基于巴克豪森效應的鐵磁性材料硬度檢測

潘 立,張士晶，萬 剛，鄔冠華，吳 偉

(南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室, 南昌 330063)

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基于巴克豪森效應的鐵磁性材料硬度檢測

潘 立,張士晶，萬 剛，鄔冠華，吳 偉

(南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室, 南昌 330063)

根據巴克豪森效應，鐵磁性材料在外部交變磁場的影響下會產生周期性的噪聲信號。采用該種基于巴克豪森效應的檢測方法，通過檢測在同等試驗條件下不同硬度45鋼試件接收到的巴克豪森信號，分析了信號各特征值與試件硬度的關系。試驗結果表明：巴克豪森信號與硬度具有較高的相關性，巴克豪森法可用于檢測鐵磁性材料表面硬度。

巴克豪森效應；45鋼硬度；鐵磁性材料

鐵磁性材料的硬度取決于其組織結構，即材料內部微觀結構的變化會引起表面硬度的變化，可認為材料表面硬度是內部微觀結構的外部表征。

巴克豪森效應是德國科學家巴克豪森(Barkhausen)教授于1919年發現的一種鐵磁材料具有的物理特性。鐵磁材料在外部交變磁場作用下，磁疇壁突然進行不可逆運動，經歷某一自由行程后遇到不被磁化的夾雜、缺陷等，會被釘扎而停止運動；其在積蓄足夠磁場能之后，又突然脫離釘扎物再次進行不可逆的運動直至再次被釘扎。其每一次被釘扎和突然脫離釘扎時，安放在鐵磁材料表面的檢測線圈中就會產生一次電脈沖，此即巴克豪森噪聲。材料微觀結構的變化使得內部疇壁結構及疇壁運動形式發生改變，導致材料矯頑力、磁導率等磁特征參數發生變化。微觀組織的不同，最終會引起巴克豪森噪聲，因此可以利用巴克豪森噪聲的變化來測量材料的硬度。筆者采用45鋼進行試驗[1-2],通過檢測在同等試驗條件下不同硬度45鋼試件接收到的巴克豪森信號，分析了信號各特征值與試件硬度的關系。

圖1 巴克豪森檢測系統框架示意

1 方法論述

1.1 巴克豪森檢測系統巴克豪森檢測系統框架如圖1所示，其主要包括以下幾個部分：磁化器、接收線圈、磁化電路(信號發生器和功率放大器)、信號調理電路以及采集卡等[3-4]。

巴克豪森檢測系統的工作流程為選擇信號發生器的波形類型(正弦波、三角波等)、頻率及幅值參數，輸出信號經過功率放大器輸入至巴克豪森傳感器激勵線圈，為激勵線圈提供穩定充足的電流。激勵線圈通過磁軛為被檢測工件提供交變的外加磁場，被檢測工件在交變磁場的影響下產生巴克豪森效應并釋放出MBN(磁巴克豪森噪聲)信號，信號為接收線圈感知并感生出電壓。這些幅度很小的電壓信號經信號處理電路放大濾波后，由采集卡AD轉換進入PC機，通過信號處理得到MBN信號的各種特征值，通過這些特征值可分析被檢測鐵磁材料的狀態[5-6]。

1.2 噪聲抑制

巴克豪森系統探頭檢測到的小信號常常由于電氣干擾噪聲、機械振動噪聲等原因導致信號的信噪比低、重復性較差，故通常需要使用噪聲抑制的方法對整個系統進行調整。

圖2 干擾引起的噪聲信號示例

電氣干擾噪聲與電源、功率放大器、接線的可靠性有關。電源應盡量選擇開關電源，這是因為開關電源相對線性電源波紋小，提供的功率比較大，可靠性也比較高。功率放大器含有功率放大芯片，輸出信號相對于MBN信號屬于大信號，故應盡量將功率發大器的輸出信號和MBN信號進行隔離，避免信號之間的干擾。接線的可靠性主要指端子排與導線連接的可靠性，如果它們出現虛接，MBN信號將變得雜亂無章，故試驗前應確保端子與導線之間連接可靠。對于巴克豪森傳感器，檢測線圈應該外加屏蔽線，盡量避免外部感應電磁場的影響，圖2(a)為電氣干擾時的MBN信號示例。

機械振動噪聲主要是由磁化器兩端不平衡或者被檢測工件表面的凹凸不平引起的。當磁化器外加交變電流時，磁化器開始以磁化頻率振動，有時振動幅度不大，但是體現在信號上就會出現明顯的尖脈沖現象，如圖2(b)所示。

