基于MBN法的应力检测参数优化及试验

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(1.南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室，南昌 330063；2.陆军装甲兵学院 装备再制造技术国防科技重点实验室，北京 100072)

铁磁性材料在机械装置、电力运输设备、仪器仪表和建筑等行业都得到了广泛应用。铁磁性材料在使用过程中受力复杂，容易产生局部应力集中而导致局部塑性变形，长期使用会产生疲劳损伤，影响材料的力学性能和使用寿命。目前,检测材料残余应力的技术还有待突破。巴克豪森噪声法是一种新型的无损检测技术，具有信号特征显著，检测手段简单等特点。SRIDHARAN等[1]将研磨温度模型与MBN噪声分析法进行结合，对轴承钢表面的热损伤程度进行预测，研究表明通过将研磨区温升与MBN均方根相关联，可以非常准确地检测研磨引起的热损伤，而不需要进行破坏性评估和验证。田贵云等将MBN信号分布的偏度作为微观结构表征和应力应变测定的新特征，分析了畴壁能量和钉扎边缘之间的距离对非线性偏斜现象的影响，证实了偏斜度对应力具有更好的灵敏度[2-3]；陈立功等[4]创建了结合虚拟仪器技能的MBN残余应力检测系统，得出热处理后的板材MBN信号强度有降低趋势的结论。

笔者应用巴克豪森噪声法对Q235钢进行了应力检测，搭建了一套MBN信号检测平台，研制了基于MBN原理的检测装置，确定了MBN信号检测的最优参数，开展了Q235钢静载拉伸试验，分析了MBN信号峰值与拉应力的规律。

1 MBN检测平台的设计

巴克豪森信号检测平台由激励部分、检测部分和信号处理部分组成，其结构如图1所示。激励部分由任意波形发生器和功率放大器共同构成。任意波形发生器产生激励交流电，功率放大器将低功率的激励信号放大，获得足够磁化强度的交变磁场。信号处理部分是由差分式前置放大器、带通滤波器和示波器组成的。差分式前置放大器对毫伏级的脉冲电压进行放大，带通滤波器滤除与激励信号同频率的感生电压，示波器作为信号采集装置对巴克豪森信号进行显示和采集。

图1 MBN信号检测平台结构框图

图2 巴克豪森检测探头外观

巴克豪森检测探头由U型磁轭、激励线圈和检测线圈共同组成，如图2所示。将线径0.71 mm的漆包线绕在U型磁轭上作为激励线圈，并施加交变电流，感生交变磁场。经过验证，在U型磁轭上绕600匝漆包线最为合适，并且需要保证绕制的漆包线之间排列紧密且螺旋方向一致。U型磁轭的材料是锰锌铁氧体，具有磁导率高、频带宽、磁滞回线窄而长以及矫顽力低等优点，能够束缚磁力线，保证磁化场强度。将线径0.15 mm的漆包线绕在磁环上作为检测线圈。经过验证， 线圈匝数为2 000匝时，检测线圈对脉冲电压具有很高的灵敏度。

2 巴克豪森检测试验

2.1 试验材料及试验方案

试件材料为Q235钢，试件规格(长×宽×厚)为220 mm×50 mm×3 mm，其几何尺寸如图3所示。该材料主要性能参数为：屈服点235 MPa;抗拉强度375～500 MPa;伸长率26%。在拉伸过程中，应力集中最严重的区域处于试件的中间位置，此处所受的拉应力最大，因此在试件的几何中心预设一个测量点。此测量点距上下两侧的距离均为20 mm，距左右两侧的距离均为110 mm。为消除机械加工等因素对试件残余应力的影响，试验之前对试件进行去应力退火处理[5-6]。

图3 试件几何尺寸示意

试验所需设备为：① WDW-E100D型电子程控试验机；② 巴克豪森信号检测平台(见图4)。

图4 巴克豪森信号检测平台外观

试验步骤为：将拉伸应力设定为3，6，9，12，15，18，21，24，27，28 kN进行试验拉伸。当试件处于预定载荷时，采用不同波形的激励信号磁化试件，离线测量试件几何中心点的巴克豪森噪声信号。

