沈功田，鄭　陽，蔣政培，譚繼東

(1.中國特種設(shè)備檢測研究院， 北京 100029；2.中國計量大學(xué)， 杭州 310018)

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磁巴克豪森噪聲技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

沈功田1，鄭陽1，蔣政培2，譚繼東1

(1.中國特種設(shè)備檢測研究院， 北京 100029；2.中國計量大學(xué)， 杭州 310018)

磁巴克豪森噪聲(MBN，MagneticBarkhausenNoise)技術(shù)可以用來評估鐵磁性材料一定深度內(nèi)的微觀組織結(jié)構(gòu)變化、應(yīng)力狀態(tài)、微損傷缺陷等，是實(shí)現(xiàn)對材料疲勞、微裂紋等早期性能退化及應(yīng)力狀態(tài)評估的一項重要無損檢測技術(shù)，工程應(yīng)用前景廣闊。簡述了MBN技術(shù)的基本原理，綜述了國內(nèi)外MBN技術(shù)的研究現(xiàn)狀，包括材料應(yīng)力檢測、金屬疲勞狀態(tài)分析、金屬微觀組織和晶粒度分析、材料硬度測量、材料表面處理工藝評價、與常規(guī)無損檢測方法的比對等方面的內(nèi)容，介紹了國內(nèi)外相關(guān)檢測儀器和檢測標(biāo)準(zhǔn)，指出了MBN檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢。

磁巴克豪森噪聲；無損檢測；鐵磁性材料；疲勞；綜述

眾所周知，射線、超聲、磁粉、滲透和渦流等常規(guī)無損檢測技術(shù)，主要用于對已形成的宏觀缺陷進(jìn)行檢測。而磁巴克豪森噪聲(MBN，MagneticBarkhausenNoise)技術(shù)作為一種新的無損檢測技術(shù)，可實(shí)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)。另外，與常規(guī)無損檢測技術(shù)相比，MBN技術(shù)還具有以下特點(diǎn)：① 檢測快速；② 檢測非接觸，無需耦合劑，對人體無害；③ 多參數(shù)測量，可同時測應(yīng)力狀況、表面硬度、滲碳層深度、缺陷位置、微觀組織等。

筆者介紹了MBN技術(shù)的檢測原理，綜述了近年來國內(nèi)外關(guān)于MBN技術(shù)的發(fā)展情況和研究進(jìn)展，總結(jié)了MBN技術(shù)的重點(diǎn)研究領(lǐng)域，指出了MBN研究目前存在的問題，介紹了基于MBN技術(shù)的相關(guān)儀器設(shè)備和檢測標(biāo)準(zhǔn)，指出了MBN技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1　MBN檢測原理

鐵磁性材料在磁化過程中會發(fā)生磁疇轉(zhuǎn)動和磁疇壁位移的現(xiàn)象，有可逆和不可逆兩種模式，且取決于材料的各向異性特性和磁疇的轉(zhuǎn)動角度[1]。這兩種變化會使材料內(nèi)部產(chǎn)生非連續(xù)性的電磁脈沖，通過檢測線圈可以提取此過程中因磁感應(yīng)強(qiáng)度變化所產(chǎn)生的電磁脈沖，即磁巴克豪森噪聲(MBN)信號，此現(xiàn)象最早由德國物理學(xué)家BARKHAUSEN于1919年發(fā)現(xiàn)[2]。

鐵磁性材料在磁化過程中，其內(nèi)部磁疇轉(zhuǎn)動、90°和180°磁疇壁的運(yùn)動是非連續(xù)的。如圖1所示，將磁化過程放大可以看到，材料的磁化強(qiáng)度M隨外部磁場強(qiáng)度H的變化是階梯狀上升的。在交替變化的磁場中，磁疇會發(fā)生往復(fù)轉(zhuǎn)動，磁疇壁會進(jìn)行反復(fù)運(yùn)動，從而產(chǎn)生大量的MBN信號。

