前后鋼材的含碳量差值ΔC［31］。這一方法利用的是鋼材的含碳量與電阻率具有的相關(guān)性［32］。鋼材的含碳量與磁導(dǎo)率和熱導(dǎo)率也都具有相關(guān)性［33－36］，因此，根據(jù)麥克斯韋方程和焦耳效應(yīng)，可以得到不同物理性能下、相同感應(yīng)加熱條件下材料溫升不同的結(jié)果［37］。因此，加熱鋼材的表面溫度可以作為含碳量檢測的唯一參數(shù)［31］。

Burzic等人通過商用設(shè)備對彈簧鋼脫碳層深度進行了研究，結(jié)果表明，無損檢測技術(shù)與傳統(tǒng)破壞性檢測技術(shù)的檢測結(jié)果基本一致［38］。

Yin等人的研究也證明電磁方法可以無損檢測鋼棒脫碳層深度，并給出了使用電磁傳感器進行檢測的解析解［39］。

Benitez等人研究了采用特定參數(shù)區(qū)分含碳量和塑性變形兩個影響因素的變化對Barkhausen噪聲的影響，為無損檢測的工業(yè)應(yīng)用提供了可能的解決方法［40］。

3.2 其他化學(xué)成分的檢測

Panda等人研究了不同時效溫度處理后的HSLA-100鋼機械性能和磁性能的關(guān)系以及拉伸變形下試樣的磁性能。結(jié)果表明，溫度在875 K以下時，進行時效處理的試件，矯頑力隨應(yīng)變增加而減小;在875 K以上時，Cu析出量增加，對疇壁釘扎作用增強，因此矯頑力隨應(yīng)變增加而增大。由Cu的作用，作者推斷該方法將為HSLA鋼化學(xué)成分無損檢測技術(shù)的開發(fā)奠定基礎(chǔ)［41］。

4 缺陷無損檢測

無損檢測廣泛應(yīng)用于各種缺陷檢測，其中金屬材料鑄造加工過程的缺陷檢測是當今相關(guān)領(lǐng)域的研究重點之一。

Li等人利用渦流無損評價方法重構(gòu)三維缺陷輪廓，使用遺傳局部搜索算法求解優(yōu)化問題［42］。

Tian等人提出了通過多傳感器融合技術(shù)，利用主成分分析(principal component analysis，PCA)方法進行特征提取［43］。

Helifa等人對磁性鋼鐵材料表面裂紋的渦流檢測技術(shù)進行了研究［44］，研究結(jié)果表明，利用檢測缺陷可以區(qū)分提離效應(yīng)和表面裂紋的影響，同時指出可以檢測9 mm深鐵磁性材料的表面裂紋。

Yusa等人利用渦流模擬技術(shù)建立了裂紋評價計算模型，并分別對疲勞裂紋和應(yīng)力腐蝕裂紋進行了檢測［45］，研究結(jié)果表明，可以將疲勞裂紋看作是電導(dǎo)率相同或近似為零的區(qū)域，而不必考慮裂紋的精確寬度。

Shu等人采用脈沖渦流探針方法研究了表面和內(nèi)部裂紋的識別問題［46］，結(jié)果表明，改變探針的結(jié)構(gòu)可以有效檢測任意方向的裂紋。

He等人利用脈沖渦流檢測技術(shù)識別表面缺陷和內(nèi)部缺陷［47］，試驗結(jié)果表明，可以依靠上升時間作為時域特征來識別和區(qū)分不同類型的缺陷，另外還可以采用缺陷信號和無缺陷信號的交叉時間以及不同的峰值時間來區(qū)分表面缺陷和內(nèi)部缺陷。

Theodoulidis等人利用改進的邊界元法計算渦流場，使裂紋信號的計算更為快速精確［48］。

Bi等人的研究表明，由裂縫引起的磁場分布和磁性能不均勻性會隨裂縫的面積而改變。漏磁、磁滯和測量的矯頑力均對裂紋位置和裂紋面積敏感。其中測量的矯頑力首先隨裂縫區(qū)的面積增加而增大，但當裂縫區(qū)的面積增加到總橫截面積的60%以上后，測量的矯頑力隨裂縫區(qū)的面積增加而減小。另外，剩磁和裂縫區(qū)面積具有線性關(guān)系，可用于估計裂縫面積［49］。

