基于磁噪声和增量磁导率的塑性变形定量无损评价

陈洪恩，陈振茂，李 勇，李云飞

（西安交通大学 机械结构强度与振动国家重点实验室，西安 710049）

机械结构在加工制造和服役过程中，经常会出现不同程度的塑性变形。塑性变形的存在会降低材料的疲劳寿命、断裂韧性等性能，对结构安全构成威胁。因此，对机械结构中的塑性变形进行定量无损评价具有重要意义。文章针对机械结构中常用的碳素钢材料，利用近年发展起来的巴克豪森噪声法和增量磁导率法，对材料磁学特性和塑性变形的相关性进行了研究，探讨了这两种方法对碳素钢塑性变形定量无损评价的可行性。

铁磁性材料具有磁畴结构。在外磁场作用下磁畴壁会发生位移或转动。磁畴壁移动和磁畴转动过程须不断克服材料内部存在的不均匀应力、杂质、空穴等因素造成的势能垒，因而为非连续的、跳跃式的不可逆运动。若将一导体线圈置于材料表面，并对材料施以交变磁场，则材料畴壁的不可逆跳跃将在线圈中感应出一系列电压脉冲信号，即为巴克豪森噪声信号［1－3］。由于巴克豪森噪声信号反映了材料中的微观缺陷状态，有望用于材料塑性变形的检测。

图1 增量磁导率概念图

如图1所示，对材料低频完整磁化过程中叠加一个高频交流磁化场，交流分量的磁导率即为增量磁导率［4－5］。增量磁导率为各磁化状态的局部磁导率，反映了材料内部磁特性。考虑到材料磁特性和塑性变形的相关性，增量磁导率也有可能用于塑性变形的检测。

文章针对典型碳素钢材料，设计制作了单向拉伸试件，利用拉伸试验机对试件导入了不同程度的塑性变形。利用所开发的巴克豪森噪声和增量磁导率装置测量了相应的噪声信号和磁导率。研究了塑性变形和测量信号之间的相关性，并进一步探讨了这两种定量无损评价方法在材料塑性变形定量评估的可行性。

1 试验系统和试件

试验试件材料选用了核电站中常用的典型碳素钢SS400（JIS G3101—1995）。试验前，试件经去应力退火热处理，试件的形状和尺寸如图2所示。

图2 专家参观GE新落成的CAC

试验采取循环加载的方式（即对同一个试件，分多次加载得到不同程度的塑性变形）对试件引入塑性应变，目标塑性应变分别为0%，1%，2%，3%，5%，7%。

巴克豪森噪声法和增量磁导率法试验系统如图3所示，两种测量系统中采用同一种磁化器和探头，磁化器部分主要有激励线圈和铁芯，磁化器铁芯材料为硅钢片，激励线圈绕制了5000匝。为了能够饱和磁化被检测材料，激励信号选取了频率为1Hz的正弦波。检测探头中包含铁氧体铁芯和两个线圈，两个线圈的匝数均为1000匝。

图3 巴克豪森噪声法和增量磁导率法试验检测系统框图

在巴克豪森噪声法中，采用了探头下部的线圈作为检出线圈（上部的线圈由于和试件间有较大的提离，得到的信号较弱，噪声较大）。检测线圈输出电压信号经过信号放大器放大2000倍，在通过3～160kHz的带通滤波后输入示波器进行信号采集和记录。

在增量磁导率法中，探头上部的线圈作为高频激励线圈，下部线圈作为检出线圈，经过观察比较，发现高频激励部分采用频率5kHz的正弦波时，得到的涡流阻抗信号最强。

2 试验结果及讨论

2.1 巴克豪森噪声法

图4 巴克豪森噪声原始信号

巴克豪森噪声信号经过信号放大器和滤波器后，最终进入示波器转换为数字信号。巴克豪森噪声原始信号如图4所示，信号中包含有较大的背景噪声，在信号处理过程中，首先选取一个50mV的阈值来剔除环境噪声对信号质量的影响。按照下述公式，计算巴克豪森噪声信号的“能量”，其中si为离散化信号的起点，ei为离散化信号的终点，u（t）为离散化信号的电压值：

图5为SS400试件实测塑性变形和噪声量的相关关系图。图5表明，在塑性应变＜2%时，巴克豪森噪声信号总体能量值迅速减小；当塑性应变超过2%后，巴克豪森噪声信号同样趋于饱和，巴克豪森噪声信号总体能量值与材料塑形应变的关系呈一定的指数衰减关系。

图5 巴克豪森噪声信号与塑性变形之间的相关性

2.2 增量磁导率

增量磁导率曲线的拾取是增量磁导率法的技术关键，文章通过采用涡流检测检出线圈获取增量磁导率曲线。图6为通过检测线圈得到的实部、虚部信号和激励电流信号。以磁化磁场信号为横轴，检出线圈输出电压实部、虚部信号为纵轴，从而得到增量磁导率变化曲线，如图7所示。

图6 涡流线圈阻抗信号及激励电流信号

碳素钢SS400在不同程度塑性变形下的增量磁导率测试结果如图8所示。图中可见，材料中存在的塑性变形会导致材料增量磁导率的变化，增量磁导率曲线的形状和大小变化细微，但不同塑性应变所对应的增量磁导率值整体上存在一定程度的增大或减小。具体为：涡流阻抗信号实部值随塑性应变的增大而整体增大；虚部值随塑性变形的增大而整体减小。将增量磁导率曲线的初始值作为特征，探究材料增量磁导率随塑性变形的变化规律（图9）。

图9 SS400增量磁导率值与塑性变形之间的关系

3 结论

在对碳素钢材料SS400通过循环加载方式引入塑性应变后，分别进行了巴克豪森噪声法和增量磁导率法的试验研究。初步测试结果表明：塑性变形会导致材料的某些磁学特性发生变化，两者之间具有一定的关联性，通过采用巴克豪森噪声法和增量磁导率法对材料磁学特性变化进行测量，以实现塑性变形的定量无损评价是可行的。

［1］Dhar A，Clapham L，Atherton D L.Influence of uniaxial plastic deformation on magnetic Barkhausen noise in steel［J］.NDT ＆ E International，2001，34（8）：507－514.

［2］Pal'A J，Stupakov O，Bydzovsky J.Magnetic behavior of low－carbon steel in parallel and perpendicular direc－tions to tensile deformation［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2007，310（1）：57－62.

［3］Ping Wang，Shougao Zhu，Guiyun Tian.Stress measurement using magnetic Barkhausen noise and metal magnetic memory testing［J］.Measurement Science and Technology，2010，21（5）：1－6.

［4］Andriy Yashan，Gerd Dobmann.Measurements and semi－analytical modeling of incremental permeability using eddy current coil in the presence of magnetic hysteresis［C］.Electromagnetic Nondestructive Evaluation VI Amsterdan，Netherland：IOS Press，2002：150－157.

［5］Gerd Dobmann.Physical basics and industrial applications of 3MA－micromagnetic multiparameter microstructure and stress analysis［C］.Electromagnetic Nondestructive Evaluation（Ⅺ）Amsterdan，Netherlands，2008：18－25.