《無損檢測 鐵磁性金屬材料力學(xué)參量微磁檢測指南-CSTM標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿》

T/CSTMXXXXX—2020

ICSXX.XXX.XX

XXX

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

T/CSTMXXXXX-2020

無損檢測鐵磁性金屬材料力學(xué)參量微磁

檢測指南

Nondestructivetesting—StandardGuideforMicromagneticTestingof

MechanicalParametersofFerromagneticMetalMaterials

（征求意見稿）

2020-XX-XX發(fā)布202X-XX-XX實(shí)施

中關(guān)村材料試驗(yàn)技術(shù)聯(lián)盟

發(fā)布

中國材料與試驗(yàn)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)

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無損檢測鐵磁性金屬材料力學(xué)參量微磁檢測指南

1范圍

本文件規(guī)定了鐵磁性金屬殘余應(yīng)力、硬度、硬化層深度、屈服強(qiáng)度、塑性變形等力學(xué)參量的微磁檢

測的方法、檢測人員、檢測設(shè)備、試樣、檢測程序、檢測結(jié)果異常的處理、檢測記錄和報(bào)告的一般原則。

本文件適用于制造過程中的鐵磁性齒輪、葉片、曲軸、火車車輪和車身結(jié)構(gòu)件的力學(xué)參量檢測。其

它鐵磁性金屬結(jié)構(gòu)件的力學(xué)參量檢測可參考本文件。

2規(guī)范性引用文件

下列文件對于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于本文

件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。

GB/T20737無損檢測通用術(shù)語和定義

GB/T12604.5無損檢測術(shù)語磁粉檢測

GB/T12604.10無損檢測術(shù)語磁記憶檢測

GB/T9445無損檢測人員資格鑒定與認(rèn)證

3術(shù)語和定義

GB/T20737、GB/T12604.5和GB/T12604.10界定的術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1微磁信號(hào)Micromagneticsignal

鐵磁性材料在周期磁化過程中，能夠表征磁疇翻轉(zhuǎn)過程中不連續(xù)跳變等磁化行為的特征磁信號(hào)，主

要包括磁巴克豪森噪聲和增量磁導(dǎo)率。廣義的微磁信號(hào)還可以包括磁滯回線、切向磁場強(qiáng)度和渦流等。

3.2微磁參量Micromagneticparameters

微磁信號(hào)的時(shí)域、頻域等統(tǒng)計(jì)特征參量。

3.3標(biāo)定試樣Calibratedsample

用于獲取特定待測結(jié)構(gòu)件微磁參量與力學(xué)參量對應(yīng)關(guān)系而制備的系列試樣。

3.4預(yù)測模型Predictionmodel

針對被測結(jié)構(gòu)件配置在微磁檢測儀器軟件系統(tǒng)中、輸入為微磁參量值和輸出為所檢測力學(xué)參量值的

算法模型。

3.5驗(yàn)證試樣Verifiedsample

用于判斷預(yù)測模型是否適用于待測結(jié)構(gòu)件以及預(yù)測精度是否滿足力學(xué)參量測試要求而制備的系列

試樣。

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3.6線性回歸方法Linearregressionalgorithm

利用特定待測結(jié)構(gòu)件的微磁參量值和力學(xué)參量標(biāo)稱值，尋找并獲得彼此間線性關(guān)系模型的機(jī)器學(xué)習(xí)

算法。

4方法概要

4.1檢微磁檢測原理

鐵磁性金屬在外加周期性磁場作用下，由于其材料的微觀結(jié)構(gòu)不同，晶格的位錯(cuò)和晶界對磁疇翻轉(zhuǎn)

的釘扎效應(yīng)存在差異，從而導(dǎo)致表征磁疇磁化行為的微磁性能不一樣。另一方面，當(dāng)材料承受外部載荷

時(shí)，晶格缺陷將影響晶粒的力學(xué)行為，進(jìn)而影響材料的力學(xué)性能。材料的微磁和力學(xué)性能本質(zhì)上都由材

料微觀結(jié)構(gòu)決定，兩者之間存在對應(yīng)關(guān)系，如圖1所示。

圖1磁學(xué)性能與力學(xué)性能的關(guān)系

微磁檢測方法是發(fā)現(xiàn)并獲得鐵磁性金屬的微磁參量與力學(xué)參量（如殘余應(yīng)力、硬度、硬化層深度、

屈服強(qiáng)度、塑性變形）的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而通過測量微磁參量來預(yù)測材料力學(xué)參量的無損檢測方法。

