基于磁巴克豪森噪声的磁各向异性试验评估

王丽婷，何存富，刘秀成

(北京工业大学 材料与制造学部，北京 100124)

磁各向异性是指多晶材料的磁性能随磁场方向变化的一种现象，其在某些宏观方向上易于磁化，最容易磁化的方向被称为易磁化轴。影响材料磁各向异性的因素主要有晶体结构、加工工艺、微观结构和应力状态等。材料的宏观磁各向异性由影响整体磁性能的所有因素共同决定[1-2]。磁各向异性测试结果可以间接反映材料的微观结构、应力状态等信息。大多数研究分析的磁各向异性与应力或塑性变形有关，只考虑磁力效应在这项研究中所起的主导作用[3-5]。MANH等[6]主要致力于分析与材料的晶体结构直接相关的磁晶各向异性。此外，也有学者评估了轧制加工过程中出现的磁各向异性[7-8]。

在利用材料磁性的无损检测领域中，磁巴克豪森噪声(MBN)是确定铁磁性材料易磁化轴和残余应力的最有效方法之一。MBN受磁畴和晶格缺陷的相互作用影响，多个角度、不同磁化阶段的 MBN 信号可以用于表征磁晶各向异性、轧制加工引起的磁各向异性等。然而，在实际MBN测试中，MBN包络与测量方法、检测参数密切相关[9-10]，导致使用MBN技术的不同试验方案评价同种材料的磁各向异性存在差异。

VASHISTA等[11]研究高频(125 Hz)激励和低频(0.4 Hz)激励对MBN包络的影响，揭示了低频激励下MBN包络形状的变化更能反映不同微观结构变化引起的磁化过程。PALTANEA等[12]沿与轧制方向的不同角度切割平板试件进行MBN检测试验，最终得到材料的易磁化轴位置仅受到磁通密度的影响，而与励磁频率无关的结论。MARTNEZ-ORTIZ等[13]探究了不同励磁场强度对管线钢易磁化轴的影响规律。由于励磁场强度的增加涉及到不同的磁化过程，因此材料表现出不同的易磁化方向。STUPAKOV等[14]分别使用环绕试件检测线圈和放置在试件表面的线圈研究磁化频率对MBN包络和频谱的影响。

对于给定的材料，使用MBN信号进行磁各向异性测试的结果受检测参数(如励磁频率、励磁电流)、信号特征提取方法等多种因素的影响。目前的研究工作对上述影响因素的分析讨论较少，笔者主要论述了影响磁各向异性的3种机制，将MBN技术应用于管线钢、硅钢材料的磁各向异性评价中，对比分析了励磁频率、励磁电流以及不同磁化区段对磁各向异性结果的影响。

1 测量原理与方法

MBN信号是畴壁运动和磁畴旋转的结果，在MBN包络曲线上分别对应不同的磁化区段(见图1)。不可逆磁畴旋转主要发生在离开磁饱和状态的较高工作磁场下(磁化区段1)，此时产生的MBN跳变相对较小。因此，在该区段内得到的磁各向异性结果主要与材料的平均磁晶各向异性密切相关。

不可逆的畴壁运动主要发生在磁化区段2和磁化区段3内。在矫顽力点周围产生的MBN跳变强度较大(磁化区段2)，主要以180°畴壁运动为主要特征，其与MBN包络的主峰一致。移动90°畴壁需要更多的能量，因此在主峰之后出现小的MBN峰值主要与90°畴壁运动相关联。一般认为从磁化区段2和3中提取的磁各向异性结果受材料加工引起的磁各向异性的影响。

轭铁相对于被测试件表面的取向决定其施加给被测试件的磁场方向，MBN信号实际反映了检测线圈附近材料在特定取向的励磁磁场下，其内部磁畴的运动规律。当被测材料是磁各向异性时，在被测试件表面不同方向测得的MBN信号特征值是不同的。将这些特征值绘制成随角度变化的极图形式，能用于分析材料的磁各向异性特征。