圖1　鐵磁性材料磁化曲線

MBN信號中包含著豐富的信息，這些信息與材料的微觀組織結(jié)構(gòu)和內(nèi)應(yīng)力狀況密切相關(guān)，通過磁敏傳感器拾取MBN信號，將磁信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，再通過對電信號進(jìn)行濾波、放大，分析信號的時頻特性，可反映出材料微觀結(jié)構(gòu)的變化、應(yīng)力狀態(tài)、微損傷狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)疲勞、應(yīng)力集中等狀態(tài)的檢測和評估。

MBN檢測裝置主要分為激勵模塊、信號探測模塊和信號處理模塊，如圖2所示，其中激勵模塊主要用于驅(qū)動線圈產(chǎn)生交變磁場，激發(fā)產(chǎn)生MBN信號，該模塊包括信號發(fā)生器、功率放大器、激勵線圈和磁軛等。目前MBN信號的激勵大多采用U型磁軛法，通過該方法能夠采集到來自于材料表面2mm磁化深度以內(nèi)的MBN信號；探測模塊用于拾取材料內(nèi)的MBN信號，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號，模塊主要包括磁敏傳感器和檢測線圈；信號處理模塊主要用于處理相應(yīng)的MBN電信號，包括前置放大器、濾波器、數(shù)據(jù)采集器和計算機(jī)等。

圖2　MBN檢測裝置框圖

2　國外研究現(xiàn)狀

目前已有多國研究人員開展了MBN技術(shù)的研究，如德國弗勞恩霍夫研究所(IZFP)、英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)MOORTHY團(tuán)隊和牛津大學(xué)KYPRIS團(tuán)隊、美國愛荷華州立大學(xué)JILES團(tuán)隊、芬蘭Stresstech公司和坦普雷科技大學(xué)SANTA-AHO團(tuán)隊、巴西圣保羅大學(xué)FREDDY團(tuán)隊、伊朗馬什哈德菲爾多西大學(xué)GHANEI團(tuán)隊、印度科技大學(xué)VASHISTA團(tuán)隊等。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。筆者綜述了MBN技術(shù)在以下六個方面的研究與應(yīng)用。

2.1材料應(yīng)力檢測

金屬材料在應(yīng)力作用下會發(fā)生形變，材料內(nèi)會產(chǎn)生位錯、空洞和裂紋等，且應(yīng)力會發(fā)生變化和產(chǎn)生局部應(yīng)力集中。這些變化產(chǎn)生的勢能壘會阻礙磁疇結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(包括磁疇轉(zhuǎn)動和疇壁移動)，基于此原理，通過分析MBN的信號特性，可判斷材料的應(yīng)力應(yīng)變情況。

采用MBN信號對材料的應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)進(jìn)行研究是MBN技術(shù)的主要研究內(nèi)容之一。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，鐵磁性金屬材料在彈性形變范圍內(nèi)，增加單向拉應(yīng)力會使180°疇壁增多并發(fā)生劇烈磁化,導(dǎo)致MBN信號幅值增大；但是增大壓應(yīng)力載荷卻會使得180°疇壁減少,從而降低MBN信號幅值。由此，可通過MBN信號了解材料的受力情況。英國的BLAOW等[3]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AMIRI等[4]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。

當(dāng)材料內(nèi)存在殘余應(yīng)力時，殘余應(yīng)力會影響材料晶粒的排列、組織結(jié)構(gòu)等，利用MBN技術(shù)可以有效地檢測出材料表面的殘余應(yīng)力分布，目前已有較多的研究人員開展了此方面的研究。如印度VASHISTA長期研究材料表面殘余應(yīng)力和MBN信號的關(guān)系，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)關(guān)系[5-6]。

