基于磁巴克豪森噪聲的磁各向異性試驗評估

王麗婷，何存富，劉秀成

(北京工業大學 材料與制造學部，北京 100124)

磁各向異性是指多晶材料的磁性能隨磁場方向變化的一種現象，其在某些宏觀方向上易于磁化，最容易磁化的方向被稱為易磁化軸。影響材料磁各向異性的因素主要有晶體結構、加工工藝、微觀結構和應力狀態等。材料的宏觀磁各向異性由影響整體磁性能的所有因素共同決定[1-2]。磁各向異性測試結果可以間接反映材料的微觀結構、應力狀態等信息。大多數研究分析的磁各向異性與應力或塑性變形有關，只考慮磁力效應在這項研究中所起的主導作用[3-5]。MANH等[6]主要致力于分析與材料的晶體結構直接相關的磁晶各向異性。此外，也有學者評估了軋制加工過程中出現的磁各向異性[7-8]。

在利用材料磁性的無損檢測領域中，磁巴克豪森噪聲(MBN)是確定鐵磁性材料易磁化軸和殘余應力的最有效方法之一。MBN受磁疇和晶格缺陷的相互作用影響，多個角度、不同磁化階段的 MBN 信號可以用于表征磁晶各向異性、軋制加工引起的磁各向異性等。然而，在實際MBN測試中，MBN包絡與測量方法、檢測參數密切相關[9-10]，導致使用MBN技術的不同試驗方案評價同種材料的磁各向異性存在差異。

VASHISTA等[11]研究高頻(125 Hz)激勵和低頻(0.4 Hz)激勵對MBN包絡的影響，揭示了低頻激勵下MBN包絡形狀的變化更能反映不同微觀結構變化引起的磁化過程。PALTANEA等[12]沿與軋制方向的不同角度切割平板試件進行MBN檢測試驗，最終得到材料的易磁化軸位置僅受到磁通密度的影響，而與勵磁頻率無關的結論。MARTNEZ-ORTIZ等[13]探究了不同勵磁場強度對管線鋼易磁化軸的影響規律。由于勵磁場強度的增加涉及到不同的磁化過程，因此材料表現出不同的易磁化方向。STUPAKOV等[14]分別使用環繞試件檢測線圈和放置在試件表面的線圈研究磁化頻率對MBN包絡和頻譜的影響。

對于給定的材料，使用MBN信號進行磁各向異性測試的結果受檢測參數(如勵磁頻率、勵磁電流)、信號特征提取方法等多種因素的影響。目前的研究工作對上述影響因素的分析討論較少，筆者主要論述了影響磁各向異性的3種機制，將MBN技術應用于管線鋼、硅鋼材料的磁各向異性評價中，對比分析了勵磁頻率、勵磁電流以及不同磁化區段對磁各向異性結果的影響。

1 測量原理與方法

MBN信號是疇壁運動和磁疇旋轉的結果，在MBN包絡曲線上分別對應不同的磁化區段(見圖1)。不可逆磁疇旋轉主要發生在離開磁飽和狀態的較高工作磁場下(磁化區段1)，此時產生的MBN跳變相對較小。因此，在該區段內得到的磁各向異性結果主要與材料的平均磁晶各向異性密切相關。

不可逆的疇壁運動主要發生在磁化區段2和磁化區段3內。在矯頑力點周圍產生的MBN跳變強度較大(磁化區段2)，主要以180°疇壁運動為主要特征，其與MBN包絡的主峰一致。移動90°疇壁需要更多的能量，因此在主峰之后出現小的MBN峰值主要與90°疇壁運動相關聯。一般認為從磁化區段2和3中提取的磁各向異性結果受材料加工引起的磁各向異性的影響。

軛鐵相對于被測試件表面的取向決定其施加給被測試件的磁場方向，MBN信號實際反映了檢測線圈附近材料在特定取向的勵磁磁場下，其內部磁疇的運動規律。當被測材料是磁各向異性時，在被測試件表面不同方向測得的MBN信號特征值是不同的。將這些特征值繪制成隨角度變化的極圖形式，能用于分析材料的磁各向異性特征。

由電磁場的集膚效應可知，不同頻帶的MBN信號在材料內部傳播的距離不同，使得 MBN 信號攜帶了材料不同深度的微觀結構以及應力狀態等信息，具體表達式為

(1)

