電磁檢測(cè)材料巴克豪森效應(yīng)的研究

電磁檢測(cè)材料巴克豪森效應(yīng)的研究

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，道路交通密度、載重量和速度的不斷擴(kuò)大，加劇了鐵路損壞。而且我國鐵路情況很復(fù)雜,線路運(yùn)行狀況較差,超期服役的鋼軌數(shù)量大,鋼軌損傷率高,因損傷造成的鋼軌斷裂的情況經(jīng)常發(fā)生,直接對(duì)行車安全造成威脅。研究表明,雖然鋼軌損傷類型多樣,但其早期形成都源于局部應(yīng)力過大,所以鋼軌應(yīng)力狀態(tài)的檢測(cè)對(duì)于高速鐵路軌道的安全保障具有重大意義。巴克豪森效應(yīng)指出,由磁疇組成的鐵磁性材料施加交變磁場(chǎng)作用,磁疇會(huì)沿外磁場(chǎng)作用方向發(fā)生90°或180°反轉(zhuǎn)或使磁疇壁移動(dòng),這種磁疇變化過程使材料內(nèi)部產(chǎn)生一系列突變的、階躍式的脈沖信號(hào)。研究表明,這些脈沖信號(hào)與被測(cè)區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)、塑變、晶粒取向及各種微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性等微觀因素有關(guān),因此,對(duì)巴克豪森噪聲進(jìn)行分析,能夠獲得材料表面和內(nèi)部的微觀狀態(tài)和應(yīng)力信息。目前常用于描述巴克豪森信號(hào)的時(shí)域特征值主要有信號(hào)均值、均方根、振鈴數(shù)、峰值、峰值時(shí)間和峰寬比,研究不同激勵(lì)參數(shù)對(duì)巴克豪森應(yīng)力檢測(cè)信號(hào)的影響,對(duì)于選擇合適的激勵(lì)源和特征值評(píng)價(jià)被測(cè)材料的微觀結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài),提高檢測(cè)靈敏度很有必要。1加力及信號(hào)系統(tǒng)試驗(yàn)塊采用如圖1所示的四點(diǎn)彎曲加載方式,用以驗(yàn)證和分析不同因素對(duì)巴克豪森信號(hào)的影響程度。試驗(yàn)系統(tǒng)包括:(1)四點(diǎn)彎曲加載平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)加載壓力,加力范圍是0～1000N。(2)加載試塊:A3鋼塊一條,尺寸為660mm×30mm×5mm。(3)巴克豪森信號(hào)采集和處理系統(tǒng)。試驗(yàn)中,針對(duì)某一確定的激勵(lì)形式,固定激勵(lì)電壓(試驗(yàn)中為避免激勵(lì)信號(hào)過大而在檢測(cè)線圈中形成感應(yīng)脈沖,激勵(lì)電壓選為3.2V),通過應(yīng)力加載機(jī)實(shí)現(xiàn)被測(cè)鋼條的上表面所受壓應(yīng)力從0～150MPa變化,考慮到巴克豪森信號(hào)主要集中在4～20kHz,采集系統(tǒng)采樣頻率為200kHz。2信號(hào)的三種特征值分別使用三角波和正弦波激勵(lì)時(shí),分別采用2,5,10Hz作為激勵(lì)頻率,采集巴克豪森噪聲。從圖2(a)和(b)中可見,當(dāng)應(yīng)力從0～150MPa變化時(shí),峰值的相對(duì)值從100%呈現(xiàn)明顯的單調(diào)遞減規(guī)律,且激勵(lì)頻率為2Hz時(shí)這一下降過程最為明顯,在150MPa應(yīng)力下峰值降為無應(yīng)力時(shí)的0.46;峰寬比隨著應(yīng)力增加也呈下降趨勢(shì),其下降的幅度很明顯,但是在45MPa以內(nèi)線性度良好,而在75MPa時(shí)已達(dá)飽和,隨壓應(yīng)力增加幾乎無變化,且喪失了單調(diào)性;筆者嘗試對(duì)應(yīng)力取對(duì)數(shù)坐標(biāo),以2Hz激勵(lì)為例,則在0～90MPa線性度很好,應(yīng)力進(jìn)一步增大后,對(duì)數(shù)曲線也呈現(xiàn)明顯波動(dòng)。