2.2疲勞狀態(tài)檢測

疲勞是鐵磁性金屬材料結(jié)構(gòu)失效的主要形式之一。材料在交變應(yīng)力作用下，材料內(nèi)部會出現(xiàn)損傷積累，發(fā)生局部區(qū)域結(jié)構(gòu)的永久性變化，產(chǎn)生塑性變形，最終造成疲勞破壞。在疲勞過程中，材料會出現(xiàn)位錯、滑移帶、空洞和微裂紋等，較之矯頑力、剩磁強(qiáng)度和磁導(dǎo)率等材料磁參量，MBN信號對此類變化的靈敏度更高，變化更為顯著，可以作為材料疲勞的重要評定參量。

在役金屬材料的疲勞過程如圖3所示，材料壽命可分為三個階段：第一階段為早期力學(xué)性能退化階段、第二階段為損傷的起始階段、第三階段為積累和斷裂失效階段，其中第一、二階段占整個壽命周期的80%～90%[7]。隨著循環(huán)應(yīng)力次數(shù)的增加，金屬材料的疲勞過程逐步加快。目前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),MBN技術(shù)為解決以上問題提供了有效的理論支撐和技術(shù)支持。目前針對疲勞過程中的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。

圖3　金屬疲勞過程中產(chǎn)生的缺陷

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MOORTHY[8]研究了En36鋼在超限應(yīng)力(最大達(dá)1 700MPa)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[9]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，作者提出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。

2.3金屬相含量和晶粒度分析

鐵磁材料微觀組織不同，其內(nèi)部晶格缺陷、夾雜物和內(nèi)應(yīng)力分布會存在差異，導(dǎo)致材料磁性、晶界密度不同，影響磁疇轉(zhuǎn)動和疇壁位移的阻力大小，從而影響MBN信號數(shù)量和信號強(qiáng)度。材料中碳含量、鎳含量、馬氏體含量、晶粒度等方面的不同，會從根本上影響MBN信號的產(chǎn)生。

關(guān)于金屬內(nèi)相含量對MBN信號的影響，巴西MONLEVADE等[10]于2011年重點(diǎn)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MOORTHY[11]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[12]。文獻(xiàn)[9]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。

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進(jìn)行分析，雖然得出了MBN信號與相含量相關(guān)的定性規(guī)律，但是實(shí)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:①M(fèi)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(shí)際工程中獲取一致的標(biāo)準(zhǔn)試樣難度較大。

2.4材料硬度測試

材料硬度本質(zhì)上由其組成原子間的化學(xué)鍵硬度決定[15]，原子間化學(xué)鍵硬度的不同，造成了其原子移動的難易程度不一樣，而磁疇又由大量原子構(gòu)成，這就造成了磁疇轉(zhuǎn)動和疇壁位移的難易程度不同，進(jìn)一步影響了MBN信號的產(chǎn)生和幅值。一方面，材料種類不同(如碳鋼、合金鋼)和組織(如馬氏體、奧氏體等)不同會造成硬度不一樣;另一方面，熱處理工藝不同也會引起組織的變化。

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MOORTHY等[16]將En36鋼加熱至不同溫度(192～900 ℃)后進(jìn)行MBN檢測試驗。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，試驗中可檢測到的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FRANCO等[17]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(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部深度較大區(qū)域的硬度檢測。

2.5材料表面處理工藝評價

表面處理對于金屬材料的性能有很大的影響，包括電鍍、拋光及其他表面熱處理工藝，當(dāng)溫度升高時，分子熱運(yùn)動加快，會導(dǎo)致自發(fā)磁化的磁疇區(qū)域遭到破壞，磁性減弱。MBN信號大多來自于材料表面，富含材料表面多種特性信息，因而通過MBN信號可以判斷材料表面熱處理工藝、滲碳層深度、殘余應(yīng)力等。

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年其利用MBN對不同熱處理的合金進(jìn)行了殘余應(yīng)力的檢測研究，重點(diǎn)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[18]。2011年，該研究所人員通過MBN設(shè)備對齒輪表面質(zhì)量進(jìn)行檢測[19]，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SANTA-AHO等[20]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，且已應(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Rollscan300檢測儀可實(shí)現(xiàn)對材料表面加工工藝、殘余應(yīng)力的檢測。

