基于巴克豪森效应的铁磁性材料硬度检测

潘 立,张士晶，万 刚，邬冠华，吴 伟

(南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室, 南昌 330063)



基于巴克豪森效应的铁磁性材料硬度检测

潘 立,张士晶，万 刚，邬冠华，吴 伟

(南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室, 南昌 330063)

根据巴克豪森效应，铁磁性材料在外部交变磁场的影响下会产生周期性的噪声信号。采用该种基于巴克豪森效应的检测方法，通过检测在同等试验条件下不同硬度45钢试件接收到的巴克豪森信号，分析了信号各特征值与试件硬度的关系。试验结果表明：巴克豪森信号与硬度具有较高的相关性，巴克豪森法可用于检测铁磁性材料表面硬度。

巴克豪森效应；45钢硬度；铁磁性材料

铁磁性材料的硬度取决于其组织结构，即材料内部微观结构的变化会引起表面硬度的变化，可认为材料表面硬度是内部微观结构的外部表征。

巴克豪森效应是德国科学家巴克豪森(Barkhausen)教授于1919年发现的一种铁磁材料具有的物理特性。铁磁材料在外部交变磁场作用下，磁畴壁突然进行不可逆运动，经历某一自由行程后遇到不被磁化的夹杂、缺陷等，会被钉扎而停止运动；其在积蓄足够磁场能之后，又突然脱离钉扎物再次进行不可逆的运动直至再次被钉扎。其每一次被钉扎和突然脱离钉扎时，安放在铁磁材料表面的检测线圈中就会产生一次电脉冲，此即巴克豪森噪声。材料微观结构的变化使得内部畴壁结构及畴壁运动形式发生改变，导致材料矫顽力、磁导率等磁特征参数发生变化。微观组织的不同，最终会引起巴克豪森噪声，因此可以利用巴克豪森噪声的变化来测量材料的硬度。笔者采用45钢进行试验[1-2],通过检测在同等试验条件下不同硬度45钢试件接收到的巴克豪森信号，分析了信号各特征值与试件硬度的关系。

图1 巴克豪森检测系统框架示意

1 方法论述

1.1 巴克豪森检测系统巴克豪森检测系统框架如图1所示，其主要包括以下几个部分：磁化器、接收线圈、磁化电路(信号发生器和功率放大器)、信号调理电路以及采集卡等[3-4]。

巴克豪森检测系统的工作流程为选择信号发生器的波形类型(正弦波、三角波等)、频率及幅值参数，输出信号经过功率放大器输入至巴克豪森传感器激励线圈，为激励线圈提供稳定充足的电流。激励线圈通过磁轭为被检测工件提供交变的外加磁场，被检测工件在交变磁场的影响下产生巴克豪森效应并释放出MBN(磁巴克豪森噪声)信号，信号为接收线圈感知并感生出电压。这些幅度很小的电压信号经信号处理电路放大滤波后，由采集卡AD转换进入PC机，通过信号处理得到MBN信号的各种特征值，通过这些特征值可分析被检测铁磁材料的状态[5-6]。

1.2 噪声抑制

巴克豪森系统探头检测到的小信号常常由于电气干扰噪声、机械振动噪声等原因导致信号的信噪比低、重复性较差，故通常需要使用噪声抑制的方法对整个系统进行调整。

图2 干扰引起的噪声信号示例

电气干扰噪声与电源、功率放大器、接线的可靠性有关。电源应尽量选择开关电源，这是因为开关电源相对线性电源波纹小，提供的功率比较大，可靠性也比较高。功率放大器含有功率放大芯片，输出信号相对于MBN信号属于大信号，故应尽量将功率发大器的输出信号和MBN信号进行隔离，避免信号之间的干扰。接线的可靠性主要指端子排与导线连接的可靠性，如果它们出现虚接，MBN信号将变得杂乱无章，故试验前应确保端子与导线之间连接可靠。对于巴克豪森传感器，检测线圈应该外加屏蔽线，尽量避免外部感应电磁场的影响，图2(a)为电气干扰时的MBN信号示例。

机械振动噪声主要是由磁化器两端不平衡或者被检测工件表面的凹凸不平引起的。当磁化器外加交变电流时，磁化器开始以磁化频率振动，有时振动幅度不大，但是体现在信号上就会出现明显的尖脉冲现象，如图2(b)所示。