5 應(yīng)力無損檢測

Rivera等人的研究表明應(yīng)力和晶粒尺寸會影響B(tài)arkhausen噪聲和磁滯回線。Barkhausen噪聲電壓信號會隨加載應(yīng)力的增大而增加，并達到一個最大值，之后就會隨加載應(yīng)力增大而減小;同樣當晶粒尺寸增大時，Barkhausen 噪聲電壓信號減小［23］。

Stewart等人的研究結(jié)果證實，Barkhausen噪聲檢測參數(shù)對壓應(yīng)力敏感，對張應(yīng)力不敏感［50］。

Yelbay等人的研究表明，應(yīng)用Barkhausen噪聲可以精確、快速無損檢測焊接鋼板的表面殘余應(yīng)力。但檢測信號與顯微組織具有相關(guān)性，因此，校準過程顯得至關(guān)重要［51］。

Lindgren等人研究了利用殘余應(yīng)力與巴克豪森噪聲之間的關(guān)系對雙相不銹鋼進行檢測。研究表明，巴克豪森噪聲幅值的均方根值(RMS)、最大的巴克豪森噪聲位置、半高寬度(full width half maximum)、功率譜和脈沖高度分布均可以用于表征殘余應(yīng)力;在一定程度上所有參數(shù)均受殘余應(yīng)力的影響，沒有一個參數(shù)完全獨立于其他參數(shù);用于殘余應(yīng)力檢測的最佳參數(shù)是RMS值;RMS值隨鐵素體相中總應(yīng)力(宏觀應(yīng)力+均勻微觀應(yīng)力)而變化。研究結(jié)果證明通過檢測巴克豪森噪聲可以估計雙相不銹鋼中鐵素體相的殘余應(yīng)力［52］。

Lindgren等人研究了加載應(yīng)力的雙相不銹鋼試樣的Barkhausen噪聲信號，結(jié)果表明，Barkhausen噪聲在拉伸應(yīng)力下增大，在壓應(yīng)力下下降。另外，對預(yù)應(yīng)變試樣，應(yīng)力敏感性比非應(yīng)變試樣高，特別是在加載壓應(yīng)力情況下［53］。

Takahashi等人的結(jié)果表明，對于所有材料，矯頑力隨加載應(yīng)力的增加而增大。磁化系數(shù)χC可以用一個簡單的關(guān)系表示其與磁場強度H的關(guān)系，χC=c/H3，這里系數(shù)c與位錯、晶粒尺寸有關(guān)，但與塑性變形過程無關(guān)［54］。

6 討論

通過前面的分析可以看出，為實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量全過程實時控制的目標，貫穿冶金工業(yè)全流程的相關(guān)電磁無損檢測的研究越來越廣泛和深入，尤其是在顯微組織無損檢測方面的研究內(nèi)容最為集中。如表1所示，電磁無損檢測方法主要包括渦流、Barkhausen噪聲和宏觀磁性能法。這些方法也常被用于晶粒度、化學(xué)成分、缺陷和應(yīng)力方面的研究，如表2所示。此外，新的無損檢測方法，如通過測量感應(yīng)加熱后鋼材表面溫度來檢測含碳量的方法，也正逐步得到工業(yè)應(yīng)用［31］。比較分析這些無損檢測方法和檢測對象可以發(fā)現(xiàn)當前電磁無損檢測技術(shù)存在的問題和潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。

表1 電磁無損檢測技術(shù)在顯微組織方面的研究概況Tab.1 Survey of electromagnetic nondestructive inspection technology in microstructure evaluation

表2 電磁無損檢測技術(shù)在晶粒度、化學(xué)成分、缺陷和應(yīng)力方面的研究概況Tab.2 Survey of electromagnetic nondestructive inspection technology in evaluating grain，chemical contents，defects and stress