4.2微磁檢測特點(diǎn)和局限性

4.2.1特點(diǎn)

⑴可實(shí)現(xiàn)鐵磁性金屬材料及結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力、硬度、硬化層深度、屈服強(qiáng)度、塑形變形等力學(xué)參

量的無損檢測；

⑵檢測條件要求低，在有銹蝕、油污、化學(xué)殘留物的情況下仍可進(jìn)行正常檢測；

⑶既適用于制造過程中的檢測，也適用于在役運(yùn)行中的檢測；

⑷檢測速度快，可實(shí)現(xiàn)在線普檢；

⑸可以根據(jù)對象的形狀尺寸設(shè)計(jì)探頭，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜部件的覆蓋檢測。

4.2.2局限性

⑴不適用于非鐵磁性材料；

⑵檢測前需針對特定待測對象進(jìn)行儀器標(biāo)定并獲得預(yù)測模型；

⑶影響檢測的因素較多。

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4.3微磁檢測的影響因素

影響微磁檢測的相關(guān)因素包括：

⑴被測對象的影響：材料的材質(zhì)成分和微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)件的形狀和尺寸，金屬的電磁特性和磁化

狀態(tài)；

⑵檢測儀器的影響：磁化頻率和磁化強(qiáng)度，混頻檢測時(shí)的磁化頻率數(shù)量、幅值和頻率比值；

⑶傳感器的影響：磁芯結(jié)構(gòu)，線圈參數(shù)，檢出信號(hào)方式，提離間隙，相對姿態(tài)；

⑷環(huán)境的影響：空間電磁場輻射，電源電流沖擊干擾。

5檢測人員

按本文件進(jìn)行微磁檢測的人員應(yīng)參考GB/T9445的要求經(jīng)過專門培訓(xùn)。

6檢測設(shè)備

微磁檢測設(shè)備至少應(yīng)包含微磁檢測傳感器和微磁檢測儀器，必要時(shí)還應(yīng)有帶動(dòng)傳感器工作的掃查裝

置、跟蹤機(jī)構(gòu)或機(jī)器人系統(tǒng)。

6.1傳感器

微磁檢測傳感器的功能是在被測鐵磁金屬表面和近表面激勵(lì)交變磁場、混頻交變磁場或渦流，測量

受力學(xué)參量調(diào)制的磁巴克豪森噪聲、增量磁導(dǎo)率、磁滯回線、切向磁場或渦流再生磁場信號(hào)。其中，磁

巴克豪森噪聲或增量磁導(dǎo)率檢測功能是微磁檢測傳感器必須具備的。多功能微磁檢測傳感器主要由磁

芯、磁化線圈，激勵(lì)線圈、感應(yīng)線圈、主磁通線圈、霍爾元件組成，如圖2所示。根據(jù)實(shí)際被測結(jié)構(gòu)件

的幾何形狀和所需的微磁信號(hào)類型，可以調(diào)整或改變圖2所示傳感器的結(jié)構(gòu)。

圖2微磁檢測傳感器的組成

①磁芯②磁化線圈③激勵(lì)線圈④感應(yīng)線圈⑤主磁通線圈⑥霍爾元件⑦被測結(jié)構(gòu)件

6.1.1磁芯

由高導(dǎo)磁的矽鋼片構(gòu)成，用于將磁化線圈激發(fā)的低頻電磁場傳輸至被測結(jié)構(gòu)件中。

6.1.2磁化線圈

由漆包線繞制而成，其中通入低頻正弦交流電流，產(chǎn)生低頻交變磁場磁化被測結(jié)構(gòu)件。

6.1.3激勵(lì)線圈

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由漆包線繞制而成，其中通入高頻正弦交流電流而產(chǎn)生高頻交變磁場，與低頻磁場疊加實(shí)現(xiàn)對被測

結(jié)構(gòu)件混頻磁化，或在被測結(jié)構(gòu)件中感生渦流。

6.1.4感應(yīng)線圈

由漆包線繞制而成，用于測量受結(jié)構(gòu)件力學(xué)參量調(diào)制的磁巴克豪森噪聲和渦流再生磁場。

6.1.5主磁通線圈

由漆包線繞制在磁極上而成，用于測量由磁芯和被測結(jié)構(gòu)件構(gòu)成的磁回路中的磁通密度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)