2.6與常規(guī)無損檢測方法的對比

MBN技術(shù)作為一種新型的無損檢測技術(shù)，國外已在部分領(lǐng)域進(jìn)行了實(shí)際工程應(yīng)用，如齒輪表面加工等。相比于其他無損檢測技術(shù)，MBN技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)。如與超聲檢測相比，MBN檢測無需耦合劑，可實(shí)現(xiàn)非接觸測量；與射線檢測相比，MBN檢測也可測量殘余應(yīng)力，可現(xiàn)場作業(yè)，且對人體無害；與紅外熱波檢測相比，MBN設(shè)備激勵裝置簡便，便于現(xiàn)場作業(yè)。

2013年，阿根廷NEYRA等[21]比較了MBN檢測技術(shù)和磁聲發(fā)射(MAE)檢測技術(shù)，指出了兩者信號強(qiáng)度和材料硬度都有相關(guān)性，比較了兩者信號方均根電壓(RMS)的差異，指出MBN信號的信噪比高于MAE信號的信噪比。2014年，SAHEBALAM等[22]比較了微觀結(jié)構(gòu)的渦流檢測(ECT)和MBN檢測，結(jié)果表明:MBN信號峰值隨著微觀結(jié)構(gòu)的變化更明顯，有很高的靈敏度。文獻(xiàn)[13]中也對ECT和MBN檢測進(jìn)行了比較，指出了MBN與ECT一樣，可實(shí)現(xiàn)對金屬材料微觀組織的檢測。

對比可知，MBN技術(shù)與ECT、MAE等技術(shù)在金屬材料的無損檢測方面具有很好的適用性，并且在綜合微觀組織、殘余應(yīng)力、相含量、滲碳層深度檢測等方面，MBN技術(shù)具有更綜合的檢測能力。但是MBN技術(shù)也存在一定的局限性，例如由于激勵磁場強(qiáng)度、趨膚效應(yīng)的限制，其存在檢測精度不高、檢測深度不夠等問題。

3　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(jī)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)院穆向榮等[23]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(shí)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[24]研究了MBN效應(yīng)受應(yīng)力影響的規(guī)律，還將MBN技術(shù)和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(qiáng)度，增加了MBN信號強(qiáng)度；壓應(yīng)力可降低MBN信號強(qiáng)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)陳立功[25]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(qiáng)度呈下降趨勢[26]。2008年，尹何遲等[27]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)祁欣持續(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)測等四個方面的研究[28-30]，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，設(shè)計了抗干擾、輸出信號信噪比高的MBN傳感器[30]。

南京航空航天大學(xué)王平等人于2008年開始對MBN現(xiàn)象進(jìn)行研究。2010年，提出了在高速運(yùn)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[31]。2011年，比較了三角波和正弦波對MBN信號的影響[32]，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)出更好的線性度的結(jié)論。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(shí)值的平均誤差為1.061 8%[33]，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[34]，利用該方法可以獲得比RMS評價法更多的MBN信息。

4　國內(nèi)外MBN儀器現(xiàn)狀

4.1MBN檢測和分析處理方法研究現(xiàn)狀

4.1.1MBN的激勵與探測方式研究

激勵信號的頻率、能量、磁場強(qiáng)度、接收裝置的磁芯材料、提離效應(yīng)、濾波設(shè)置等，都會影響MBN信號的獲取。若再進(jìn)一步分類的話，單個影響因素又包含多個變量條件，如激勵磁場的大小和線圈匝數(shù)、線圈直徑、線圈位置、信號類型(如正弦波和三角波)等?？傮w而言，影響MBN信號的獲取有多種干擾因素，對于不同條件下的材料，其最佳的激勵、探測系統(tǒng)是不一樣的，如何確定最佳激勵與探測條件，是獲取最佳MBN信號的關(guān)鍵因素之一。

