应用于冶金工业的电磁无损检测技术

孙亚飞 刘振宇 孙 静 牛品菽

(广东科学技术职业学院机械与电子工程学院1，广东 珠海 519090;东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室2，辽宁 沈阳 110004;东北大学信息科学与工程学院3，辽宁 沈阳 110004;内蒙古大学计算机学院4，内蒙古 呼和浩特 010021)

0 引言

冶金工业正向自动化、高速、精益和一贯制生产的方向迈进，生产全过程的质量预报、跟踪和控制是冶金工业未来的主要发展方向。以钢材铸造、轧制、退火过程为例，通过在规定的时间内调整钢的显微组织可以达到最终产品性能的均匀性，此时必须依靠无损测试技术才可以进行有效和精确的过程控制［1］。另外，受设备、工艺制度以及原材料等因素的影响，金属工业生产过程中会出现裂纹、气孔、缩孔、夹渣等缺陷，同样也需要在缺陷易产生工序进行在线检测，从而实现产品质量实时监控。

本文从金属显微组织、晶粒度、化学成分、缺陷、应力等材料属性无损检测的研究和应用出发，系统介绍当前电磁无损检测方法在冶金工业的研究发展现状，从中归纳总结了其目前存在的问题，并提出未来应用于冶金工业的无损检测技术发展思路。

1 显微组织结构无损检测

为保证显微组织均匀、机械性能一致，在钢材生产过程中实施精确的过程控制至关重要。如在冷却过程中需要监控高强度钢第二相的演变过程，从而获得期望的机械性能。显微组织会影响铁磁材料的磁性能，因此，在钢铁工业，可以通过检测磁性能的变化来无损估计显微组织的变化［2］。

1.1 涡流检测方法的应用

Habiby等人研究了用以确定马氏体钢中奥氏体体积分数的涡流检测技术［3］，结果表明涡流技术可以快速、定量确定奥氏体体积分数。Khan等人的研究结果表明应用涡流技术可以快速、可靠地检测普碳钢中的珠光体［4］。他们的另一项研究认为可以由涡流方法进行估计热处理效果［5］，同时，他们还对采用涡流方法表征冷轧过程中的不锈钢奥氏体变化技术进行了研究［6］，结果表明，冷轧过程中，涡流检测信号与奥氏体含量具有线性关系;另外，没有观察到晶粒尺寸、残余应力和硬度与涡流检测参数之间的关系。Normando等人分别利用超声技术和涡流技术对双相不锈钢σ相进行检测，研究结果表明，阻抗和超声速率对σ相的形成敏感［7］。

1.2 Barkhausen噪声方法的应用

O'Sullivan等人的研究证明，在30%塑性变形时，随着试件铁素体的增加，Barkhausen噪声的均方根(root mean square，RMS)几乎呈线性增大，因此，Barkhausen噪声可以用于确定试样中的α'马氏体数量，并且证明位错密度的增加相对α'马氏体数量来说对加工硬化的影响更大;另外在形变过程中可以应用Barkhausen噪声研究奥氏体向α'马氏体转变的机理，但Barkhausen噪声不适用于研究加工硬化。矫顽力更适合用于加工硬化的研究［8］。O'Sullivan等人的另一项研究发现磁声发射和Barkhausen噪声与材料的的显微组织结构显著相关，可以用作AISI 430铁素体不锈钢的显微组织状态无损表征方法。研究表明，磁声发射和Barkhausen噪声检测参数对塑性变形敏感;同时检测参数还是退火温度的函数［9］。Kaplan等人研究了双相钢无损表征方法，结果表明，Barkhausen噪声峰值大小可以用于双相钢马氏体、铁素体含量无损估计，Barkhausen噪声峰位置参数对马氏体含量不敏感［10］。