式中：f為激勵頻率；σ為電導率；μ為磁導率；δ為MBN信號的穿透深度。

激勵頻率越高，穿透深度越小，材料被磁化的范圍也就越小，引起MBN信號減弱[15]。為了獲取較強的MBN信號，選擇的勵磁頻率不宜過高(f<100 Hz)。

最大工作磁場強度主要由激勵線圈的電流、匝數、磁軛的幾何形狀以及芯材決定，其表達式為

(2)

式中：N為線圈匝數；i為激勵電流；L為有效磁路長度。

2 試驗裝置和材料

磁各向異性檢測系統外觀如圖2所示。MBN傳感器由頂部繞制約400匝勵磁線圈的U型電磁鐵和填充鐵氧體磁芯的檢測線圈構成。由上位機控制信號激勵板卡產生交變電流信號，通過功率放大器放大后進入勵磁線圈，在磁軛和樣品中形成閉合磁路產生交變磁場，變化的磁場會引起被測試件中磁疇的不連續運動或轉動，進而產生MBN信號。系統使用檢測線圈接收MBN信號，通過NI-PXIe-6376型多通道采集卡對接收到的電壓信號進行采集，并最終輸入上位機，以供后續分析和處理。在討論勵磁頻率對磁各向異性結果的影響時，使用的激勵頻率分別為1，10，20，50，100 Hz，電流為1.6 A。在討論勵磁電流對磁各向異性結果的影響時，使用的電流分別為0.4，0.8，1.2，1.6，2 ，2.4 A，頻率為20 Hz。

圖2 磁各向異性檢測系統外觀

共測試4種不同材料的鋼板，即牌號為30SQG120的取向硅鋼、牌號為B50A470的無取向硅鋼，以及牌號為X60和X70的管線鋼，4塊鋼板的尺寸(長度×寬度)均為(200 mm×200 mm)，高度分別為0.3，0.5，2，2 mm。

MBN信號對傳感器與被測試件之間的接觸條件非常敏感，為保證可重復測量條件，設計了具有等角度(10°)間隔分布的卡槽，通過手動旋轉MBN檢測傳感器并放置在對應的卡槽內，完成不同角度方向的MBN信號檢測。

3 信號處理

3.1 MBN包絡

設定垂直于鋼板軋制方向為參考方向，外加交變磁場H與參考方向的夾角為θ。以30SQG120鋼板在勵磁頻率為50 Hz，勵磁電流為1.6 A的條件下產生的試驗結果為例，說明信號處理及特征參量提取方法。利用4階巴特沃斯數字濾波器對MBN檢測線圈輸出電壓信號進行帶通濾波(10 kHz50 kHz)處理，得到不同角度的典型MBN濾波信號(見圖3)。

圖3 不同角度的典型MBN濾波信號

采用滑動平均方法對所得MBN濾波信號進行處理，計算得到MBN包絡曲線。圖4為30SQG120鋼板和X60鋼板在不同激勵頻率下的MBN包絡曲線。由圖4可以看出，兩種材料的整體MBN包絡曲線隨著勵磁頻率的增加而增加。這種變化與動態疇壁數量的增加相關聯，MBN信號主要取決于在給定勵磁場瞬間疇壁的移動距離以及疇壁移動的數量[16]。因此，隨著勵磁頻率的增加，動態疇壁的數量增加，磁化強度變化率也隨之增加，進而導致MBN峰峰值增加。

圖4 30SQG120鋼板和X60鋼板在不同激勵頻率下的MBN包絡曲線

最大工作磁場強度主要由檢測參數決定，而被測試件內部實際的磁場強度HT還與退磁場有關。勵磁頻率的增加會降低材料內部實際磁場強度HT，進而縮小磁化范圍。這與圖4中隨著勵磁頻率的增加，峰值位置向較高磁場強度移動的變化規律一致。

在不同激勵頻率下的MBN分布將同時受到HT和磁化強度變化率的影響。與硅鋼相比，管線鋼具有較強的磁化強度和較大的退磁場，使得其HT隨著勵磁頻率的增加而降低的程度更大。在管線鋼中，MBN峰峰值隨激勵頻率的增加幅值減小。