1.3 45鋼熱處理

試樣由45鋼加工而成，尺寸(長×寬×厚)為60 mm×30 mm×7 mm，在型號為SX2-8-10的試驗電阻爐里進行熱處理。在830℃淬火(鹽水淬火)完成后統一進行200 ℃去應力退火4 h，空冷后對8組試樣分別在150,200，250，300，350，400，500，600 ℃進行回火，保溫時間均為1 h，再空冷，最終得到不同硬度的試樣。試樣熱處理完成后，對試樣進行硬度采集及巴克豪森信號檢測，其中硬度采集時使用型號為HR-150A的洛氏硬度計。試驗中采集的巴克豪森信號示例如圖3所示。

圖3 45鋼試樣的巴克豪森信號示例

1.4 試樣淬火后硬度不均勻分析

在熱處理過程中容易產生淬火后硬度不均勻的現象，經分析后發現引起該現象的原因主要有操作不規范與材料不均勻等。

操作規范性在熱處理中極為重要，細小的誤差便可能導致熱處理失敗。分析發現：在淬火過程中夾具未預熱(夾具與試件溫差過大)、試件入水角度、夾取工件時在空氣中停留的時間、保溫時間、試件在爐中擺放位置、淬火液配置等因素均會對試驗結果造成影響，另外試件材料的均勻性也會對淬火后硬度的均勻性產生較大影響。

2 試驗結果

試樣在熱處理完成后，對試樣進行信號采集，由于試樣硬度不是特別均勻，故每塊試樣選擇三個測試點。待試樣數據采集完成后，采用硬度計對試塊進行硬度測試，同樣每個試塊挑選三個不同的區域進行硬度試驗，可得到MBN信號特征值與試樣硬度的關系，如表1所示。根據表中數據，可得到MBN信號特征值與硬度之間的關系曲線，如圖4所示。

由圖4分析可得，隨著硬度的升高，MBN信號均值、均方根及振鈴計數都隨之下降，而振鈴計數對硬度的變化反應最為靈敏。當材料硬化后，材料磁滯回線的斜率變小，使得MBN信號降低。當材料經過回火時材料的硬度會降低，此時MBN信號隨之增大。采用巴克豪森系統對不同回火溫度的試樣進行信號采集，分別繪制45鋼試樣在不同回火溫度時的MBN信號包絡線，如圖5所示。由不同回火溫度試樣的包絡線的時域圖譜可看出，回火溫度越高時，試樣的表面硬度越小，MBN信號的峰值有明顯增大的趨勢，并且峰值所在的位置有很大的區別。當回火溫度為250 ℃時，峰值位置在整個信號的中心位置，而回火溫度為600 ℃時，峰值位置在整個信號的前端，這樣表征了峰值位置前移，達到峰值位置的建立時間減小。

表1 各試樣MBN信號特征值與硬度的關系

圖4 試樣硬度與均方根、振鈴計數及均值的曲線擬合

圖5 45鋼試樣不同回火溫度時的MBN信號包絡線

通過對均方根、振鈴數、均值等巴克豪森信號特征值與硬度做相關性分析(見表2)發現：材料硬度與均方根有較大的相關性，在0.01(雙側)上顯著相關，相關系數最大，r=-0.988；振鈴計數與硬度之間的相關性緊隨其后，r=-0.966，在0.01(雙側)上顯著相關；而均值與硬度之間的相關最低，r=-0.918。相比較可知，均方根與硬度的線性相關關系最顯著。對硬度和均方根進行線性擬合，如圖6所示，根據擬合曲線可得下式：

(1)

式中：R為均方根;H為硬度。

表2 硬度與MBN三種特征值的相關性

圖6 試樣硬度與均方根曲線擬合

3 結論

隨著巴克豪森探頭提離距離的增加，巴克豪森信號特征值也隨之呈線性減小的趨勢。隨著回火溫度升高，材料表面硬度逐漸減小，而巴克豪森信號特征值隨之升高，其中振鈴計數對硬度變化反應最為靈敏。45鋼MBN信號隨著硬度增大而減小。

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The Detection of Ferromagnetic Material Hardness Based on Barkhausen Effect

PAN Li, ZHANG Shi-jing, WAN Gang, WU Guan-hua, WU Wei

(Key Laboratory of Nondestructive Testing, Ministry of Education, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China)

This paper proposes a new method to detect hardness of ferromagnetic materials based on the Barkhausen effect. According to Barkhausen effect，ferromagnetic material would produce periodic noise signal under the external alternating magnetic field. Through the detection of the Barkhausen signal of different hardness 45 steel test pieces under the same experimental conditions, the characteristic value of the signal and its relationship with the hardness were analyzed. Test results show that Barkhausen signal and hardness are of high correlation, and the detecting surface hardness of ferromagnetic material by Barkhausen method should be feasible.

Barkhausen effect； 45 steel hardness; Ferromagnetic material

2016-06-22

潘 立(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向為無損檢測。

潘 立，E-mail:panli_32@163.com。

10.11973/wsjc201612007

TG115.28

A

1000-6656(2016)12-0028-04