Moorthy等人的研究表明通过Barkhausen噪声峰值和峰位置参数可以很容易地检测到晶粒尺寸和渗碳体粒子尺寸的变化。同时Barkhausen噪声可以用于铁素体钢回火过程不同阶段的检测［11］。Gür等人比较了Barkhausen噪声和超声方法在工业钢材显微结构的检测能力，结果表明，淬火马氏体、回火马氏体、细晶珠光体－铁素体和粗晶珠光体－铁素体对Barkhausen噪声和超声速度检测参数的响应均为逐步增加，但磁特性对显微结构的敏感性更高［12］。

Bükki-Deme等研究了冷轧低碳钢显微组织各向异性对Barkhausen噪声的影响，结果表明平行和垂直于轧制方向的Barkhausen噪声检测结果明显不同［13］。

1.3 宏观磁性能方法的应用

1.3.1 热轧工序显微组织无损检测

Mumtaz等人的研究工作证实，可以通过磁无损检测方法探测304奥氏体不锈钢在高温形变时α'马氏体相产生及其存在范围。马氏体相变与磁参数(包括饱和磁化强度、矫顽力、磁化率)之间具有很好的相关性。饱和磁化强度随α'马氏体相体积分数的增加而增大，而α'马氏体相体积分数又与温度和塑性变形有关。Tavares等人的研究表明双相钢的饱和磁化强度以及磁导率与塑性变形程度具有相关性［15］。

1.3.2 冷轧工序显微组织无损检测

Hauser等人研究了电磁参数与冷轧低碳钢压下率的关系，结果表明，矫顽场强度随压下率的增加而增大［16］。Tavares等人研究证明冷轧塑性变形对于双相不锈钢UNS S31803的显微结构有很大影响，研究结果表明，磁测量方法与X射线衍射方法获得的不同形变下马氏体含量定量测量结果非常接近［17］。

1.3.3 热处理工序显微组织无损检测

无论是感应淬火工艺还是渗碳工艺，工件的硬化层深度测量对于热处理工序中的质量控制来说至关重要。

Zhang等人的研究表明，在一定强度磁场、两种硬化方式下，当硬化层深度增加时，微分磁导率都会增大，但是对于感应淬火加热工件更敏感;两种硬化方式下硬化层深度增加时，饱和磁化强度都会减小［18］。

Guerenu等人研究发现，最大磁感应强度和最大微分磁导率对再结晶的开始非常敏感，其中最大微分磁导率可用于监测再结晶过程。另外，矫顽场、剩磁感应和磁滞损耗间的相关性还可用于区分回复和再结晶过程［19］。

Rumiche等人研究了普碳钢电磁特性与显微组织的关系，结果表明，感生磁饱和度与钢材铁素体含量、晶粒尺寸和硬度相关;当试样横截面面积减小时，会引起饱和磁通、顽磁减小［2］。

Mészáros等人采用不同的无损磁测试方法以及机械性能测试方法研究了SAF 2507超级双相不锈钢的热处理过程。该不锈钢包含有约40%的亚稳铁素体，在热处理过程中会分解为σ相和奥氏体，而这种显微组织结构改变强烈影响材料的机械、抗腐蚀和磁性能。因此，为进一步探究铁素体分解过程的动力学机理，进行了磁测量的研究，研究表明，热处理只影响铁素体的总量，但不影响残余铁素体相的磁性能和显微组织性能。另外，研究者发现应用非线性谐波分析技术可以有效分析显微组织结构。一次谐波幅值与铁素体相总量成正比关系;三次谐波幅值与维氏硬度和断裂韧性具有很好的相关性［20］。

2 晶粒度无损检测

Rivera等人研究了外加张应力和晶粒尺寸对Barkhausen噪声和磁滞回线的影响［21］，结果表明，Barkhausen效应幅值随外加应力增加到最大值之后开始逐渐减小，同时细晶粒的Barkhausen效应幅值远大于对粗晶粒材料的幅值，且随外加应力和晶粒尺寸的增加，最大磁感应强度均降低。

Moorthy等研究了0.22%回火普碳钢的显微组织特性，指出Barkhausen噪声的产生与晶粒和析出相尺寸相关［11］。

Yamaura等人研究了晶粒尺寸对纯铁试样Barkhausen噪声的影响，证实Barkhausen噪声与依赖于晶粒尺寸的Hall-Petch关系具有相关性［22］。