圖5為30SQG120鋼板和X60鋼板在不同勵磁電流下的MBN包絡曲線。對于取向硅鋼來說，MBN峰峰值隨勵磁電流的增加而顯著增加，這主要是因為工作磁場強度增加，使得磁化強度變化率隨之增加。管線鋼MBN峰峰值高度的變化規律與取向硅鋼的相似，但變化幅值很小。勵磁電流的增加對管線鋼的影響有限，只能在MBN跳變開始階段明顯看到MBN峰值隨勵磁電流的增加而增加。

圖5 30SQG120鋼板和X60鋼板在不同勵磁電流下的MBN包絡曲線

3.2 特征參量的提取

設定0.1 mV為MBN信號的背景噪聲閾值點，確定MBN包絡線的起點和終點，MBN信號與包絡線如圖6所示，對應圖6中的點A和點D。以75%包絡線峰值與MBN包絡線的兩個交點為界，對磁化區段進行劃分，圖6中標記的A-B、B-C和C-D分別對應磁化區段1、區段2和區段3。從這3個區段提取特征參數，具體包括：A-B區段和C-D區段，分別計算MBN均方根值RMS1和RMS2；B-C段提取主峰峰值MP。特征參量的具體提取過程和極圖的繪制已在文獻中詳細描述[17]。

圖6 MBN信號與包絡線

4 分析與討論

依據前述試驗方法，使用兩組檢測參數，對4種材料進行不同方向的MBN測試，分析勵磁頻率、勵磁電流以及磁化區段對磁各向異性結果的影響。

4.1 勵磁頻率對磁各向異性結果的影響

以30SQG120鋼板和X60鋼板中的測試結果為例，分析勵磁頻率對磁各向異性結果的影響。為消除參量量綱對圖像比對的影響，將所得MBN極圖進行歸一化處理，在30SQG120鋼板和X60鋼板中測得不同勵磁頻率下的RMS1各向異性極圖(見圖7)。

為了定量描述勵磁頻率對磁各向異性測試結果的影響，提取極圖中的長、短軸與參考方向的夾角θy和θn代表易、難磁化軸的方向角，引入無量綱比例系數k代表磁各向異性程度，其表達式為

(3)

式中：Vmax和Vmin分別為磁參量極圖中的最大值和最小值。

k值越大表示磁各向異性越強。不同勵磁頻率下測得的30SQG120鋼板和X60鋼板磁各向異性表征參數如表1所示。

表1 不同勵磁頻率下測得的30SQG120鋼板和X60鋼板磁各向異性表征參數

由表1分析可得，在取向硅鋼中，不小于20 Hz勵磁頻率下確定的易磁化方向基本處于90°附近，小于20 Hz勵磁頻率下其易磁化軸位置向右偏移10°，主要分布在80°附近。在X60管線鋼中，勵磁頻率增加基本不會改變其易磁化軸的位置。兩種材料中的難磁化軸位置隨勵磁頻率的不同波動較大。對于表征磁各向異性程度的系數k而言，取向硅鋼的k值隨勵磁頻率的增加而增幅明顯，在頻率為100 Hz時達到最大值，其系數k是頻率為1 Hz時的21倍。在X60管線鋼中，系數k的最大值出現在20 Hz頻率處，這與頻率過高(50 Hz)，磁疇轉動跟不上磁場的變化，出現一些MBN信號還沒來得及響應就被淹沒有關。在磁化區段1內提取的RMS1主要反映材料的平均磁晶各向異性。表1中結果表明：不同勵磁頻率下，由平均磁晶各向異性決定的難、易磁化軸方向角存在差異，硅鋼的磁各向異性程度隨勵磁頻率的增加而逐漸增強，管線鋼的磁各向異性程度隨勵磁頻率的增加呈現先增加后減小的變化趨勢。

改變勵磁頻率，可以得到不同深度的MBN信號。如果材料厚度方向的微觀結構不均勻，則取決于晶體結構的平均磁晶各向異性也不完全相同，進而導致材料的磁各向異性指標存在差異。盡管勵磁頻率增加會增大MBN包絡線的峰值，但并不意味著磁各向異性程度也呈現單調變化的規律。對于硅鋼材料來說，勵磁頻率越高越能反映出材料的磁各向異性程度，而在頻率為20 Hz時，管線鋼材料更適用于磁各向異性研究。

