基于磁噪聲和增量磁導率的塑性變形定量無損評價

陳洪恩，陳振茂，李 勇，李云飛

（西安交通大學 機械結構強度與振動國家重點實驗室，西安 710049）

機械結構在加工制造和服役過程中，經常會出現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，對結構安全構成威脅。因此，對機械結構中的塑性變形進行定量無損評價具有重要意義。文章針對機械結構中常用的碳素鋼材料，利用近年發展起來的巴克豪森噪聲法和增量磁導率法，對材料磁學特性和塑性變形的相關性進行了研究，探討了這兩種方法對碳素鋼塑性變形定量無損評價的可行性。

鐵磁性材料具有磁疇結構。在外磁場作用下磁疇壁會發生位移或轉動。磁疇壁移動和磁疇轉動過程須不斷克服材料內部存在的不均勻應力、雜質、空穴等因素造成的勢能壘，因而為非連續的、跳躍式的不可逆運動。若將一導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，有望用于材料塑性變形的檢測。

圖1 增量磁導率概念圖

如圖1所示，對材料低頻完整磁化過程中疊加一個高頻交流磁化場，交流分量的磁導率即為增量磁導率［4－5］。增量磁導率為各磁化狀態的局部磁導率，反映了材料內部磁特性。考慮到材料磁特性和塑性變形的相關性，增量磁導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，設計制作了單向拉伸試件，利用拉伸試驗機對試件導入了不同程度的塑性變形。利用所開發的巴克豪森噪聲和增量磁導率裝置測量了相應的噪聲信號和磁導率。研究了塑性變形和測量信號之間的相關性，并進一步探討了這兩種定量無損評價方法在材料塑性變形定量評估的可行性。

1 試驗系統和試件

試驗試件材料選用了核電站中常用的典型碳素鋼SS400（JIS G3101—1995）。試驗前，試件經去應力退火熱處理，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

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

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

圖3 巴克豪森噪聲法和增量磁導率法試驗檢測系統框圖

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行信號采集和記錄。

在增量磁導率法中，探頭上部的線圈作為高頻激勵線圈，下部線圈作為檢出線圈，經過觀察比較，發現高頻激勵部分采用頻率5kHz的正弦波時，得到的渦流阻抗信號最強。

2 試驗結果及討論

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過信號放大器和濾波器后，最終進入示波器轉換為數字信號。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50mV的閾值來剔除環境噪聲對信號質量的影響。按照下述公式，計算巴克豪森噪聲信號的“能量”，其中si為離散化信號的起點，ei為離散化信號的終點，u（t）為離散化信號的電壓值：

圖5為SS400試件實測塑性變形和噪聲量的相關關系圖。圖5表明，在塑性應變＜2%時，巴克豪森噪聲信號總體能量值迅速減小；當塑性應變超過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變的關系呈一定的指數衰減關系。

圖5 巴克豪森噪聲信號與塑性變形之間的相關性

2.2 增量磁導率

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

圖6 渦流線圈阻抗信號及激勵電流信號

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

圖9 SS400增量磁導率值與塑性變形之間的關系

3 結論

在對碳素鋼材料SS400通過循環加載方式引入塑性應變后，分別進行了巴克豪森噪聲法和增量磁導率法的試驗研究。初步測試結果表明：塑性變形會導致材料的某些磁學特性發生變化，兩者之間具有一定的關聯性，通過采用巴克豪森噪聲法和增量磁導率法對材料磁學特性變化進行測量，以實現塑性變形的定量無損評價是可行的。

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