由电磁场的集肤效应可知，不同频带的MBN信号在材料内部传播的距离不同，使得 MBN 信号携带了材料不同深度的微观结构以及应力状态等信息，具体表达式为

(1)

式中：f为激励频率；σ为电导率；μ为磁导率；δ为MBN信号的穿透深度。

激励频率越高，穿透深度越小，材料被磁化的范围也就越小，引起MBN信号减弱[15]。为了获取较强的MBN信号，选择的励磁频率不宜过高(f<100 Hz)。

最大工作磁场强度主要由激励线圈的电流、匝数、磁轭的几何形状以及芯材决定，其表达式为

(2)

式中：N为线圈匝数；i为激励电流；L为有效磁路长度。

2 试验装置和材料

磁各向异性检测系统外观如图2所示。MBN传感器由顶部绕制约400匝励磁线圈的U型电磁铁和填充铁氧体磁芯的检测线圈构成。由上位机控制信号激励板卡产生交变电流信号，通过功率放大器放大后进入励磁线圈，在磁轭和样品中形成闭合磁路产生交变磁场，变化的磁场会引起被测试件中磁畴的不连续运动或转动，进而产生MBN信号。系统使用检测线圈接收MBN信号，通过NI-PXIe-6376型多通道采集卡对接收到的电压信号进行采集，并最终输入上位机，以供后续分析和处理。在讨论励磁频率对磁各向异性结果的影响时，使用的激励频率分别为1，10，20，50，100 Hz，电流为1.6 A。在讨论励磁电流对磁各向异性结果的影响时，使用的电流分别为0.4，0.8，1.2，1.6，2 ，2.4 A，频率为20 Hz。

图2 磁各向异性检测系统外观

共测试4种不同材料的钢板，即牌号为30SQG120的取向硅钢、牌号为B50A470的无取向硅钢，以及牌号为X60和X70的管线钢，4块钢板的尺寸(长度×宽度)均为(200 mm×200 mm)，高度分别为0.3，0.5，2，2 mm。

MBN信号对传感器与被测试件之间的接触条件非常敏感，为保证可重复测量条件，设计了具有等角度(10°)间隔分布的卡槽，通过手动旋转MBN检测传感器并放置在对应的卡槽内，完成不同角度方向的MBN信号检测。

3 信号处理

3.1 MBN包络

设定垂直于钢板轧制方向为参考方向，外加交变磁场H与参考方向的夹角为θ。以30SQG120钢板在励磁频率为50 Hz，励磁电流为1.6 A的条件下产生的试验结果为例，说明信号处理及特征参量提取方法。利用4阶巴特沃斯数字滤波器对MBN检测线圈输出电压信号进行带通滤波(10 kHz50 kHz)处理，得到不同角度的典型MBN滤波信号(见图3)。

图3 不同角度的典型MBN滤波信号

采用滑动平均方法对所得MBN滤波信号进行处理，计算得到MBN包络曲线。图4为30SQG120钢板和X60钢板在不同激励频率下的MBN包络曲线。由图4可以看出，两种材料的整体MBN包络曲线随着励磁频率的增加而增加。这种变化与动态畴壁数量的增加相关联，MBN信号主要取决于在给定励磁场瞬间畴壁的移动距离以及畴壁移动的数量[16]。因此，随着励磁频率的增加，动态畴壁的数量增加，磁化强度变化率也随之增加，进而导致MBN峰峰值增加。

图4 30SQG120钢板和X60钢板在不同激励频率下的MBN包络曲线

最大工作磁场强度主要由检测参数决定，而被测试件内部实际的磁场强度HT还与退磁场有关。励磁频率的增加会降低材料内部实际磁场强度HT，进而缩小磁化范围。这与图4中随着励磁频率的增加，峰值位置向较高磁场强度移动的变化规律一致。

在不同激励频率下的MBN分布将同时受到HT和磁化强度变化率的影响。与硅钢相比，管线钢具有较强的磁化强度和较大的退磁场，使得其HT随着励磁频率的增加而降低的程度更大。在管线钢中，MBN峰峰值随激励频率的增加幅值减小。