Rivera等研究了晶粒尺寸对Barkhausen噪声和磁滞回线的影响，结果表明，加载应力下的试样的最大磁感应强度随晶粒尺寸增大而显著减小。值得注意的是磁滞回线斜率随晶粒尺寸增大而减小，这意味着微分磁化率随晶粒的增大而减小，这也说明晶粒尺寸对Barkhausen噪声和磁滞回线的影响密切相关［23］。对于亚微米颗粒直接采用磁滞效应校准晶粒尺寸具有特殊的重要性。

Kikuchi等人的研究证实了交流磁导率与位错密度和晶粒尺寸在低频段具有很好的相关性［24］。

3 化学成分无损检测

3.1 钢材含碳量的无损检测

碳作为一种重要的合金元素，在提高钢材产品性能方面起着重要的作用［25－27］。相关研究广泛应用于钢材的组织性能预报中。

Amiri等人将涡流技术用于检测气体渗碳工艺中钢材表面的碳含量，建立了钢材表面含碳量与不同的检测参数(如阻抗、相位角和电压)之间的关系。除了已有的含碳量对阻抗平面的影响之外，发现相位角与含碳量具有很好的线性关系［28］。

Ng等人研究了包含α铁和渗碳体的普碳钢中含碳量与Barkhausen噪声检测参数的关系［29］。结果表明，Barkhausen噪声信号中的一些参数与普碳钢的含碳量有关，这些参数包括半值宽度幅值(half-maximumwidth，HMW)、Barkhausen噪声信号曲线下的面积(如均方根电压输出RMS、上升斜率(rising slope，RS)。

Benitez等人分析了钢材含碳量对Barkhausen噪声跳跃高度影响的理论模型，得到了Barkhausen平均跃迁高度［30］。

除了涡流和Barkhausen噪声方法外，笔者等最近还开发了感应加热法，以在线无损检测钢材中的含碳量。该方法就是采用感应加热方式，将钢材从室温开始加热，一定时间t后，测量钢材表面温度T，然后根据钢材表面温度T计算前述钢材的含碳量C，或者是根据前后钢材的温度差ΔT计算前后钢材的含碳量差值ΔC［31］。这一方法利用的是钢材的含碳量与电阻率具有的相关性［32］。钢材的含碳量与磁导率和热导率也都具有相关性［33－36］，因此，根据麦克斯韦方程和焦耳效应，可以得到不同物理性能下、相同感应加热条件下材料温升不同的结果［37］。因此，加热钢材的表面温度可以作为含碳量检测的唯一参数［31］。

Burzic等人通过商用设备对弹簧钢脱碳层深度进行了研究，结果表明，无损检测技术与传统破坏性检测技术的检测结果基本一致［38］。

Yin等人的研究也证明电磁方法可以无损检测钢棒脱碳层深度，并给出了使用电磁传感器进行检测的解析解［39］。

Benitez等人研究了采用特定参数区分含碳量和塑性变形两个影响因素的变化对Barkhausen噪声的影响，为无损检测的工业应用提供了可能的解决方法［40］。

3.2 其他化学成分的检测

Panda等人研究了不同时效温度处理后的HSLA-100钢机械性能和磁性能的关系以及拉伸变形下试样的磁性能。结果表明，温度在875 K以下时，进行时效处理的试件，矫顽力随应变增加而减小;在875 K以上时，Cu析出量增加，对畴壁钉扎作用增强，因此矫顽力随应变增加而增大。由Cu的作用，作者推断该方法将为HSLA钢化学成分无损检测技术的开发奠定基础［41］。