從圖2(c)和(d)可見,應(yīng)力從0～150MPa變化過程中,均值和均方根的相對(duì)變化都是單調(diào)的。以2Hz激勵(lì)下的響應(yīng)為參考,均值的相對(duì)變化量只有大約25%,而均方根的相對(duì)變化量約有40%;通過對(duì)比不同頻率下的特征值可見,改變激勵(lì)頻率對(duì)響應(yīng)的影響并不大,2Hz的激勵(lì)只是相對(duì)好一些;而頻率變化對(duì)均方根的影響就相對(duì)比較明顯,三條響應(yīng)曲線分開比較明顯,不論是線性度還是相對(duì)靈敏度,2Hz激勵(lì)下的響應(yīng)都明顯優(yōu)于高頻激勵(lì)。從圖2(e)和(f)可見,峰值時(shí)間在應(yīng)力較小的時(shí)候能反映出應(yīng)力的變化趨勢(shì),且在大約50～70MPa之間具有較高的相對(duì)靈敏度,而在應(yīng)力增大后很快飽和,且喪失了響應(yīng)的單調(diào)性,頻率改變對(duì)響應(yīng)信號(hào)的影響并不明顯;振鈴數(shù)在頻率較低的時(shí)候具有良好的相對(duì)靈敏度和線性度,變化范圍超過70%,且頻率對(duì)響應(yīng)信號(hào)的影響很明顯,不論是線性度還是相對(duì)靈敏度,2Hz激勵(lì)下的響應(yīng)都明顯優(yōu)于高頻激勵(lì)。正弦信號(hào)作為激勵(lì),在巴克豪森檢測(cè)系統(tǒng)中被普遍采用,因而在此用其與三角波激勵(lì)對(duì)比,激勵(lì)電壓和頻率采用與三角波試驗(yàn)中一樣的3.2V和2,5,10Hz,所得巴克豪森信號(hào)的六種特征值分別如圖3所示。由圖3(a)和(b)可見,正弦激勵(lì)下,信號(hào)的峰值和峰寬比的相對(duì)變化也呈現(xiàn)出與三角波激勵(lì)基本一致的趨勢(shì),最大特點(diǎn)就是2Hz激勵(lì)的響應(yīng)信號(hào)具有良好的單調(diào)性,且頻率的影響明顯。如圖3(c)所示,正弦激勵(lì)下的巴克豪森信號(hào)均值,在低頻激勵(lì)下隨應(yīng)力的增大呈單調(diào)減小,不過非線性比較嚴(yán)重;均方根則在低頻激勵(lì)情況下有良好的線性度和靈敏度。由圖3(e)和(f),振鈴數(shù)在低頻激勵(lì)下具有良好的線性度和靈敏度表現(xiàn),但響應(yīng)的線性度和相對(duì)靈敏度隨激勵(lì)頻率升高而迅速惡化,且受頻率影響顯著減小;峰值響應(yīng)時(shí)間則與應(yīng)力變化缺乏足夠的對(duì)應(yīng)關(guān)系,并且改變激勵(lì)頻率幾乎不改變響應(yīng)的峰值時(shí)間。從以上三角波和正弦波激勵(lì)下,不同激勵(lì)頻率所產(chǎn)生的巴克豪森響應(yīng)分析,在靜態(tài)測(cè)試條件下:(1)低頻激勵(lì)下響應(yīng)的線性度和靈敏度要明顯優(yōu)于高頻激勵(lì)下的響應(yīng)。從巴克豪森效應(yīng)的微觀機(jī)理解釋,因?yàn)榘涂撕郎盘?hào)是鐵磁性材料在外部磁場(chǎng)作用下,磁疇壁發(fā)生移動(dòng)或翻轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的磁矢量變化過程中產(chǎn)生的隨機(jī)信號(hào),由于材料磁疇壁類型、自由能因素影響,當(dāng)外部磁場(chǎng)改變時(shí),磁疇壁的移動(dòng)或翻轉(zhuǎn)是一個(gè)過程,如圖4所示。低頻激勵(lì)下,磁疇可以獲得足夠的翻轉(zhuǎn)時(shí)間,因而各特征值可以包含足夠的材料微觀結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)信息;當(dāng)激勵(lì)頻率升高,由于外加磁場(chǎng)的變向時(shí)間間隔縮短,使得部分疇壁能較高的磁疇未能獲得足夠的翻轉(zhuǎn)時(shí)間,從而在宏觀上體現(xiàn)為特征值相對(duì)降低。(2)在激勵(lì)的低頻階段,頻率對(duì)響應(yīng)信號(hào)的特征值的影響要比在高頻階段的明顯。