CSTM-無損檢測 應(yīng)力檢測 磁巴克豪森噪聲法

ICSXX.XXX.XXXXX團 體 標 準T/CSTMXXXXX-202X無損檢測應(yīng)力測量磁巴克豪森噪聲法Non-destructivetesting—StressdetectionMagneticBarkhausennoisemethod202X-XX-XX發(fā)布202X-XX-XX實施發(fā)布中關(guān)村材料試驗技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布T/CSTMXXXXX-2020無損檢測應(yīng)力測量磁巴克豪森噪聲法范圍本標準規(guī)定了采用磁巴克豪森噪聲測量鐵磁性材料及構(gòu)件表面應(yīng)力的方法。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/T9445無損檢測人員資格鑒定與認證GB/T12604.5無損檢測術(shù)語磁粉檢測GB/T20737無損檢測通用術(shù)語和定義GB/T34357無損檢測術(shù)語漏磁檢測CSTM00210-2020《無損檢測磁巴克豪森噪聲檢測》術(shù)語和定義GB/T12604.5、GB/T20737和GB/T34357界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。單向應(yīng)力Uniaxialstress材料部件上指定點收到指定方向的應(yīng)力。平面應(yīng)力張量Planestresstensor在彈性力學(xué)里，對于材料表面忽略深度方向應(yīng)力下，材料表面所受的二維平面正應(yīng)力與切應(yīng)力所組成的張量。面接觸型磁巴克豪森噪聲應(yīng)力傳感器SurfacecontactmagneticBarkhausennoisestresssensor傳感器磁軛底部為平面的傳感器，測量時磁軛底部平面與被測部件完全接觸。線接觸型磁巴克豪森噪聲應(yīng)力傳感器LinecontactmagneticBarkhausennoisestresssensor傳感器磁軛底部為圓弧面的傳感器，測量時磁軛底部與被測部件接觸區(qū)域為直線接觸。點接觸型磁巴克豪森噪聲應(yīng)力傳感器PointcontactmagneticBarkhausennoisestresssensor傳感器磁軛底部為錐面的傳感器，測量時磁軛底部與被測部件接觸區(qū)域為點接觸。專用型磁巴克豪森噪聲應(yīng)力傳感器DedicatedmagneticBarkhausennoisestresssensor為適用部件特殊表面檢測而設(shè)計的磁巴克豪森噪聲應(yīng)力測量傳感器。測量原理物理原理在交流磁化過程中，鐵磁性材料微觀磁疇運動、不可能磁疇壁移動過程中將釋放出磁巴克豪森噪聲信號。材料所受應(yīng)力將改變微觀磁疇運動及磁疇壁移動的強度，進而引起所釋放出的磁巴克豪森噪聲強度的變化。對于大多數(shù)鐵磁性材料，隨著拉伸應(yīng)力的增加，磁巴克豪森噪聲強度越大，隨著壓縮應(yīng)力的增加，磁巴克豪森噪聲強度越低。優(yōu)點局限性優(yōu)點及特點：檢測快速、便捷；可用于部件制造過程中、在役或在線檢測；是一種無損檢測方法；對人體無害。局限性：不適用于非鐵磁性材料；檢測需進行標定。檢測應(yīng)用分類對于磁巴克豪森噪聲檢測應(yīng)力，按被測部件類型分為平面類、圓柱類、大曲面類、特殊曲面類4種。對于不同類別的被測部件傳感器可選用不同的類型，如表1所示，傳感器分平面接觸型、線接觸型、點接觸型、專用型傳感器。檢測可分為自動檢測和手動檢測2種檢測方式，根據(jù)現(xiàn)場是否方便而選擇不同的檢測方式。檢測對象與傳感器選用如表2所示。