6.1 過程檢測問題

本文所述的無損檢測方法均屬于過程檢測技術(shù)，可以表征金屬材料在熱加工、冷加工、熱處理等工序過程中材料的顯微組織以及性能在不同工藝條件下的變化情況。如可以由渦流方法估計推斷熱處理效果［5］;通過Barkhausen噪聲峰值和峰位置參數(shù)用于鐵素體鋼回火過程不同階段的檢測［11］;矯頑場、剩磁感應(yīng)和磁滯損耗間的相關(guān)性還可用于區(qū)分回復(fù)和再結(jié)晶過程［19］;磁聲發(fā)射和Barkhausen噪聲檢測參數(shù)對塑性變形敏感［9］;磁測量方法對馬氏體含量定量測量也可以用于不同形變率的估計［17］;同樣，宏觀磁性能還可以用于檢測生產(chǎn)過程中鋼材幾何尺寸的變化［2］。因此，冶金領(lǐng)域的無損檢測的研究和應(yīng)用重點是過程檢測。

另外，冶金工業(yè)過程中無損檢測的研究內(nèi)容廣泛，復(fù)雜工藝過程之下需要采用不同的檢測方法。也正因為冶金加工過程的工藝復(fù)雜性，目前的研究大多限于單一材料組織、性能的無損檢測研究，缺乏特定材料的多性能(顯微組織、晶粒度、化學(xué)成分、形變、缺陷和應(yīng)力等)無損檢測研究，更缺乏貫穿軋制、熱處理等工藝過程的無損檢測研究。

6.2 多物理參數(shù)檢測問題

目前的冶金工業(yè)無損檢測技術(shù)的研究和應(yīng)用大多限于通過單一物理參數(shù)來反映材料的組織性能狀態(tài)，但事實上，材料的某些特性可以通過不同的物理參數(shù)的相關(guān)性來得到反映。如在研究冷軋低碳鋼退火階段回復(fù)和再結(jié)晶過程中顯微組織演變無損檢測問題時，Guerenu等人就發(fā)現(xiàn)可以通過矯頑場、剩磁感應(yīng)和磁滯損耗間的相關(guān)性來區(qū)分回復(fù)和再結(jié)晶過程［19］。

另外，筆者在研究通過測量感應(yīng)加熱后鋼材表面溫度來檢測含碳量的方法時，利用了鋼材的含碳量與電阻率的相關(guān)性與磁導(dǎo)率的相關(guān)性，以及與熱導(dǎo)率的相關(guān)性［32－36］，并根據(jù)麥克斯韋方程和焦耳效應(yīng)，分析得到在物理性能不同，但感應(yīng)加熱條件相同的情況下，材料溫升不同的結(jié)果［37］。

6.3 過程無損檢測的校準問題

無損檢測儀器設(shè)備所獲得的檢測結(jié)果精度與儀器設(shè)備校準過程密切相關(guān)［38］。冶金過程工藝復(fù)雜、設(shè)備龐大，無論是標樣因素，還是過程參數(shù)的原因，傳統(tǒng)方法都難以滿足在線無損檢測儀器設(shè)備的校準需要。因此，需要研究切實可行的校準方法及標準。

7 結(jié)束語

綜上所述，可以認為電磁無損檢測技術(shù)是未來冶金工業(yè)最有前途的無損檢測技術(shù)之一。未來的研究重點應(yīng)是在顯微組織演變、形變以及溫升(降)等復(fù)雜過程下，材料物理特性的在線、無損和實時檢測。另外，由于涉及原材料原始狀況、加工溫度以及材料幾何尺寸的變化等復(fù)雜性的影響，有必要建立多檢測參數(shù)綜合分析方法，區(qū)分不同影響因素，以獲得準確、可靠的無損檢測結(jié)果。最后，應(yīng)該指出的是，在冶金過程中，材料性質(zhì)的變化實際上是材料顯微組織、力學(xué)性能在由熱能、形變等組合作用下的結(jié)果。因此，建議未來研究材料顯微組織等與材料物理性能的關(guān)系時，以建立統(tǒng)一模型為出發(fā)點，探討材料顯微組織等特性影響材料物理屬性的機理。

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