測量結(jié)構(gòu)件磁滯回線特征參量。

6.1.6霍爾元件

用于測量低頻磁化場在被測結(jié)構(gòu)件表面的切向磁場強(qiáng)度分量。

6.2檢測儀器

微磁檢測儀器由嵌入式系統(tǒng)和上位計(jì)算機(jī)組成，如圖3所示。嵌入式系統(tǒng)的功能是產(chǎn)生正弦交流電

或它們的混頻交流電供給傳感器，將傳感器獲得的檢測信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，

再利用嵌入式軟件進(jìn)行微磁參量值提取并輸入給上位機(jī)。嵌入式系統(tǒng)硬件電路一般包括信號(hào)發(fā)生器、功

率放大器、前置放大器、模擬信號(hào)處理器、A/D采集器、DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）和主控制器；上位機(jī)

的功能是利用嵌入式系統(tǒng)獲得的微磁參量值，通過預(yù)測模型計(jì)算給出被測結(jié)構(gòu)件的力學(xué)參量值，以及采

用線性回歸方法分析軟件對標(biāo)定試樣的微磁參量數(shù)據(jù)集和力學(xué)參量標(biāo)稱值數(shù)據(jù)集的處理，得到微磁參量

與力學(xué)參量的關(guān)系模型。

6.2.1信號(hào)發(fā)生器

用于產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)指定頻率和幅度正弦交流電的單元電路。

6.2.2功率放大器

用于對信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦交流電信號(hào)進(jìn)行能量放大，以驅(qū)動(dòng)磁化線圈和/或激勵(lì)線圈對被測結(jié)

構(gòu)件局部進(jìn)行磁化或感生渦流。

6.2.3前置放大器

用于對感應(yīng)線圈獲得的弱信號(hào)進(jìn)行幅度放大，對主磁通線圈和霍爾元件獲得的強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行跟隨隔

離，以利于后續(xù)處理的電路單元。

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圖3微磁檢測設(shè)備構(gòu)成

6.2.4模擬信號(hào)處理器

用于對磁巴克豪森噪聲信號(hào)、渦流再生磁場信號(hào)進(jìn)行檢波和濾波處理的單元電路。

6.2.5A/D采集器

用于將預(yù)處理后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

6.2.6DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）

實(shí)現(xiàn)對微磁參量值的讀出與判別。

6.2.7主控制器

用于協(xié)調(diào)嵌入式系統(tǒng)中各個(gè)單元電路工作時(shí)序的中樞電路。

6.2.8上位計(jì)算機(jī)

①根據(jù)嵌入式系統(tǒng)提供的微磁參量值，利用預(yù)測模型計(jì)算出被測結(jié)構(gòu)件的力學(xué)參量值；②顯示嵌

入式系統(tǒng)得到的微磁處理值以及力學(xué)參量值的預(yù)測結(jié)果；③根據(jù)嵌入式系統(tǒng)提供的標(biāo)定試樣的微磁參

量值以及由常規(guī)力學(xué)方法獲得并輸入的力學(xué)參量標(biāo)稱值，利用線性回歸算法分析軟件得到力學(xué)參量預(yù)測

模型。

7試樣

微磁檢測用試樣包括標(biāo)定試樣和驗(yàn)證試樣。

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7.1一般要求

7.1.1制作標(biāo)定試樣和驗(yàn)證試件的材料應(yīng)與待測結(jié)構(gòu)件具有相同或相近的材質(zhì)（牌號(hào)）、熱處理工藝和

電磁特性。

7.1.2標(biāo)定試樣和驗(yàn)證試樣的形狀和尺寸應(yīng)符合傳統(tǒng)力學(xué)方法測量力學(xué)參量的要求，并按照相應(yīng)國家標(biāo)

準(zhǔn)規(guī)定方法制作。此外，試樣的厚度至少為微磁檢測時(shí)磁化滲透深度的3倍，以避免試樣過薄對磁化場

分布產(chǎn)生影響。

7.1.3在切割取樣時(shí)不應(yīng)影響切口處金屬原有力學(xué)性能，對試樣表面的機(jī)械加工（如車、磨、拋等）不

應(yīng)影響金屬表面原有力學(xué)性能，除非這些種影響可在后續(xù)加工或處理時(shí)被去除。

7.1.4可采用拉伸、噴丸、熱處理等方法制備所需專項(xiàng)力學(xué)參量值的標(biāo)定試樣或驗(yàn)證試樣。在制備專項(xiàng)

