基于電磁響應的鋼軌表面脫碳層無損檢測研究

摘 要： 高速鐵路用鋼軌在熱軋成型過程中發生表面材料組織氧化，形成脫碳層。脫碳會降低鋼軌基體強度、硬度和耐磨性，導致表面裂紋的萌生和擴展，極易引發鋼軌服役期斷裂。為尋找一種鋼軌脫碳層的無損檢測方法，該文通過COMSOL 有限元模擬與實驗研究，通過熱處理U71Mn 鋼軌試樣后不同的保溫時長得到不同的脫碳層厚度，并采用多頻電磁無損檢測技術表征，研究鋼軌鐵素體和珠光體對電磁信號的響應機制。結果表明：電磁傳感器信號可以分辨鋼軌脫碳層厚度，得到電磁傳感器信號的特征值——過零頻率與脫碳層厚度之間的關系，為鋼軌表面脫碳層實時在線監測研究提供理論支撐。

關鍵詞： 無損檢測; 電磁響應; 鋼軌脫碳層; 有限元模擬

中圖分類號： TB9; TG878 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2024）11–0167–06

0 引 言

近年來，我國高速鐵路的飛速發展對鋼軌質量和外觀尺寸的要求日益嚴苛[1-2]，鋼軌材料的強度、硬度以及耐磨性等需要適應鐵路運輸高速度、重載荷的發展要求。碳是鋼軌材料中的重要元素，鋼軌脫碳是在鋼軌熱軋成型過程中引起的表面材料組織轉變的常見現象。這是由于鋼軌溫度升高，基體中碳、鐵元素加劇氧化；當碳的氧化速率大于鐵的氧化速率時，鋼軌表面發生微觀組織變化，即珠光體結構脫碳形成鐵素體，直接影響鋼軌屈服強度。輪軌之間的滾動接觸疲勞極易在鋼軌脫碳薄弱處產生，并快速在脫碳層中擴展形成裂紋，導致鋼軌斷裂，對列車的高速運行帶來極大的安全隱患。

目前，通過預打磨的方式可將鋼軌表面脫碳層厚度控制在臨界值以內[3]，但需要快速精確的脫碳層厚度無損檢測方法為打磨維護工作提供數據支撐。材料脫碳層厚度檢測的方法主要以有損檢測為主，常用方法有金相觀察、顯微硬度測試、光譜分析法等[4-5]。金相觀察法主要是利用光學顯微鏡直接觀察試樣表面到基體的顯微組織變化。顯微硬度測量是測量在試樣橫截面上沿垂直于表面方向上的顯微硬度值的分布梯度，因脫碳層的硬度比未受影響的材料基體的硬度值低，適用于硬化或淬火條件下的材料檢測。光譜分析法則是對試樣經逐層磨削后，利用直讀光譜儀測定的碳含量，實現對脫碳層厚度的確定。上述方法對鋼軌材料結構完整性造成一定的影響，無法滿足鋼軌生產實時在線檢測的需求。

電磁無損檢測方法具有響應靈敏，檢測快捷，對材料表面顯微結構檢測精確的優點，逐步應用于工業生產實踐中[6-8]。Blaow 等[7] 利用巴克豪森噪音法對含碳量0.67% 淬火回火鋼的脫碳層進行研究，材料脫碳后MBN 信號剖面中出現一個額外的峰值，其位置和高度與脫碳層產生的鐵素體含量有關。Mercier 等[8] 利用渦流檢測技術實現對54SiCrV6 鋼在奧氏體化之后不同深度脫碳層的有效檢測。但是這兩種技術均是檢測室溫條件下脫碳層厚度。針對珠光體組織脫碳或高溫加工過程中脫碳行為的表征尚未有深入研究，電磁場與多相材料之間的相互作用，輸出電磁信號與脫碳層厚度的定量關系尚待建立。

多頻電磁無損檢測技術[9] 能夠快速檢測鋼鐵材料中不同相組成（鐵素體-奧氏體，鐵素體-珠光體）和相分數的顯微結構。許洋等[10] 設計了一種M 型傳感器，完成了對刻有人工裂紋的45#鋼板的磁導率檢測，成功地檢測了2.5 mm 表面厚度下的裂紋。佟宇等[11] 通過仿真建模渦流傳感器對傳統曲面渦流測距手段進行優化，將曲面試件測距誤差降低60% 以上。Zhu 等[12] 利用H 型多頻電磁傳感器研究鋼的電磁響應規律，建立了電磁信號與材料微觀結構中相組成和相分數之間的關系。Hao 等[13]利用環形線圈對熱處理后的316 不銹鋼管進行微觀結構表征研究，建立了脫碳層厚度與電磁信號中的過零頻率之間的線性關系，實現了脫碳層厚度的量化及預測。本文提出利用多頻電磁傳感器檢測鋼軌脫碳層的微觀結構變化，將實驗驗證與有限元模擬相結合，結果表明電磁傳感器信號與脫碳層厚度之間存在著線性關系，為鋼軌脫碳層厚度電磁無損檢測應用的研究提供了理論支撐。

1 鋼鐵材料微觀結構電磁響應機理

鋼鐵材料微觀組織變化引起材料基體磁導率和電導率的變化。多頻電磁傳感器的感應線圈對材料的磁導率和電導率變化引起的感應磁場變化具有良好的靈敏度。鋼軌在開始進行熱處理之前表面的主要組織結構為珠光體，熱處理過程中隨著碳含量的減少，鋼軌表面出現鐵素體，組織結構的變化導致電導率和磁導率會發生相應改變。在熱軋制過程中，加熱溫度高達1 250℃，材料表面的碳元素與空氣中的氧元素相結合生成CO2，使材料表面的碳含量減少，通常情況下，碳含量的變化會引起組織的變化，當碳元素含量減少為零時，材料表面的組織結構變為鐵素體。在熱處理結束后，鋼軌材料會形成鐵素體脫碳層以及以珠光體為基體的材料結構[13-14]。