如文獻(xiàn)[11]就探討了頻率對MBN信號的影響，文章比較了高頻(125Hz)和低頻(0.4Hz)激勵頻率下的MBN信號值，得到高頻激勵下的MBN信號只有一個波峰，而低頻激勵下的MBN信號有兩個波峰，指出低頻激勵下的MBN信號更能揭示微觀結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。2013年，MOORTH等[35]研究了激勵磁場強(qiáng)度對MBN信號的影響，指出低頻磁場下，接收線圈匝數(shù)對MBN信號接收的影響大于高頻磁場。

通過國外的研究論文可以得到如下結(jié)論：

(1) 鐵磁性金屬材料的MBN信號的頻帶在1kHz～2MHz之間，常見的鐵磁性材料的頻帶集中在1kHz～500kHz之間，這與材料磁疇的類型密切相關(guān)。

(2) 在低頻(1～100Hz)激勵下，趨膚效應(yīng)不明顯，獲得的MBN信號所含的材料特性信息更豐富。

(3) 相比三角波、鋸齒波等，正弦波激勵下獲得的MBN信號的參量具有更好的線性度。

(4) 接收線圈的直徑和匝數(shù)會影響MBN信號的拾取靈敏度。

4.1.2MBN信號分析處理方法研究

MBN信號的強(qiáng)度和變化通常用幅值、能量、方均根(RMS)、波形半高寬(FWHM)、包絡(luò)線、峰值時間、功率譜等參量來描述，通過對MBN信號的處理與優(yōu)化，可分析材料的疲勞狀況、表面處理工藝等。

在MBN信號的分析處理方面，國外有較多學(xué)者進(jìn)行研究。2000年，波蘭MAGALAS[36]將小波變換引入MBN分析中，改善了MBN信號中的噪聲處理方法，提出非穩(wěn)態(tài)下的小波變換MBN信號叫“特征巴克豪森噪聲”。2011年，印度VASHISTA等[37]引入了“計數(shù)”和“事件”兩個特征值來描述MBN信號，從新的角度進(jìn)行了MBN信號分類。2015年，伊朗GHANEI等[38]將自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)(ANFIS)引入到MBN檢測技術(shù)中，對雙相鋼中馬氏體含量進(jìn)行評估，結(jié)果表明，ANFIS可以有效提高評估的準(zhǔn)確度。

對MBN信號進(jìn)行濾波、分離、變換等后續(xù)處理能夠提取其中的特征信號，建立檢測模型能夠更好地進(jìn)行定量化分析，將MBN與微觀結(jié)構(gòu)變化相結(jié)合，形成有效的評估方法。

4.2國外儀器現(xiàn)狀

國外目前已有多個公司有成熟的MBN儀器銷售，可進(jìn)行特定功能的MBN信號檢測，但是儀器售價昂貴。其中使用最為廣泛的有芬蘭Stresstech公司和德國弗勞恩霍夫無損檢測研究所的MBN檢測儀器。

Stresstech公司是專門從事無損檢測(NDT)的公司，該公司研發(fā)出了巴克豪森效應(yīng)表面質(zhì)量檢測儀(磨削燒傷檢測儀)，有便攜式檢測儀Rollscan250，300，350三種型號和非便攜式檢測儀Roboscan500，600兩種型號，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀工件、粗晶材料殘余應(yīng)力的精準(zhǔn)分析。圖4為Rollscan300表面質(zhì)量檢測儀外觀，其檢測深度在0.01～1.5mm之間。