4 缺陷无损检测

无损检测广泛应用于各种缺陷检测，其中金属材料铸造加工过程的缺陷检测是当今相关领域的研究重点之一。

Li等人利用涡流无损评价方法重构三维缺陷轮廓，使用遗传局部搜索算法求解优化问题［42］。

Tian等人提出了通过多传感器融合技术，利用主成分分析(principal component analysis，PCA)方法进行特征提取［43］。

Helifa等人对磁性钢铁材料表面裂纹的涡流检测技术进行了研究［44］，研究结果表明，利用检测缺陷可以区分提离效应和表面裂纹的影响，同时指出可以检测9 mm深铁磁性材料的表面裂纹。

Yusa等人利用涡流模拟技术建立了裂纹评价计算模型，并分别对疲劳裂纹和应力腐蚀裂纹进行了检测［45］，研究结果表明，可以将疲劳裂纹看作是电导率相同或近似为零的区域，而不必考虑裂纹的精确宽度。

Shu等人采用脉冲涡流探针方法研究了表面和内部裂纹的识别问题［46］，结果表明，改变探针的结构可以有效检测任意方向的裂纹。

He等人利用脉冲涡流检测技术识别表面缺陷和内部缺陷［47］，试验结果表明，可以依靠上升时间作为时域特征来识别和区分不同类型的缺陷，另外还可以采用缺陷信号和无缺陷信号的交叉时间以及不同的峰值时间来区分表面缺陷和内部缺陷。

Theodoulidis等人利用改进的边界元法计算涡流场，使裂纹信号的计算更为快速精确［48］。

Bi等人的研究表明，由裂缝引起的磁场分布和磁性能不均匀性会随裂缝的面积而改变。漏磁、磁滞和测量的矫顽力均对裂纹位置和裂纹面积敏感。其中测量的矫顽力首先随裂缝区的面积增加而增大，但当裂缝区的面积增加到总横截面积的60%以上后，测量的矫顽力随裂缝区的面积增加而减小。另外，剩磁和裂缝区面积具有线性关系，可用于估计裂缝面积［49］。

5 应力无损检测

Rivera等人的研究表明应力和晶粒尺寸会影响Barkhausen噪声和磁滞回线。Barkhausen噪声电压信号会随加载应力的增大而增加，并达到一个最大值，之后就会随加载应力增大而减小;同样当晶粒尺寸增大时，Barkhausen 噪声电压信号减小［23］。

Stewart等人的研究结果证实，Barkhausen噪声检测参数对压应力敏感，对张应力不敏感［50］。

Yelbay等人的研究表明，应用Barkhausen噪声可以精确、快速无损检测焊接钢板的表面残余应力。但检测信号与显微组织具有相关性，因此，校准过程显得至关重要［51］。

Lindgren等人研究了利用残余应力与巴克豪森噪声之间的关系对双相不锈钢进行检测。研究表明，巴克豪森噪声幅值的均方根值(RMS)、最大的巴克豪森噪声位置、半高宽度(full width half maximum)、功率谱和脉冲高度分布均可以用于表征残余应力;在一定程度上所有参数均受残余应力的影响，没有一个参数完全独立于其他参数;用于残余应力检测的最佳参数是RMS值;RMS值随铁素体相中总应力(宏观应力+均匀微观应力)而变化。研究结果证明通过检测巴克豪森噪声可以估计双相不锈钢中铁素体相的残余应力［52］。

Lindgren等人研究了加载应力的双相不锈钢试样的Barkhausen噪声信号，结果表明，Barkhausen噪声在拉伸应力下增大，在压应力下下降。另外，对预应变试样，应力敏感性比非应变试样高，特别是在加载压应力情况下［53］。

Takahashi等人的结果表明，对于所有材料，矫顽力随加载应力的增加而增大。磁化系数χC可以用一个简单的关系表示其与磁场强度H的关系，χC=c/H3，这里系数c与位错、晶粒尺寸有关，但与塑性变形过程无关［54］。

