磁巴克豪森噪聲(Magnetic Barkhausen Noise，MBN)技術(shù)作為一種新的無損檢測技術(shù)，可實現(xiàn)對鐵磁性材料早期性能退化及微損傷的檢測和評估，能夠在材料使用早期確定材料表面應(yīng)力狀態(tài)、疲勞損傷狀況及微觀組織變化特性，從而能夠及早發(fā)現(xiàn)材料早期損傷的部位，為重要設(shè)備或構(gòu)件的安全評價和剩余壽命評估提供可靠依據(jù)。
MBN檢測裝置框圖
1. 國外研究現(xiàn)狀
目前已有多國的研究人員開展了MBN技術(shù)的研究，如德國弗勞恩霍夫研究所、英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)、牛津大學(xué)、美國愛荷華州立大學(xué)、芬蘭Stresstech公司、坦普雷科技大學(xué)、巴西圣保羅大學(xué)、伊朗馬什哈德菲爾多西大學(xué)以及印度科技大學(xué)等。
國際上對于MBN效應(yīng)的研究及應(yīng)用主要集中在應(yīng)力檢測、疲勞狀態(tài)分析、硬度檢測、微觀組織分析、晶粒度測量及表面熱處理工藝評價等方面，并提出了許多改善MBN信號的處理方法。
(1)材料應(yīng)力檢測
材料所受應(yīng)力主要有兩大方面：
一是外界加載應(yīng)力，涵蓋壓應(yīng)力與拉應(yīng)力、單向應(yīng)力與周期應(yīng)力、低應(yīng)力和超限應(yīng)力等;
二是材料內(nèi)部殘余內(nèi)應(yīng)力，包括殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力等。
對于外加應(yīng)力，英國的M. Blaow等研究人員在探究鐵磁性材料受外力加載彎曲過程中的MBN信號變化時，指出應(yīng)力會影響材料的磁化能力，改變MBN信號的波峰幅值和波峰位置，并且指出拉應(yīng)力下的MBN信號多為單峰信號，而壓應(yīng)力下的MBN信號會出現(xiàn)多個峰值。2014年，德國的M.S. Amiri等研究人員指出應(yīng)力的各向異性和晶體的各向異性對材料的磁化起決定性作用，在鐵磁性材料的易磁化軸方向上，應(yīng)力對MBN信號的影響大于其他方向，并通過磁致伸縮曲線和磁化曲線進(jìn)行了驗證說明。
對于材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，目前已有較多的研究成果。如印度的M. Vashista長期研究材料表面殘余應(yīng)力和MBN信號的關(guān)系，并指出材料在彈性范圍內(nèi)，MBN磁響應(yīng)信號與殘余應(yīng)力成正相關(guān)的關(guān)系。
(2)疲勞狀態(tài)檢測
金屬疲勞過程中產(chǎn)生的缺陷
目前非常急需鐵磁性材料疲勞狀態(tài)的全生命周期無損檢測和評估技術(shù)，特別是針對疲勞裂紋形成前和形成初期的檢測技術(shù)，而MBN技術(shù)為解決這一問題提供了有效的理論支撐和技術(shù)支持。目前疲勞過程中的MBN信號變化的研究主要集中在位錯密度的增加、滑移帶的形成、裂紋的萌生等微觀結(jié)構(gòu)的變化，以及缺陷數(shù)目、疇壁與MBN峰值電壓的相互作用等方面。
金屬在循環(huán)載荷的作用下，MBN信號變化顯著，為了探究循環(huán)載荷和單向載荷對MBN信號影響的區(qū)別，2004年英國的V.Moorthy研究了En36鋼在超限應(yīng)力(最大達(dá)1700MPa)循環(huán)作用下的MBN信號特性，指出與單向載荷相比，高應(yīng)力下的循環(huán)載荷會增加材料的位錯密度，會使MBN信號峰值減小，加速材料疲勞。
對于部分非磁性的金屬材料，利用MBN技術(shù)也可進(jìn)行疲勞檢測。2005年，Vincent等研究人員將MBN技術(shù)用于304L奧氏體不銹鋼低周疲勞的檢測，由于不具有磁性的γ鐵在冷軋及循環(huán)載荷作用下會產(chǎn)生形變，誘導(dǎo)馬氏體產(chǎn)生，所以研究人員提出了α’-馬氏體內(nèi)應(yīng)力計算的復(fù)合模型，通過MBN技術(shù)可以測得馬氏體體積分?jǐn)?shù)，評估非鐵磁性奧氏體不銹鋼的疲勞損傷特性。
(3)金屬微觀組織和晶粒度分析