1.3 45钢热处理

试样由45钢加工而成，尺寸(长×宽×厚)为60 mm×30 mm×7 mm，在型号为SX2-8-10的试验电阻炉里进行热处理。在830℃淬火(盐水淬火)完成后统一进行200 ℃去应力退火4 h，空冷后对8组试样分别在150,200，250，300，350，400，500，600 ℃进行回火，保温时间均为1 h，再空冷，最终得到不同硬度的试样。试样热处理完成后，对试样进行硬度采集及巴克豪森信号检测，其中硬度采集时使用型号为HR-150A的洛氏硬度计。试验中采集的巴克豪森信号示例如图3所示。

图3 45钢试样的巴克豪森信号示例

1.4 试样淬火后硬度不均匀分析

在热处理过程中容易产生淬火后硬度不均匀的现象，经分析后发现引起该现象的原因主要有操作不规范与材料不均匀等。

操作规范性在热处理中极为重要，细小的误差便可能导致热处理失败。分析发现：在淬火过程中夹具未预热(夹具与试件温差过大)、试件入水角度、夹取工件时在空气中停留的时间、保温时间、试件在炉中摆放位置、淬火液配置等因素均会对试验结果造成影响，另外试件材料的均匀性也会对淬火后硬度的均匀性产生较大影响。

2 试验结果

试样在热处理完成后，对试样进行信号采集，由于试样硬度不是特别均匀，故每块试样选择三个测试点。待试样数据采集完成后，采用硬度计对试块进行硬度测试，同样每个试块挑选三个不同的区域进行硬度试验，可得到MBN信号特征值与试样硬度的关系，如表1所示。根据表中数据，可得到MBN信号特征值与硬度之间的关系曲线，如图4所示。

由图4分析可得，随着硬度的升高，MBN信号均值、均方根及振铃计数都随之下降，而振铃计数对硬度的变化反应最为灵敏。当材料硬化后，材料磁滞回线的斜率变小，使得MBN信号降低。当材料经过回火时材料的硬度会降低，此时MBN信号随之增大。采用巴克豪森系统对不同回火温度的试样进行信号采集，分别绘制45钢试样在不同回火温度时的MBN信号包络线，如图5所示。由不同回火温度试样的包络线的时域图谱可看出，回火温度越高时，试样的表面硬度越小，MBN信号的峰值有明显增大的趋势，并且峰值所在的位置有很大的区别。当回火温度为250 ℃时，峰值位置在整个信号的中心位置，而回火温度为600 ℃时，峰值位置在整个信号的前端，这样表征了峰值位置前移，达到峰值位置的建立时间减小。

表1 各试样MBN信号特征值与硬度的关系

图4 试样硬度与均方根、振铃计数及均值的曲线拟合

图5 45钢试样不同回火温度时的MBN信号包络线

通过对均方根、振铃数、均值等巴克豪森信号特征值与硬度做相关性分析(见表2)发现：材料硬度与均方根有较大的相关性，在0.01(双侧)上显著相关，相关系数最大，r=-0.988；振铃计数与硬度之间的相关性紧随其后，r=-0.966，在0.01(双侧)上显著相关；而均值与硬度之间的相关最低，r=-0.918。相比较可知，均方根与硬度的线性相关关系最显著。对硬度和均方根进行线性拟合，如图6所示，根据拟合曲线可得下式：

(1)

式中：R为均方根;H为硬度。

表2 硬度与MBN三种特征值的相关性

图6 试样硬度与均方根曲线拟合

3 结论

随着巴克豪森探头提离距离的增加，巴克豪森信号特征值也随之呈线性减小的趋势。随着回火温度升高，材料表面硬度逐渐减小，而巴克豪森信号特征值随之升高，其中振铃计数对硬度变化反应最为灵敏。45钢MBN信号随着硬度增大而减小。

[1] 李强,缪龙秀，王润志，等.利用巴克豪森噪声无损测量铁磁材料硬度试验研究[J].北方交通大学学报，2000,24(1):80-82.

[2] 王平,朱晓雪,田贵云,等.基于DSP的巴克豪森便携式应力检测系统的开发[J].无损检测,2012,34(11):1-4.

[3] 朱秋君.巴克豪森噪声钢轨应力检测仪的开发和研究[D].南京：南京航空航天大学,2012.

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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，硕士研究生，主要研究方向为无损检测。

潘 立，E-mail:panli_32@163.com。

10.11973/wsjc201612007

TG115.28

A

1000-6656(2016)12-0028-04