图5为30SQG120钢板和X60钢板在不同励磁电流下的MBN包络曲线。对于取向硅钢来说，MBN峰峰值随励磁电流的增加而显著增加，这主要是因为工作磁场强度增加，使得磁化强度变化率随之增加。管线钢MBN峰峰值高度的变化规律与取向硅钢的相似，但变化幅值很小。励磁电流的增加对管线钢的影响有限，只能在MBN跳变开始阶段明显看到MBN峰值随励磁电流的增加而增加。

图5 30SQG120钢板和X60钢板在不同励磁电流下的MBN包络曲线

3.2 特征参量的提取

设定0.1 mV为MBN信号的背景噪声阈值点，确定MBN包络线的起点和终点，MBN信号与包络线如图6所示，对应图6中的点A和点D。以75%包络线峰值与MBN包络线的两个交点为界，对磁化区段进行划分，图6中标记的A-B、B-C和C-D分别对应磁化区段1、区段2和区段3。从这3个区段提取特征参数，具体包括：A-B区段和C-D区段，分别计算MBN均方根值RMS1和RMS2；B-C段提取主峰峰值MP。特征参量的具体提取过程和极图的绘制已在文献中详细描述[17]。

图6 MBN信号与包络线

4 分析与讨论

依据前述试验方法，使用两组检测参数，对4种材料进行不同方向的MBN测试，分析励磁频率、励磁电流以及磁化区段对磁各向异性结果的影响。

4.1 励磁频率对磁各向异性结果的影响

以30SQG120钢板和X60钢板中的测试结果为例，分析励磁频率对磁各向异性结果的影响。为消除参量量纲对图像比对的影响，将所得MBN极图进行归一化处理，在30SQG120钢板和X60钢板中测得不同励磁频率下的RMS1各向异性极图(见图7)。

为了定量描述励磁频率对磁各向异性测试结果的影响，提取极图中的长、短轴与参考方向的夹角θy和θn代表易、难磁化轴的方向角，引入无量纲比例系数k代表磁各向异性程度，其表达式为

(3)

式中：Vmax和Vmin分别为磁参量极图中的最大值和最小值。

k值越大表示磁各向异性越强。不同励磁频率下测得的30SQG120钢板和X60钢板磁各向异性表征参数如表1所示。

表1 不同励磁频率下测得的30SQG120钢板和X60钢板磁各向异性表征参数

由表1分析可得，在取向硅钢中，不小于20 Hz励磁频率下确定的易磁化方向基本处于90°附近，小于20 Hz励磁频率下其易磁化轴位置向右偏移10°，主要分布在80°附近。在X60管线钢中，励磁频率增加基本不会改变其易磁化轴的位置。两种材料中的难磁化轴位置随励磁频率的不同波动较大。对于表征磁各向异性程度的系数k而言，取向硅钢的k值随励磁频率的增加而增幅明显，在频率为100 Hz时达到最大值，其系数k是频率为1 Hz时的21倍。在X60管线钢中，系数k的最大值出现在20 Hz频率处，这与频率过高(50 Hz)，磁畴转动跟不上磁场的变化，出现一些MBN信号还没来得及响应就被淹没有关。在磁化区段1内提取的RMS1主要反映材料的平均磁晶各向异性。表1中结果表明：不同励磁频率下，由平均磁晶各向异性决定的难、易磁化轴方向角存在差异，硅钢的磁各向异性程度随励磁频率的增加而逐渐增强，管线钢的磁各向异性程度随励磁频率的增加呈现先增加后减小的变化趋势。

改变励磁频率，可以得到不同深度的MBN信号。如果材料厚度方向的微观结构不均匀，则取决于晶体结构的平均磁晶各向异性也不完全相同，进而导致材料的磁各向异性指标存在差异。尽管励磁频率增加会增大MBN包络线的峰值，但并不意味着磁各向异性程度也呈现单调变化的规律。对于硅钢材料来说，励磁频率越高越能反映出材料的磁各向异性程度，而在频率为20 Hz时，管线钢材料更适用于磁各向异性研究。