力學(xué)參量值的試樣時(shí)，不應(yīng)改變目標(biāo)參量之外的其他力學(xué)性能。如果其他力學(xué)參量與目標(biāo)參量相關(guān)、影

響不可避免，應(yīng)盡量使系列試樣的其他力學(xué)參量值保持一致。

7.2標(biāo)定試樣的控制原則

7.2.1試樣數(shù)量

針對每一項(xiàng)力學(xué)參量得到的M件標(biāo)定試樣的標(biāo)稱值Yi（i＝1，2，3……M），標(biāo)定試樣數(shù)量M的選取

應(yīng)滿足：

YY

Mmaxmin（1）

YT

其中Ymax和Ymin分別為Yi（i＝1，2，3……M）中的最大值和最小值，YT為針對特定待測結(jié)構(gòu)件微磁檢測

所允許的測量誤差。

7.2.2試樣參量的取值范圍

標(biāo)定試樣力學(xué)參量的取值范圍應(yīng)涵蓋待測結(jié)構(gòu)件的數(shù)值范圍，即標(biāo)定試樣參量取值范圍的最大值

Ymax大于待測結(jié)構(gòu)件的最大值，標(biāo)定試樣參量取值范圍的最小值Ymin小于待測結(jié)構(gòu)件的最小值。一般地，

標(biāo)定試樣力學(xué)參量的取值范圍宜超出實(shí)際測試范圍的50%，例如在對一批結(jié)構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力測試時(shí)，估計(jì)

它們的應(yīng)力在50～100MPa之間，則標(biāo)定試件的應(yīng)力值應(yīng)處于25～125MPa范圍內(nèi)。

7.2.3試樣參數(shù)值的分布狀態(tài)

在滿足標(biāo)定試樣數(shù)量原則的前提下，每一項(xiàng)力學(xué)參量標(biāo)稱值Yi的離散性應(yīng)盡可能大，標(biāo)準(zhǔn)差σ至少

應(yīng)滿足：

YmaxYmin

a（2）

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其中0.8≤a≤1.2。

7.3驗(yàn)證試樣的控制原則

7.3.1試樣數(shù)量

針對每一項(xiàng)力學(xué)參量，一般驗(yàn)證試樣數(shù)量S小于標(biāo)定試樣數(shù)量M，即S＜M。

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7.3.2試樣參量的取值及分布

原則上，驗(yàn)證試樣的力學(xué)參量取值是隨機(jī)的，但在條件允許情況下，可參照待測結(jié)構(gòu)件可能出現(xiàn)力

學(xué)參量的上限值、下限值和中間值制備驗(yàn)證試件。

7.4利用試樣的標(biāo)定方法與步驟

鐵磁性結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能的微磁檢測標(biāo)定方法，通過獲取M件標(biāo)定試樣的N項(xiàng)微磁參量值Xi（i＝1，2，

3……N）數(shù)據(jù)集（共N×M個(gè)數(shù)據(jù)）與P項(xiàng)力學(xué)參量標(biāo)稱值Yi（i＝1，2，3……P）數(shù)據(jù)集（共P×M個(gè)數(shù)

據(jù)），在滿足試樣控制原則條件下，采用多元線性回歸方法建立起N項(xiàng)微磁參量與P項(xiàng)力學(xué)參量的關(guān)系

模型。該關(guān)系模型的預(yù)測精度還需采用驗(yàn)證試樣進(jìn)行測試和評價(jià)。具體步驟如下：

⑴制備標(biāo)定試樣。一般來說，針對相同材料經(jīng)過相同工藝流程制造的結(jié)構(gòu)件，可從生產(chǎn)線上和廢

品庫中選取材料制作標(biāo)定試樣。如有必要，還需改變工藝參數(shù)制備專項(xiàng)標(biāo)定試樣，以使力學(xué)參量值滿足

7.2.1中規(guī)定的控制要求。

⑵微磁與力學(xué)參量測試。首先對標(biāo)定試樣逐一進(jìn)行微磁測試，得到N項(xiàng)微磁參量值（共N×M個(gè)數(shù)