圖4　Rollscan 300表面質(zhì)量檢測儀外觀

圖5　3MA-II微結(jié)構(gòu)與應(yīng)力分析儀外觀

2002年，德國弗勞恩霍夫無損檢測研究所研制了商業(yè)化的3MA微結(jié)構(gòu)與應(yīng)力分析儀，目前已有第二代產(chǎn)品3MA-II，如圖5所示，它是一種集成四種不同微磁測量方法的儀器(包括巴克豪森噪聲、多頻率渦流、增量磁導(dǎo)率、切線磁場諧波分析)，可以測定材料表面及淺表面硬度、殘余應(yīng)力、硬化層深度和加工缺陷等信息，能對邊緣層0～8mm厚度的部件多個相關(guān)技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行快速同步評估。

4.3國內(nèi)儀器現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)尚未有成熟的商業(yè)化磁巴克豪森噪聲檢測儀器。南京航空航天大學(xué)研發(fā)出便攜式巴克豪森檢測儀樣機(jī)，如圖6所示，可實(shí)現(xiàn)對鋼軌的應(yīng)力檢測，檢測精度在10MPa以內(nèi)[39]。

圖6　便攜式磁巴克豪森檢測儀樣機(jī)外觀

北京化工大學(xué)陳娟等人研發(fā)的基于磁巴克豪森效應(yīng)的鋼軌應(yīng)力檢測系統(tǒng)，能夠?qū)︿撥墐?nèi)部的應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時在線檢測，測量誤差在0.5MPa，具有精度高、響應(yīng)速度快、可視化效果好等優(yōu)點(diǎn)[40]。

5　國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

國內(nèi)外關(guān)于MBN無損檢測的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范并不多，許多國家并未提出相應(yīng)的檢測標(biāo)準(zhǔn)。

美國汽車工程師協(xié)會(SAE)于1991年發(fā)布了SAEARP4662-1991(R2010)Barkhausen Noise Inspection for Detection Grinding Burns in High Strength Steel Parts標(biāo)準(zhǔn)，中譯名為《高強(qiáng)度鋼零件摩削灼傷的巴克豪森噪聲檢測》。

美國齒輪制造商標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(AGMA)于1999年發(fā)布了AGMA99FTM1-1999Barkhausen Noise Inspection Method for Detecting Grinding Damage in Gears標(biāo)準(zhǔn)，中譯名為《齒輪磨削損傷的巴克豪森噪聲檢測方法》。2007年，AGMA又發(fā)布了AGMA09FTM06-2007Using Barkhausen Noise Analysis for Process and Quality Control in the Production of Gears標(biāo)準(zhǔn)，中譯名為《用巴克豪森噪聲分析進(jìn)行齒輪生產(chǎn)過程中工藝和質(zhì)量控制》。

在利用磁巴克豪森噪聲技術(shù)進(jìn)行檢測時，對檢測技術(shù)、檢測環(huán)境、標(biāo)準(zhǔn)試件的要求，國內(nèi)尚未出臺相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，還需進(jìn)一步加強(qiáng)相關(guān)檢測工藝的研究，盡早制定相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)。

6　發(fā)展趨勢

磁巴克豪森噪聲檢測技術(shù)作為一種前沿的無損檢測技術(shù)，以其無損、快速、高效及其他獨(dú)特的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)對鐵磁性材料早期損傷和應(yīng)力狀態(tài)的評估和檢測，有巨大的應(yīng)用前景。

目前，國際上已有較多國家開展對MBN檢測技術(shù)的研究，研究方向包括外部載荷、內(nèi)部殘余應(yīng)力、材料硬度、微觀組織和相含量、信號激勵等多個方面。截至目前，我國國內(nèi)開展MBN信號研究的機(jī)構(gòu)并不多，研究基礎(chǔ)較為薄弱，研究成果也不豐富。

近幾年來，傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、材料分析等科技的發(fā)展，對MBN技術(shù)的研究有著重大的推進(jìn)作用，大大提高了對鐵磁性材料進(jìn)行檢測的效率和精確度。未來幾年，對MBN技術(shù)的研究可從以下4個方面開展：

(1) 加強(qiáng)材料的各種變化因素對MBN信號影響規(guī)律的基礎(chǔ)性研究，得到更全面的影響因素與MBN信號的變化規(guī)律，建立MBN檢測結(jié)果的評價模型，為MBN檢測方法研究和儀器的開發(fā)打下理論基礎(chǔ)。