4.2 励磁电流对磁各向异性结果的影响

以X60钢板的测试结果为例，分析励磁电流对磁各向异性结果的影响，为凸显磁各向异性特征，对差值计算结果不进行归一化处理。图8为在不同励磁电流下测得的RMS1各向异性极图。由图8可知，在不同励磁电流下测得的RMS1极图的形状基本相同。表2为在X60钢板中测得不同励磁电流下的磁各向异性指标。

图8 在X60钢板中测得不同励磁电流下的RMS1各向异性结果

表2 在X60钢板中测得不同励磁电流下的磁各向异性指标

结合表2中的数据可以发现，励磁电流的增加基本不会改变管线钢的易磁化方向，最大偏差角度仅为8.02°。这与在图5中得出的励磁电流增加对管线钢MBN包络曲线影响有限的结论相吻合。管线钢的k值随励磁电流的增加呈现单调上升趋势。在磁化区段1内提取的RMS1与被测区域内晶体结构的平均取向密切相关。尽管励磁电流增加会产生更多的MBN信号，但并不会改变被测试件的织构方向。交变磁场增大会加大被测试件的磁各向异性程度，更能反映材料本身的织构现象。

4.3 不同磁化区段的磁各向异性

以20 Hz，1.6 A为励磁条件，在30SQG120钢板和X60钢板中依据图6划分磁化区段。图9为在3个磁化区段内分别提取RMS1、MP和RMS2值，并进行归一化处理后所得的测试结果。表3列出了30SQG120钢板和X60钢板在不同磁化区段内的磁各向异性指标统计结果。

表3 30SQG120钢板和X60钢板不同磁化区段内的磁各向异性指标

图9 30SQG120钢板和X60钢板不同磁化区间的各向异性结果

MBN信号是加工致磁各向异性、磁晶各向异性和应力致磁各向异性共同作用产生的结果。取向硅钢在轧制过程中，晶体会发生严重变形并沿轧制方向伸长，使得织构方向接近于轧制方向，同时在晶粒的变形过程中产生残余应力，其在轧制方向的残余应力显著高于垂直于轧制方向的残余应力。在3种机制的综合影响下，30SQG120钢的易磁化轴与轧制方向平行。一般而言，加工致磁各向异性的权重比较大，主要会影响磁化区段2和3内提取的特征参量。特征值MP和RMS2的磁各向异性程度明显高于RMS1的。

MBN包络线峰峰值MP主要与较低磁场下180°畴壁运动有关。由于180°磁畴大都是沿轧制方向取向，因此MP极图呈现出单轴各向异性，其易磁化轴平行于轧制方向。X60管线钢中MP的磁各向异性程度明显低于取向硅钢的，其系数k仅为0.09。相比而言，利用RMS1极图得到的系数k大于MP，两者的易磁化轴间存在90°偏差。统计的RMS2极图主要反映90°畴壁运动引起的MBN跳变。通常情况下，90°磁畴与180°磁畴相互垂直，共同组成封闭的磁畴结构，因此RMS2极图中显示的易磁化轴与轧制方向垂直。综合来看，X60管线钢中，影响材料磁各向异性程度的MBN事件主要为反向畴成核和生长以及90°畴壁运动。

5 结语

(1) 不同励磁频率下MBN包络曲线变化幅度较大，对磁各向异性结果会产生不可忽略的影响。这与由励磁频率决定的MBN检测深度有关。励磁频率越高越能反映出硅钢材料的磁各向异性程度，而管线钢材料在20 Hz频率时更适用于磁各向异性研究。

(2) 在磁化区段1内提取的RMS1与材料的平均取向密切相关。励磁电流增加不会改变材料的易磁化轴位置，建议采用较大激励电流对材料进行磁化的。

(3) 取向硅钢的磁各向异性最强，主要由加工致磁各向异性主导，统计参量MP和RMS2的磁各向异性程度明显高于RMS1的。

(4) X60管线钢中RMS1和RMS2的磁各向异性程度显著大于MP的，影响材料磁各向异性的MBN事件为反向畴成核和生长，以及90°畴壁运动。