據(jù)）；其次采用國家標(biāo)準(zhǔn)推薦的常規(guī)力學(xué)性能測試方法（如拉伸試驗(yàn)、顯微硬度測試和X射線衍射殘余

應(yīng)力測試等），得到P項(xiàng)力學(xué)參量標(biāo)稱值（共P×M個(gè)數(shù)據(jù)）。

⑶力學(xué)參量與微磁參量的關(guān)系模型。采用多元線性回歸方法，對標(biāo)定試樣的微磁參量值與力學(xué)參

量標(biāo)稱值進(jìn)行分析，得到以力學(xué)參量為因變量、多項(xiàng)微磁參量為自變量的多元線性方程組。

⑷模型預(yù)測精度校驗(yàn)：采用⑵中的微磁參量值和力學(xué)參量標(biāo)稱值測試方法，逐一對S件驗(yàn)證試樣

進(jìn)行測試；將測得的微磁參量值代入到第⑶步所得多元線性方程組，計(jì)算得到力學(xué)參量預(yù)測值；然后與

測得的力學(xué)參量標(biāo)稱值進(jìn)行比較，如偏差小于預(yù)先規(guī)定的允許誤差YT，則標(biāo)定完成，否則標(biāo)定不成功。

標(biāo)定不成功表示所建立的關(guān)系模型不能用于實(shí)際力學(xué)參量檢測。

8檢測程序

在完成標(biāo)定和驗(yàn)證工作后，即可采用微磁檢測設(shè)備對待測結(jié)構(gòu)件進(jìn)行力學(xué)參量的檢測。在檢測開始

前和檢測過程中，應(yīng)注意如下相關(guān)事宜：

8.1檢測條件的確定和準(zhǔn)備

8.1.1針對傳感器的檢測區(qū)域，被測表面的形狀和曲率應(yīng)相同，避免磁路變化對檢測的影響。

8.1.2針對傳感器的檢測區(qū)域，結(jié)構(gòu)件的厚度應(yīng)不小于磁化滲透深度3倍，避免邊界效應(yīng)對檢測的影響。

8.1.3被檢結(jié)構(gòu)件表面應(yīng)無影響檢測的障礙物和異物，避免傳感器提離效應(yīng)對檢測的影響。

8.1.4根據(jù)被檢結(jié)構(gòu)件的形狀、尺寸和制造工藝（例如金屬軋制方向），規(guī)劃傳感器的磁化方向和掃查

路徑。

8.1.5在每批結(jié)構(gòu)件檢測前，應(yīng)采用驗(yàn)證試樣校驗(yàn)預(yù)測模型的符合性，并對檢測儀器和傳感器的功能和

性能進(jìn)行測試和調(diào)試。

8.2微磁檢測的實(shí)施

8.3.1自動(dòng)檢測系統(tǒng)應(yīng)按照事先規(guī)劃的磁化方向和掃查路徑進(jìn)行檢測。檢測過程中傳感器的掃查步長應(yīng)

盡量保持恒定，移動(dòng)速度變化不超過±10％。

8.2.2搭載傳感器的機(jī)械掃查系統(tǒng)或機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力的柔順控制并保持傳感器的探測姿態(tài)

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不變。

8.2.3在檢測過程中，傳感器與被測結(jié)構(gòu)件表面保持恒定間隙，確保磁化場良好耦合和避免提離效應(yīng)。

8.3檢測設(shè)備的校驗(yàn)

除每次檢測前和結(jié)束后必須進(jìn)行檢測設(shè)備校驗(yàn)外，在下列情況下也應(yīng)使用驗(yàn)證試樣對檢測設(shè)備進(jìn)行

校驗(yàn)：

①連續(xù)檢測時(shí)，每4小時(shí)校驗(yàn)一次；

②更換被測對象的規(guī)格（材質(zhì)、工藝狀態(tài)和電磁特性不變）時(shí)；

③懷疑檢測設(shè)備工作不正常時(shí)；

④認(rèn)為必要時(shí)。

如果校驗(yàn)不合格，則自上一次校驗(yàn)合格后的所有檢測，在設(shè)備重新校驗(yàn)合格后重新進(jìn)行檢測

9檢測結(jié)果異常的處理

在對同一批結(jié)構(gòu)件或同一結(jié)構(gòu)件不同位置進(jìn)行力學(xué)參量檢測時(shí)，如