试件拉伸过程中，加载速度设定为0.1 mm·min-1。

2.2 优化参数试验结果与分析

选用不同的激励波形、电压以及频率的信号进行测试，分析巴克豪森信号的峰值，确定最佳的激励波形、电压和频率。

采用正弦波、三角波和方波激励信号分别测试。当激励电压为1 V时，激励频率由5 Hz增至50 Hz，分析频率与信号峰值之间的关系；当激励频率为35 Hz时，激励电压由0.5 V增至7.5 V，分析电压与信号峰值之间的关系。试验后，得到的结果如图5～10所示。

图5 正弦波频率与信号峰值的关系

图6 正弦波电压与信号峰值的关系

图7 三角波频率与信号峰值的关系

图8 三角波电压与信号峰值的关系

图9 方波频率与信号峰值的关系

图10 方波电压与信号峰值的关系

由图5可知，当激励电压为1 V时，巴克豪森信号峰值随正弦波激励频率的增大而增大，并且变化梯度减小，当频率达到35 Hz时，信号峰值不再随频率的增大而增大。由图6可知，随着电压的增大，巴克豪森信号峰值也在增大，在2～7.5 V之间，信号峰值的增幅较为稳定，在5.5 V以后，随着电压的增大，信噪比减小，不利于巴克豪森信号的观察。

由图7可知，当激励电压为1 V时，随着三角波频率的增大，巴克豪森信号峰值也在增大，并且增大的趋势在减弱。当频率达到35 Hz时，信号峰值不再随频率的增大而增大。由图8可知，随着电压的增大，巴克豪森信号峰值也在增大，并且在4 V以后，信号峰值的增幅降低，信噪比减小。在数值方面，三角波产生的信号峰值比正弦波产生信号的峰值要小；在信号特征方面，三角波产生的信号的信噪比比正弦波产生信号的信噪比更小。

由图9可知，当激励电压为1 V时，随着方波频率的增大，巴克豪森信号峰值减小，但是在25～30 Hz,40～45 Hz之间出现了反向增大。由图10可知，随着电压的增大，巴克豪森信号峰值的变化呈递增趋势。在信号特征方面，方波产生的巴克豪森噪声信号不完整，且30 Hz以后信噪比更小，但是180°的磁畴翻转特别剧烈，产生的脉冲电压强，中间的巴克豪森信号突兀，不利于巴克豪森信号的观察。

交变电流产生的交变磁场会对材料内部的磁畴翻转产生影响，磁化过程如图11所示。当磁化场H逐渐增加时，磁化强度M随之增长，开始时M增长得比较迟缓，然后经过一段急剧上升的过程，又进入迟缓变化的阶段，最终达到磁饱和，磁化曲线如ab所示；当外磁场减小至0时，试件会保留一定的磁性，磁化曲线如bc所示；M减小至0的过程当中，材料内部发生磁畴壁位移(可逆磁化)和小跳跃的磁畴转动(不可逆磁化)，产生的巴克豪森信号微弱，当M反向增大至磁饱和时，磁畴转动的跳跃剧烈，巴克豪森噪声信号显著，如cd所示；H减小至0的过程中，材料保留剩磁，如de所示。

图11 巴克豪森噪声与磁滞回线

通过比较正弦波、三角波和方波，发现正弦波与三角波产生的巴克豪森信号的特征类似，但正弦波产生的巴克豪森信号的峰值略大于三角波产生的巴克豪林信号的峰值。在信号特征上，方波产生的巴克豪森信号不完整，这种现象与方波的波形有关。正弦波和三角波的信号都存在由0过渡到峰值的过程，激励电压是有变化区间的，产生的外磁场对材料的作用是一个完整的磁滞回线的过程。这一过程中伴随着磁畴的可逆转动，90°磁畴不可逆翻转以及180°磁畴不可逆翻转。而对于方波，外磁场强度是恒定值，在磁场强度饱和的情况下，检测线圈感生的电脉冲大部分来源于180°的磁畴翻转，所以感生的电脉冲很强，当磁化场随着激励信号改变方向时，试件进入退磁阶段，外磁场强度迅速减弱，感生的电脉冲的电压降低，直到磁场完全退去，外磁场转换为反向饱和磁场。