(2) 引入新的MBN信號分析方法，以及其他評價手段和信號處理技術(shù)，更詳細(xì)更具針對性地分析MBN信號的特性，定量揭示材料信息，提高利用MBN技術(shù)檢測的可靠性和準(zhǔn)確度，為MBN檢測方法研究和儀器的開發(fā)攻克關(guān)鍵技術(shù)。

(3) 開發(fā)測量參數(shù)多、測量精度高、測量范圍更廣、可靠性強(qiáng)的MBN檢測儀，擴(kuò)大工程應(yīng)用范圍，為MBN檢測技術(shù)的推廣應(yīng)用提供硬件保障。

(4) 加強(qiáng)現(xiàn)場檢測工程應(yīng)用研究，獲取現(xiàn)場各種對MBN檢測的影響因素及特征識別方法。開發(fā)有針對性的檢測工藝，制定相應(yīng)的檢測方法國家標(biāo)準(zhǔn)，為MBN檢測技術(shù)的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

7　結(jié)語

近幾年國內(nèi)外開展MBN技術(shù)的研究人員和研究成果都在不斷增多，揭示了許多關(guān)于MBN信號的規(guī)律和特性，提出了結(jié)合MBN方法進(jìn)行金屬材料疲勞狀態(tài)分析、金屬表面處理、殘余應(yīng)力分析等技術(shù)，并制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。與歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，我國的研究成果略顯薄弱，并無成熟儀器和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。與其他無損檢測技術(shù)相比，MBN技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多種檢測于一體;可進(jìn)行材料殘余應(yīng)力分析、材料表面硬度、微觀組織與相含量、滲碳層深度等方面的檢測;可檢測鐵磁性材料的疲勞損傷狀態(tài)，為材料剩余壽命評估提供數(shù)據(jù)。因此，今后應(yīng)該加大對MBN技術(shù)的研究、儀器的開發(fā)、檢測標(biāo)準(zhǔn)的制定和工程應(yīng)用。

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TheDevelopmentStatusofMagneticBarkhausenNoiseTechnique

SHENGong-tian1,ZHENGYang1,JIANGZheng-pei2,TANJi-dong1

(1.ChinaSpecialEquipmentInspectionandResearchInstitute,Beijing100029,China;2.ChinaJiliangUniversity,Hangzhou310018,China)

MagneticBarkhausenNoise(MBN)techniqueisaNondestructiveTesting(NDT)methodcapableofdetectingthemicrostructuretransformation,stressconcentrationanddamageinferromagneticmaterial.Itcanbeusedtoassessthefatiguedamage,thevariationofmicrostructure,andthestressstatueforferromagneticstructureattheearlystage.TheresearchofMBNtechniqueatpresentisreviewedinthispaper,includingmagneticmaterialtestingonstress,analyzingthefatiguestageofmagneticmaterial,analyzingthemetallographicstructure,testingthesurfacehardnessvalue,evaluatingthesurfacetreatmentquality,andthecomparisionwithotherNDTmethods.TheMBNequipmentsandthestandardsareintroducedinthispaperandmeanwhile,thedevelopmenttendencyofMBNtechniqueisindicated.

MBN;NDT;Ferromagneticmaterial;Fatigue;Review

2016-05-09

鐵磁性金屬材料疲勞狀態(tài)磁性無損檢測方法研究資助項目(51377173)

沈功田(1963-)，男，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，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),E-mail：shengongtian@csei.org.cn。

鄭陽(1984-)，男，博士，高工，主要研究方向為電磁超聲、相控陣超聲、超聲導(dǎo)波等檢測方法,傳感器與檢測儀器開發(fā)等,E-mail:zhengyangchina@126.com。

10.11973/wsjc201607016

TG115.28A

1000-6656(2016)07-0066-08