基于巴克豪森原理的Q235钢沿深度方向应力分布检测

高 铭，王 平，黄 凯，许建芹，吴 杰

（1.南京航空航天大学 自动化学院，南京210016；2.江苏省特种设备安全检验研究院，南京210035）

随着我国高速铁路的快速发展，行车密度、载重量和行车速度不断提高，而加速了铁轨的损伤［1］。我国铁路情况复杂，线路运行情况不理想，超期服役的钢轨数量大，钢轨损伤率高，因损伤造成的钢轨断裂的情况经常发生，直接对行车安全造成威胁［2］。研究表明，虽然钢轨损伤类型多样，但其早期形成都是由局部应力过大引起的，所以钢轨应力状态的检测对于高速铁路轨道的安全保障具有重大意义。

巴克毫森（MBN）方法在残余应力、材料疲劳老化状况特征提取方面得到越来越多的研究和应用，其原理为：当有外加交变磁场或应力作用时，磁畴沿其作用方向发生90°或者180°的翻转；或使磁畴壁移动，导致磁畴发生一定规则的取向，这种磁畴变化的过程使材料内部产生一系列突变、阶跃式的跳跃脉冲信号［3］。巴克豪森方法可以反应材料微观结构和应力分布等特性，并得到了全球磁无损检测联盟的认可。

目前巴克豪森噪声检测方法在实际应用中大概分为两类：通过巴克豪森噪声检测方法对残余应力进行评估以及对微观结构的变化进行评估［4］。对于铁磁性材料微观组织结构以及表面的应力分布，国内外学者进行了广泛且深入的研究［5－8］，但对于材料不同深度的应力分布，还未受到广泛关注。

笔者利用两种不同的应力平台对Q235钢施加应力，观察巴克豪森噪声信号在不同频带下特征值的变化量，进一步分析材料不同深度的应力分布情况。

1 MBN 检测方法与集肤效应

在交流电路里，均匀导体近表面不同深度的电流密度分布不均匀，电流密度随着频率的增加，将逐渐向导体的表面集中，这种现象叫集肤效应。与集肤效应相对应的是集肤深度δ，就是磁场强度随着深度的增加而快速衰减，并总是集中在导体表面，δ值表达式为：

式中：f为信号频率，Hz；σ为材料 的电导率，S·m－1；μ为材料的磁导率，H·m－1。

巴克豪森信号产生时，根据集肤效应，巴克豪森信号的传播深度主要取决于脉冲涡流的频率，以及材料本身的磁导率和电导率。具有低频分量的信号比具有高频分量的信号传播深度更深，比高频信号更容易达到被测材料的表面。放置在材料表面的传感器会接收到到达表面的巴克豪森信号。

如图1 所示［8］，只需要改变分析信号的频带fA，根据集肤效应公式，就可以得到不同深度的巴克豪森信号。

图1 巴克豪森信号渗透增益示意

2 检测系统与装置

2.1 应力拉伸及弯曲加载平台

图2（a）是应力拉伸平台实物照片，图2（b）是四点弯曲应力加载平台实物照片。

利用这两个平台可以在试件内部产生不同的应力分布，应力拉伸平台使试件在不同深度的应力均匀分布；而四点弯曲应力加载平台造成试件应力分布不均匀，应力值与深度呈线性关系，如图3所示。在试件中心线的位置应力值为零，在中心线上方为压应力，中心线下方为拉应力。

在试验中，应力拉伸平台可以通过配套软件调节应力值，给试件施加均匀的应力；四点弯曲应力加载平台则需要根据仪器示数显示，人工调节试件表面的应力值。

图2 应力拉伸平台及四点弯曲应力加载平台实物图

图3 深度和应力的关系

2.2 Q235钢试件

针对不同的试验平台尺寸，设计不同的试件尺寸形状（如图4所示），所用试件的厚度均为6mm，深度表示从测试点向下的距离。当施加180 MPa拉应力时，在应力拉伸平台的作用下，0～6 mm 深度的应力分布是均匀的，都是180 MPa。而在四点弯曲加载平台上，上表面为压应力180MPa；随着深度的增加线性减小，深度为3 mm 处的应力为0 MPa；当深度继续增加时，应力表现为拉应力，并且随着深度的增加线性增加，在下表面即深度6mm处拉应力为180 MPa。

图4 Q235试件尺寸图

Q235的化学成分分别为C 0.14%～0.19%，Mn 0.3%～0.65%，Si 0.12%～0.3%，S 不 大 于0.05%，P不大于0.045%，Cr 0.3%，Ni 0.3%，其余成分为Fe；拉伸强度为375～500 MPa，屈服点为235 MPa，伸长率为26%；相对磁导率为250，电导率为7.14×106S·m－1。

2.3 MBN 检测装置

采用实验室自行研发的巴克豪森噪声检测装置，检测系统整体结构框图如图5所示。该系统包括磁化部分和信号检测部分。信号发生器、功率放大器、激励线圈和磁轭构成了整个系统的磁化部分；检测线圈、信号调理部分、数据采集以及PC 机构成了系统的信号检测与处理部分。