结合对三种波形的分析，可选择的波形有正弦波和三角波，最适宜的激励频率和电压分别为35 Hz和4 V，如图12,13所示 。

图12 正弦波的激励与检测信号

图13 三角波的激励与检测信号

2.3 静载拉伸试验结果及分析

将检测线圈的中心置于试件的几何中心，并用绝缘胶带将试件与检测探头固定，防止磁化过程中产生的振动影响巴克豪森信号的稳定性，检测的数据如表1，2所示。

表1 正弦波激励下的巴克豪森信号峰值

表2 三角波激励下的巴克豪森信号峰值

对比分析正弦波激励和三角波激励产生的巴克豪森信号峰值与应力的关系曲线，如图14,15所示。

图14 正弦波激励下的MBN信号峰值拟合曲线

图15 三角波激励下的MBN信号峰值拟合曲线

试件所受的拉应力小于屈服点时，巴克豪森信号峰值随拉应力的增大而增大，并且越靠近屈服点，峰值变化越剧烈；当试件所受的拉应力大于屈服点时，巴克豪森信号峰值先急剧下降，然后趋于稳定。正弦波激励产生的信号峰值大于三角波激励信号产生的信号峰值，在屈服点处尤为明显，此处正弦波产生的巴克豪森信号的峰值近乎于三角波产生的巴克豪森信号峰值的2倍。

为了研究巴克豪森信号峰值与应力集中之间的关系，对MBN信号峰值曲线分阶段进行Gauss Amp函数和Log Normal函数的非线性拟合。Log Normal函数回归是一种广义的线性回归方法，具有A2+(A1-A2)/[1+(x/x0)p]的特征方程，其中A1,A2,x0,p为待求系数。可得出正弦波和三角波激励下的MBN信号峰值拟合曲线(塑性阶段)的相关度为0.995 39和0.990 3，近乎无差异。Gauss Amp函数具有y0+A*exp{-0.5[(x-xc)/w2]}的特征方程，其中A1,A2和p为待求系数。正弦波激励下的MBN信号峰值拟合曲线(弹性阶段)的y0=2.598 34，xc=13.903 1，w=3.953 57，A=4.100 44，可见相关度Adjusted R-square(相关系数R2)为0.999 93，而三角波激励下的MBN信号峰值拟合曲线(弹性阶段)的相关度Adjusted R-square(相关系数R2)为0.10303,表明正弦波激励下的MBN信号峰值(弹性阶段)与拉应力的相关性极好，因此可以选用正弦波作为激励信号，利用MBN信号峰值遵循的Gauss Amp曲线和Log Normal曲线对应力集中进行定量分析。

当铁磁性材料受拉应力作用时，存在由形变而引起的磁弹性能和外应力作用而产生的磁应力能[7-8]。对于磁致伸缩系数为正的Q235钢，材料内部的自发磁化方向趋向平行于拉应力的方向[9-12]。从磁畴与位错理论来说，在弹性变形阶段，随着拉应力的增大，试件应力集中的区域产生局部微小的変形，位错在一定程度上进行增殖，并阻碍磁畴的翻转，噪声的峰值有所增大；当载荷接近屈服点时，材料中少量的间隙原子(如碳、氮等)因为畸变发生的应力场与位错产生弹性交互作用，使它们倾向于分散到位错线四周，构成偏聚气团，从而锁定位错。此时位错对磁畴翻转的阻碍作用最为强烈，产生的噪声信号峰值最大；当外应力继续增大，以位错、位错缠结以及位错胞形式出现的钉扎点成幂次数地迅速增加。强烈的钉扎作用使磁畴的有序化运动停止，导致噪声的峰值不再增加，反而略小于未拉伸时产生的噪声的峰值，直至试件断裂。

3 结论

(1) MBN信号峰值与激励信号的波形、频率和电压都有关系。对数据进行比较可以发现，正弦波对信号峰值的影响要优于三角波，因此可以选用正弦波作为激励波形；激励信号的电压与信号峰值呈正相关关系，参考信噪比和峰宽比，优先选用4 V电压；在0～50 Hz之间，信号峰值随激励信号频率的增加而增加，最后趋于平缓，参考峰宽比，优先选用35 Hz。因此，选用电压4 V，频率35 Hz的正弦波作为激励信号，具有信号特征明显，信噪比高等优势。

(2) 巴克豪森信号峰值随拉应力的增加，先增大后减小，并在屈服点附近达到最大值。在弹性阶段，未发生明显的变形，此时可以参照Gauss Amp函数的非线性拟合曲线进行评估；在塑性阶段，试件开始发生塑性变形，且变形程度逐渐增加，此时可以参照Log Normal函数的非线性拟合曲线进行评估。弹性阶段和塑性阶段非线性拟合曲线的相关度为0.999 93和0.995 39，拟合精度较高，达到误差指标的要求，上述研究表明巴克豪森信号峰值与拉应力有良好的相关性。

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