表1傳感器類型傳感器類型典型應(yīng)用面接觸型鋼板軋制殘余應(yīng)力在線檢測線接觸型曲軸自動化檢測點接觸型石油管道表面應(yīng)力檢測專用傳感器齒輪殘余應(yīng)力檢測、軸承滾道殘余應(yīng)力檢測表2檢測對象與傳感器選用檢測對象類別可選擇檢測傳感器推薦檢測方式備注平面類面接觸型自動手動檢測易因為操作導(dǎo)致勵磁不一致線接觸型自動手動檢測易因為操作導(dǎo)致勵磁不一致點接觸型自動/手動/圓柱類線接觸型自動手動檢測易因為操作導(dǎo)致勵磁不一致點接觸型自動/手動/大曲面類點接觸型自動/手動曲面曲率遠大于傳感器尺寸特殊曲面類專用型傳感器自動特殊曲面類由于曲面特殊普通傳感器難以實現(xiàn)良好勵磁或信號接收，如齒輪，曲軸、軸承溝槽一般要求人員要求從事磁巴克豪森噪聲應(yīng)力檢測的人員應(yīng)具備一定的電磁檢測專業(yè)知識。接受過本標準及磁巴克豪森噪聲應(yīng)力測量儀的使用培訓(xùn)，并持本標準的培訓(xùn)證明上崗。檢測程序A)確立檢測方案B)標定C)預(yù)處理D)檢測E)應(yīng)力評定F)后處理檢測工藝文件檢測工藝文件應(yīng)至少包括如下內(nèi)容：被檢工件規(guī)格、幾何尺寸、盛裝介質(zhì)及使用年限、材料牌號、公稱厚度、涂層厚度、表面狀態(tài)；檢測時機及預(yù)處理情況；檢測時工件表面處理方法及處理后表面狀態(tài)；執(zhí)行標準、參考標準；檢測儀器名稱、型號、傳感器型號；標定試樣尺寸、預(yù)處理方法、標定數(shù)據(jù)；儀器檢測狀態(tài)參數(shù)的設(shè)置值；應(yīng)力測量方向及應(yīng)力值、應(yīng)力張量值；用圖示標明檢測部位；用草圖、標記或照相描述并定位超出驗收標準的結(jié)果位置示意圖；被測部件后處理情況；安全要求5.3.1儀器及傳感器使用過程中，注意傳感器發(fā)熱情況，防止短路引起的安全事故。5.3.2預(yù)處理被測表面時，佩戴護目鏡及防護手套，防止顆粒及粉刺對眼睛的傷害及稀鹽酸對皮膚的傷害。5.3.3進入易燃易爆場合應(yīng)嚴格遵守相關(guān)安全要求。設(shè)備磁巴克豪森噪聲應(yīng)力測量儀器如CSTM00210-2020《無損檢測磁巴克豪森噪聲檢測》8.2中檢測儀器原理，儀器最低指標參數(shù)要求如表3所示：表3硬件最低指標名稱參數(shù)磁化波形正弦波、三角波磁化最大電壓10V最大功率50W磁化頻率1~300Hz接收信號參數(shù)放大倍數(shù)>40dB帶寬5~500kHz帶通濾波器范圍5~100kHz可調(diào)，衰減>35dB被測表面要求5.5.1硬度要求被測部位與標定試件表表面硬度偏差≤95%，減少材料表面硬度不同帶來的誤差。5.5.2粗糙度要求被測部位表面粗糙度應(yīng)≤12.6，確保良好的勵磁與信號接收。如未滿足粗糙度要求，應(yīng)使用≥2000目砂紙手工打磨直到達到粗糙度要求，禁止使用角磨機等電動設(shè)備打磨。打磨時應(yīng)按照圈式打磨法打磨，禁止只按一個方向重復(fù)打磨，打磨方法如圖1所示。a)沿同一方向打磨法a)圈式打磨法a)沿同一方向打磨法a)圈式打磨法圖1打磨方法示意圖被測工件被測工件打磨方向打磨方向5.5.3表面附著物要求被測部位表面應(yīng)無任何其他附著層，如表面含氧化皮，應(yīng)使用稀鹽酸清洗，完全露出金屬本體。5.5.4曲率要求被測部位曲率應(yīng)≥20倍傳感器磁軛接觸點間間距，以減小材料曲率變化對檢測結(jié)果的影響。5.5.5檢測區(qū)域要求檢測時應(yīng)使傳感器磁軛與被測部位接觸點遠離焊縫區(qū)域（至少離開焊縫熱影響區(qū)）。結(jié)構(gòu)部件常包含焊縫，焊縫區(qū)域微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，將影響磁巴克豪森噪聲信號。5.5.6熱處理工藝要求應(yīng)力標定試件與被測部位具有相同的相同的熱處理工藝。對于相同材料的不同測量部位，若熱處理工藝不同，應(yīng)做相對應(yīng)的標定數(shù)據(jù)。