图5 检测系统整体结构框图

试验均采用幅值4.4V，频率40 Hz的正弦信号作为激励信号，通过1.6 MHz的采样率采集巴克豪森噪声信号，并对频率在500kHz以内的巴克豪森信号进行分析。

3 结果分析

3.1 Q235钢拉伸应力加载试验结果分析

一共做了四组Q235试件的应力拉伸试验，并对MBN 信号进行了对比。主要分析在不同应力下MBN 信号幅值Vσ相对于0 MPa应力下MBN 信号幅值V0的变化量γV：

图6是1～4号Q235试件在不同应力下的巴克豪森噪声信号幅值的相对于0 MPa应力下MBN信号幅值的变化量γV与频率的关系。

图6 4个试件在不同应力下MBN 相对变化量与频率的关系

由于每次测量MBN 信号存在差异，为了进行定量分析，将整个500kHz的频域分成8个相邻的频带，对原始数据进行相应频带的数字滤波，表1分别列出了4 个试件在不同数字滤波频带下对应于0MPa和180MPa巴克豪森信号的均方根ψ0、ψ180，ψ的不确定度u，以及180MPa下MBN 信号的均方根相对于0MPa下MBN信号均方根的变化量γψ。

经过分析可以得出结论，随着拉应力的增加，MBN信号的幅值也有所增加，当应力发生变化时MBN低频部分的幅值相对变化量大于高频部分，说明了MBN 信号的低频部分对拉应力变化比较敏感。

表1 1～4号试件8个频带数据分析

3.2 Q235钢弯曲应力加载试验结果分析

对两个Q235试件（记为5号试件，6号试件）做了四点弯曲拉应力加载试验，分析方法和应力拉伸平台类似。图7为5号，6号试件在四点弯曲应力加载平台和3号，4号两个试件在拉伸应力加载平台中180MPa应力下MBN 信号幅值相对于0MPa下的相对变化量与MBN 频率的曲线关系。

图7 四点弯曲加载和拉伸试验的数据对比

将整个500kHz的频域，分成8个相邻的频带，对原始数据进行相应频带的数字滤波，表2中列出了4个试件不同数字滤波频带下，分别在0 MPa和180 MPa 的MBN 信 号 的 特 征 值ψ0，ψ180，以 及180 MPa下MBN 信号的特征值相对于0 MPa下的相对变化量γψ。 其中3号和4号试件是用拉伸应力加载平台加载应力的，而5号和6号试件是用四点弯曲应力加载平台加载应力的。

对比试件的不同受力情况，拉伸试件的应力分布不随深度变化，而弯曲试件的应力分布随深度的增加而减少，从表2能看出，MBN 低频信号相对变化量在四点弯曲试验中与拉伸试验相比有明显的减小，而高频部分MBN 相对变化量变化很小，因此可以推测检测到的MBN 的低频部分能够体现试件内部较深处的应力分布，而高频部分体现试件内部比较接近表面的应力分布。

4 结论

根据四组拉伸试验的对比，总结出检测到MBN 的低频信号对应力比较敏感。对比两组拉伸试验和四点弯曲加载试验，可以推测检测到的MBN 的低频部分能够体现试件内部较深处的应力分布，而高频部分体现试件内部比较接近表面的应力分布。

表2 5～6号试件8个频带数据分析

［1］ ZHAO Xue－qing，WANG Wen－jian，GUO Jun，et al.An investigation on formation characteristic of oblique crack of PD3and U71Mn rail in Guangzhou－Shenzhen railway［J］.Lubrication Engineering，2007，32（3）：35－40.

［2］ 武学春.铁轨检测车数据采集硬件电路的设计与实现［D］.太原：太原理工大学，2006.

［3］ TITTO S，OTALA M，SAYNAJAKANGAS S.Nondestructive magnetic measurement of steel grain size［J］.NDT International，1976，9（3）：117－120.

［4］ 柳玲.高速客车转向架焊接构架热点应力评定方法的研究［D］.北京：北京交通大学，2006.

［5］ YAMAURA S，FURUYA Y，WATANABE T.The effect of grain boundary microstructure on barkhausen noise in ferromagnetic materials［J］.Acta Materialia，2001，49：3019－3027.

［6］ TITTO S，OTALA M，SAYNAJAKANGAS S.Nondestructive magnetic measurement of steel grain size［J］.NDT International，1976，9（3）：117－120.

［7］ OSULLIVAN D，COTTERELL M，TANNER D A，et al.Characterisation of ferritic stainless steel by Barkhausen techniques［J］.NDT＆E International，2004，37：489－496.

［8］ GERD D，ROLF K，IRIS A，et al.Quantitative hardening－depth－measurements up to 4 mm by means of micromagentic microstructure multiparameter analysis［J］.Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation，1988，7：1471－1474.