4.2 勵磁電流對磁各向異性結果的影響

以X60鋼板的測試結果為例，分析勵磁電流對磁各向異性結果的影響，為凸顯磁各向異性特征，對差值計算結果不進行歸一化處理。圖8為在不同勵磁電流下測得的RMS1各向異性極圖。由圖8可知，在不同勵磁電流下測得的RMS1極圖的形狀基本相同。表2為在X60鋼板中測得不同勵磁電流下的磁各向異性指標。

圖8 在X60鋼板中測得不同勵磁電流下的RMS1各向異性結果

表2 在X60鋼板中測得不同勵磁電流下的磁各向異性指標

結合表2中的數據可以發現，勵磁電流的增加基本不會改變管線鋼的易磁化方向，最大偏差角度僅為8.02°。這與在圖5中得出的勵磁電流增加對管線鋼MBN包絡曲線影響有限的結論相吻合。管線鋼的k值隨勵磁電流的增加呈現單調上升趨勢。在磁化區段1內提取的RMS1與被測區域內晶體結構的平均取向密切相關。盡管勵磁電流增加會產生更多的MBN信號，但并不會改變被測試件的織構方向。交變磁場增大會加大被測試件的磁各向異性程度，更能反映材料本身的織構現象。

4.3 不同磁化區段的磁各向異性

以20 Hz，1.6 A為勵磁條件，在30SQG120鋼板和X60鋼板中依據圖6劃分磁化區段。圖9為在3個磁化區段內分別提取RMS1、MP和RMS2值，并進行歸一化處理后所得的測試結果。表3列出了30SQG120鋼板和X60鋼板在不同磁化區段內的磁各向異性指標統計結果。

表3 30SQG120鋼板和X60鋼板不同磁化區段內的磁各向異性指標

圖9 30SQG120鋼板和X60鋼板不同磁化區間的各向異性結果

MBN信號是加工致磁各向異性、磁晶各向異性和應力致磁各向異性共同作用產生的結果。取向硅鋼在軋制過程中，晶體會發生嚴重變形并沿軋制方向伸長，使得織構方向接近于軋制方向，同時在晶粒的變形過程中產生殘余應力，其在軋制方向的殘余應力顯著高于垂直于軋制方向的殘余應力。在3種機制的綜合影響下，30SQG120鋼的易磁化軸與軋制方向平行。一般而言，加工致磁各向異性的權重比較大，主要會影響磁化區段2和3內提取的特征參量。特征值MP和RMS2的磁各向異性程度明顯高于RMS1的。

MBN包絡線峰峰值MP主要與較低磁場下180°疇壁運動有關。由于180°磁疇大都是沿軋制方向取向，因此MP極圖呈現出單軸各向異性，其易磁化軸平行于軋制方向。X60管線鋼中MP的磁各向異性程度明顯低于取向硅鋼的，其系數k僅為0.09。相比而言，利用RMS1極圖得到的系數k大于MP，兩者的易磁化軸間存在90°偏差。統計的RMS2極圖主要反映90°疇壁運動引起的MBN跳變。通常情況下，90°磁疇與180°磁疇相互垂直，共同組成封閉的磁疇結構，因此RMS2極圖中顯示的易磁化軸與軋制方向垂直。綜合來看，X60管線鋼中，影響材料磁各向異性程度的MBN事件主要為反向疇成核和生長以及90°疇壁運動。

5 結語

(1) 不同勵磁頻率下MBN包絡曲線變化幅度較大，對磁各向異性結果會產生不可忽略的影響。這與由勵磁頻率決定的MBN檢測深度有關。勵磁頻率越高越能反映出硅鋼材料的磁各向異性程度，而管線鋼材料在20 Hz頻率時更適用于磁各向異性研究。

(2) 在磁化區段1內提取的RMS1與材料的平均取向密切相關。勵磁電流增加不會改變材料的易磁化軸位置，建議采用較大激勵電流對材料進行磁化的。

(3) 取向硅鋼的磁各向異性最強，主要由加工致磁各向異性主導，統計參量MP和RMS2的磁各向異性程度明顯高于RMS1的。

(4) X60管線鋼中RMS1和RMS2的磁各向異性程度顯著大于MP的，影響材料磁各向異性的MBN事件為反向疇成核和生長，以及90°疇壁運動。