從圖4中可以看出,巴克豪森噪聲信號(hào)在激勵(lì)信號(hào)過零點(diǎn)附近有強(qiáng)烈輸出。根據(jù)磁滯效應(yīng),激勵(lì)過零點(diǎn)處是激勵(lì)變化率最大的時(shí)刻,而外加磁場(chǎng)并未能立刻反向,而是要滯后一段時(shí)間,這就是巴克豪森信號(hào)峰值時(shí)間總是大于零的原因;當(dāng)外加磁場(chǎng)開始急劇變化的時(shí)候,材料中的磁疇開始劇烈翻轉(zhuǎn),當(dāng)激勵(lì)的變化率逐步降低,巴克豪森噪聲的信號(hào)幅值也隨之降低。由于磁疇的劇烈翻轉(zhuǎn)過程時(shí)間相對(duì)很短,所以當(dāng)從低頻逐步升高時(shí),由于響應(yīng)信號(hào)的幅值有效翻轉(zhuǎn)時(shí)間急劇減小,對(duì)巴克豪森噪聲信號(hào)的影響也迅速降低,體現(xiàn)在宏觀上即表現(xiàn)為頻率增大之后對(duì)巴克豪森信號(hào)的影響越不明顯。3角波和正弦波激勵(lì)的巴克豪森信號(hào)特征值對(duì)比用不同頻率下的三角波、正弦波激勵(lì),對(duì)檢測(cè)到的巴克豪森信號(hào)分別計(jì)算六種特征值,用以對(duì)比激勵(lì)波形變化對(duì)巴克豪森響應(yīng)的特征值的影響。如圖5(a)和(b)所示,用試驗(yàn)中所用兩種形式激勵(lì)信號(hào)不同頻率的巴克豪森響應(yīng)的振鈴數(shù)這一特征值進(jìn)行比較。首先,對(duì)于三角波和正弦波激勵(lì),低頻響應(yīng)明顯優(yōu)于高頻激勵(lì);其次,三角波和正弦波兩種激勵(lì)方式相比較,三角波激勵(lì)的巴克豪森振鈴數(shù)可以更好地反映出應(yīng)力的變化。圖5(c)和(d)所示,巴克豪森信號(hào)峰寬比這一特征值也具有和振鈴數(shù)類似的規(guī)律,但是對(duì)于不同激勵(lì)的區(qū)分度不太明顯。由圖5(c)和(d)可見,三角波和正弦波激勵(lì)下,除了三角波2Hz激勵(lì)下的峰值這一特征值,各頻率激勵(lì)的響應(yīng)區(qū)分度并不明顯;由圖5(e)和(f)可見,對(duì)于均值和均方根這兩個(gè)特征值,三角波的2Hz激勵(lì)的巴克豪森信號(hào)的均方根與應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系在線性度和靈敏度上都要優(yōu)于均值。通過上述不同激勵(lì)的六個(gè)特征值的比較,三角波在同頻激勵(lì)下的巴克豪森信號(hào)特征值要明顯優(yōu)于正弦激勵(lì);對(duì)于三角波的不同特征值,峰值和均方根對(duì)應(yīng)力的變化更敏感。正弦激勵(lì)雖然頻率單一,比三角波少了諧波分量,但是巴克豪森信號(hào)體現(xiàn)的是磁疇翻轉(zhuǎn),高頻諧波由于幅值很小,而且由于磁化時(shí)間的限制,高頻分量對(duì)巴克豪森信號(hào)的影響很微弱;而三角波的電壓變化率是固定的,因而導(dǎo)致外加于材料的磁場(chǎng)變化率也是固定的,則減少了因外部磁場(chǎng)非線性變化而引起的巴克豪森信號(hào)特征值的非線性,所以,用三角波作為激勵(lì),均值、均方根等特征值均呈現(xiàn)出比正弦激勵(lì)更好的線性度。4試驗(yàn)結(jié)果分析由以上試驗(yàn)對(duì)比可得出以下結(jié)論:(1)對(duì)于同樣的激勵(lì)形式,由于低頻激勵(lì)可使材料內(nèi)部磁疇獲得足夠的翻轉(zhuǎn)時(shí)間,所以筆者認(rèn)為在2,5,10Hz這三種激勵(lì)頻率中,正弦激勵(lì)和三角波激勵(lì)下都應(yīng)選擇2Hz的激勵(lì)頻率。(2)對(duì)于試驗(yàn)采用的正弦和三角波激勵(lì)性比較,三角波激勵(lì)因電壓線性變化,其巴克豪森信號(hào)的各特征值均比正弦波激勵(lì)下的響應(yīng)特征值具有更好的線性度。(3)由結(jié)論(1)以及試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)激勵(lì)頻率增大之后的響應(yīng)信號(hào)特征值與應(yīng)力關(guān)系曲線區(qū)分