關(guān)于金屬內(nèi)元素化學(xué)成分對MBN信號的影響，巴西的M.F.Campos等研究人員于2011年重點研究了合金鋼中鎳含量對材料硬度和MBN信號幅值的影響，總結(jié)出鎳含量少的合金磁疇更易發(fā)生偏轉(zhuǎn)。英國的V.Moorthy在2014年比較了碳含量不同(含碳量分別為0.20%和0.41%)鋼的MBN信號的差異，并對試件進(jìn)行了金相組織分析，指出碳含量的變化只會影響波峰的位置，對波峰的高度影響不大，還指出低頻激勵下的碳鋼MBN信號存在兩個波峰，而高頻激勵時只有一個波峰。
材料中的相含量(如馬氏體、鐵素體等)不同會影響MBN信號。2014年，伊朗的S. Ghanei詳細(xì)研究了雙相鋼中馬氏體含量和MBN信號峰值的關(guān)系，得出馬氏體含量的增大會使MBN信號峰值增大的結(jié)論。VINCENT A等研究人員通過研究奧氏體和馬氏體相互轉(zhuǎn)換前后MBN信號的差異，來判斷材料中的馬氏體含量。
在晶粒度方面，S. Ghanei等研究人員于2014年分析了鐵素體-馬氏體雙相鋼中晶粒各向異性、晶體邊界等微觀結(jié)構(gòu)對MBN信號的影響，指出晶粒尺寸的減小會使晶界密度增大，導(dǎo)致MBN信號增加。墨西哥的P. Martínez-Ortizyan等研究人員于2014年研究了晶粒的易磁化軸和MBN信號主峰之間的關(guān)系，通過轉(zhuǎn)動試樣對其進(jìn)行360°的MBN檢測，通過MBN信號能量的不同來確定材料的易磁化軸方向。
目前對于金屬內(nèi)部化學(xué)成分、相含量和晶粒度的研究，大多結(jié)合金屬材料的金相組織分析進(jìn)行，雖然得出了MBN信號與相含量相關(guān)的定性規(guī)律，但是實際工程中通過MBN信號來反向估測相含量的應(yīng)用或儀器甚少。主要原因在于：
?、費BN信號受多種因素的影響，相含量改變往往伴隨著其他影響因素的改變，缺乏通用的定量結(jié)論來描述相含量與MBN之間的關(guān)系，若單從MBN信號來推測相含量往往精度不高，有失偏頗。
②在進(jìn)行化學(xué)成分和含量檢測時，往往需要通過和已知含量的標(biāo)準(zhǔn)試樣MBN信號進(jìn)行參考比對，實際工程中獲取一致的標(biāo)準(zhǔn)試樣難度較大。
(4)材料硬度測量
為了探究由溫度變化引起材料硬度不同對MBN信號的影響，2003年，英國的V.Moorthy等研究人員將En36鋼加熱至不同溫度(192℃~900℃)后進(jìn)行MBN檢測實驗。結(jié)果表明En36鋼的MBN信號對材料溫度的變化十分靈敏，材料溫度越高，其表面硬度越小，測得的MBN信號幅值越大，實驗中可檢測到的MBN信號的最大深度為425μm。材料熱處理后的冷卻速率對硬度的影響也較大。2012年，巴西的F.A.Franco等研究人員探究了冷卻速率對MBN信號的影響，用頂端淬火的方法設(shè)計出材料中不同區(qū)域的不同冷卻梯度，指出材料冷卻速度越快MBN信號越弱。
國外許多學(xué)者都總結(jié)得到材料硬度越大MBN信號越弱這一結(jié)論，這對于材料硬度測量有很好的指導(dǎo)作用。由于MBN技術(shù)只能檢測材料表面硬度，而對內(nèi)部不同的硬度梯度無法進(jìn)行有效檢測，因此無法實現(xiàn)材料內(nèi)部深度較大區(qū)域的硬度檢測。
(5)材料表面處理工藝評價
德國弗勞恩霍夫研究所在金屬表面處理和表面殘余應(yīng)力的MBN研究方面有較為顯著的成果。2009年利用MBN對不同熱處理的合金進(jìn)行了微殘余應(yīng)力的檢測研究，重點比較了室溫(20℃)和居里溫度(230℃)下殘余應(yīng)力趨于飽和時MBN信號之間的差異，發(fā)現(xiàn)材料處于居里溫度下的MBN信號遠(yuǎn)小于室溫下的MBN信號。2011年，通過MBN設(shè)備對齒輪表面質(zhì)量進(jìn)行檢測，通過表面(50μm內(nèi))MBN信號的特征，推斷出材料表面硬度和硬化層深度。
芬蘭的Suvi Santa-aho等研究人員近年來將研究方向聚焦在探究鐵磁性材料表面激光加工工藝和MBN信號的關(guān)系上，分析了硬化鋼滲碳層深度、殘余應(yīng)力等表面質(zhì)量與激光工藝之間的關(guān)系，提出了避免材料重淬火和應(yīng)力飽和的鐵磁性材料表面控制熱損傷的技術(shù)。