6 讨论

通过前面的分析可以看出，为实现产品质量全过程实时控制的目标，贯穿冶金工业全流程的相关电磁无损检测的研究越来越广泛和深入，尤其是在显微组织无损检测方面的研究内容最为集中。如表1所示，电磁无损检测方法主要包括涡流、Barkhausen噪声和宏观磁性能法。这些方法也常被用于晶粒度、化学成分、缺陷和应力方面的研究，如表2所示。此外，新的无损检测方法，如通过测量感应加热后钢材表面温度来检测含碳量的方法，也正逐步得到工业应用［31］。比较分析这些无损检测方法和检测对象可以发现当前电磁无损检测技术存在的问题和潜在的应用领域。

表1 电磁无损检测技术在显微组织方面的研究概况Tab.1 Survey of electromagnetic nondestructive inspection technology in microstructure evaluation

表2 电磁无损检测技术在晶粒度、化学成分、缺陷和应力方面的研究概况Tab.2 Survey of electromagnetic nondestructive inspection technology in evaluating grain，chemical contents，defects and stress

6.1 过程检测问题

本文所述的无损检测方法均属于过程检测技术，可以表征金属材料在热加工、冷加工、热处理等工序过程中材料的显微组织以及性能在不同工艺条件下的变化情况。如可以由涡流方法估计推断热处理效果［5］;通过Barkhausen噪声峰值和峰位置参数用于铁素体钢回火过程不同阶段的检测［11］;矫顽场、剩磁感应和磁滞损耗间的相关性还可用于区分回复和再结晶过程［19］;磁声发射和Barkhausen噪声检测参数对塑性变形敏感［9］;磁测量方法对马氏体含量定量测量也可以用于不同形变率的估计［17］;同样，宏观磁性能还可以用于检测生产过程中钢材几何尺寸的变化［2］。因此，冶金领域的无损检测的研究和应用重点是过程检测。

另外，冶金工业过程中无损检测的研究内容广泛，复杂工艺过程之下需要采用不同的检测方法。也正因为冶金加工过程的工艺复杂性，目前的研究大多限于单一材料组织、性能的无损检测研究，缺乏特定材料的多性能(显微组织、晶粒度、化学成分、形变、缺陷和应力等)无损检测研究，更缺乏贯穿轧制、热处理等工艺过程的无损检测研究。

6.2 多物理参数检测问题

目前的冶金工业无损检测技术的研究和应用大多限于通过单一物理参数来反映材料的组织性能状态，但事实上，材料的某些特性可以通过不同的物理参数的相关性来得到反映。如在研究冷轧低碳钢退火阶段回复和再结晶过程中显微组织演变无损检测问题时，Guerenu等人就发现可以通过矫顽场、剩磁感应和磁滞损耗间的相关性来区分回复和再结晶过程［19］。

另外，笔者在研究通过测量感应加热后钢材表面温度来检测含碳量的方法时，利用了钢材的含碳量与电阻率的相关性与磁导率的相关性，以及与热导率的相关性［32－36］，并根据麦克斯韦方程和焦耳效应，分析得到在物理性能不同，但感应加热条件相同的情况下，材料温升不同的结果［37］。

6.3 过程无损检测的校准问题

无损检测仪器设备所获得的检测结果精度与仪器设备校准过程密切相关［38］。冶金过程工艺复杂、设备庞大，无论是标样因素，还是过程参数的原因，传统方法都难以满足在线无损检测仪器设备的校准需要。因此，需要研究切实可行的校准方法及标准。

7 结束语

综上所述，可以认为电磁无损检测技术是未来冶金工业最有前途的无损检测技术之一。未来的研究重点应是在显微组织演变、形变以及温升(降)等复杂过程下，材料物理特性的在线、无损和实时检测。另外，由于涉及原材料原始状况、加工温度以及材料几何尺寸的变化等复杂性的影响，有必要建立多检测参数综合分析方法，区分不同影响因素，以获得准确、可靠的无损检测结果。最后，应该指出的是，在冶金过程中，材料性质的变化实际上是材料显微组织、力学性能在由热能、形变等组合作用下的结果。因此，建议未来研究材料显微组织等与材料物理性能的关系时，以建立统一模型为出发点，探讨材料显微组织等特性影响材料物理属性的机理。

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