MBN技術(shù)是評價材料表面加工工藝的有效方法之一。目前，通過MBN技術(shù)進(jìn)行表面處理工藝的檢測已有成熟的商業(yè)化設(shè)備，已經(jīng)應(yīng)用于一些金屬零部件的表面加工工藝檢測中，如芬蘭Stresstech公司的Rollscan 300檢測儀可實現(xiàn)對材料表面加工工藝、殘余應(yīng)力的檢測。
Rollscan 300表面質(zhì)量檢測儀
2. 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
國內(nèi)對MBN技術(shù)的研究始于20世紀(jì)80年代中期，近年來開展MBN信號研究的機構(gòu)主要有南京航空航天大學(xué)、北京化工大學(xué)、上海交通大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)、吉林大學(xué)等。
1988年，原北京鋼鐵學(xué)院的穆向榮等研究人員開展了對雙相鋼的MBN效應(yīng)的研究，指出利用MBN技術(shù)，可以實現(xiàn)對材料組織結(jié)構(gòu)和組織性能的研究。1994年，華中理工大學(xué)的馬咸堯等研究人員研究了MBN效應(yīng)受應(yīng)力影響的規(guī)律，還將MBN技術(shù)和磁聲發(fā)射(MAE)技術(shù)進(jìn)行了對比，指出MBN信號特征依賴于鐵磁材料的組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)，拉應(yīng)力降低了MAE信號強度，而增加了MBN信號強度;壓應(yīng)力可降低MBN信號強度，提出將兩效應(yīng)結(jié)合測量，既可提高測量拉應(yīng)力的靈敏度，又可判別應(yīng)力的正負(fù)值。
2003年，上海交通大學(xué)的陳立功等研究人員開始研制MBN傳感器及信號采集處理系統(tǒng)，研究了殘余應(yīng)力和MBN信號的關(guān)系，建立了結(jié)合虛擬儀器技術(shù)的MBN殘余應(yīng)力檢測系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)進(jìn)行了鐵磁材料熱處理后殘余應(yīng)力的分析，指出熱處理后的板材MBN強度呈下降趨勢。2008年，他們改進(jìn)了針對各向異性及非均勻殘余應(yīng)力的MBN傳感器。
從20世紀(jì)90年代初至今，北京化工大學(xué)的祁欣等研究人員持續(xù)開展了巴克豪森效應(yīng)在殘余應(yīng)力檢測、硬度和晶粒度分析、相含量的檢測及疲勞壽命的預(yù)測這四個方面的研究，結(jié)果指出：在利用MBN效應(yīng)進(jìn)行鐵磁性材料內(nèi)部應(yīng)力的測量時，激勵信號不能過大，否則材料處于飽和磁場中時，會降低MBN信號對內(nèi)部應(yīng)力變化的敏感度。2011年，他們設(shè)計了抗干擾、輸出信號信噪比高的MBN傳感器。
南京航空航天大學(xué)的王平等研究人員于2008年開始對MBN現(xiàn)象進(jìn)行研究。2010年，提出了在高速運行條件下，利用MBN效應(yīng)，用直流電源作為線圈的激勵信號來進(jìn)行鋼軌應(yīng)力檢測。2011年，比較了三角波和正弦波對MBN信號的影響，總結(jié)出用三角波作為激勵信號時MBN信號的特征值呈現(xiàn)出更好的線性度。2012年，研制了第一代便攜式MBN鐵軌應(yīng)力檢測儀。2013年，將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法引入了MBN信號處理中，得到應(yīng)力測量值和真實值的平均誤差為1.0618%，檢測可靠度較高。2015年，丁松提出了一種名為“偏度skweness”的新的MBN信號特征值評估方法，利用該方法可以獲得比均方根電壓(RMS)評價法更多的MBN信息。
節(jié)選自《無損檢測》2016年第38卷第7期
本文作者：沈功田，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，中國機械工程學(xué)會無損檢測分會主任委員、中國特種設(shè)備檢測研究院副院長，主要研究方向為聲發(fā)射、紅外和電磁等無損檢測新技術(shù)。
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