以避免微觀結(jié)構(gòu)對應(yīng)力測量的影響。輔助器材A)磁場強度計B)砂紙C)稀鹽酸D)除漆劑E)記號筆F)角度尺G)水平尺I)標準零應(yīng)力試塊傳感器校準測量應(yīng)每隔4小時在標準零應(yīng)力試塊上對傳感器進行復(fù)驗，檢驗傳感器精度是否滿足要求。溫度要求對于標定時溫度與檢測時溫度是否在儀器要求溫度范圍內(nèi)，若超出儀器規(guī)定溫度范圍，應(yīng)對標定數(shù)據(jù)做溫度補償。傳感器提離要求標定時和檢測時因使傳感器保持相同的提離距離，推薦提離距離0.2~0.5mm，反之應(yīng)做相應(yīng)的補償。傳感器安裝要求檢測時應(yīng)保證接收器中心至于被測點位置，且磁軛量接觸點之間連線方向應(yīng)與被測應(yīng)力方向重合；傳感器應(yīng)與被測點所在表面法線重合。信號處理方法如圖2所示，磁巴克豪森噪聲信號接收器接收到的原始信號由與激勵磁場頻率相同的感應(yīng)磁場信號上疊加高頻磁巴克豪森噪聲信號組成。如圖3所示，原始信號經(jīng)過信號處理器放大和帶通濾波濾掉低頻感應(yīng)磁場信號后得到純凈的磁巴克豪森噪聲信號。圖2傳感器接收到原始信號圖3磁巴克豪森噪聲信號磁巴克豪森噪聲信號特征值主要是通過對圖8所示的信號進行信號處理，包括求取信號均方根、包絡(luò)面積、峰值、振鈴數(shù)等。這里以常用的均方根值計算進行說明，對于采集到一定時間長度的磁巴克豪森噪聲信號，均方根計算公式如（1）所示。（1）式中：RMS－計算得到的均方根值；N－所采集信號點數(shù);X1－Xi是所采集第i點的幅值，i取1到N。標定試塊拉伸標定試塊實驗室條件下，材料拉伸實驗可很好的測量材料的力學(xué)性能，可通過拉伸機對標定試件進行不同應(yīng)力加載，準確獲取不同的加載應(yīng)力，建立起不同應(yīng)力與磁巴克豪森噪聲信號特征值的關(guān)系曲線,拉伸應(yīng)力標定試件如圖4所示。●標定試件應(yīng)滿足國標中對拉伸試件尺寸的要求；●同時考慮到磁化時邊緣效應(yīng)，標定試件測量區(qū)域不能太小，標定試件還需滿足以下尺寸要求：a)b0≧1.5*b;b)l0≧b0。試件試件磁軛b0－標定試件寬度;b－勵磁磁軛寬度;l0－勵磁磁軛左端距離標定試件左端平行段起始點距離。圖4拉伸標定試件●標定試件材料、熱處理狀態(tài)、表面質(zhì)量應(yīng)與被測部件完全相同；●材料部件內(nèi)部常有一定的殘余應(yīng)力，制作的標定試件在標定前應(yīng)進行殘余應(yīng)力消除，若使用熱處理方法消除殘余應(yīng)力可能導(dǎo)致試件內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)改變及表面氧化，使標定試件磁性能和表面狀況發(fā)生改變導(dǎo)致標定與實際測量誤差較大，故可將標定試件在彈性階段進行多次(≥10次)反復(fù)加載-卸載應(yīng)力至零，以消除殘余應(yīng)力。壓縮應(yīng)力標定試塊壓縮標定試件尺寸如圖5所示長方體，試件要求如下：●標定試件應(yīng)滿足國標中對壓縮試件尺寸的要求；●同時考慮到磁化時邊緣效應(yīng)，標定試件測量區(qū)域不能太小，標定試件還需滿足以下尺寸要求：a)b0≧1.5*b;b)l0≧b0。標定試件材料、熱處理狀態(tài)、表面質(zhì)量應(yīng)與被測部件完全相同；●材料部件內(nèi)部常有一定的殘余應(yīng)力，制作的標定試件在標定前應(yīng)進行殘余應(yīng)力消除，若使用熱處理方法消除殘余應(yīng)力可能導(dǎo)致試件內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)改變及表面氧化，使標定試件磁性能和表面狀況發(fā)生改變導(dǎo)致標定與實際測量誤差較大，故可將標定試件在彈性階段進行多次(≥10次)反復(fù)加載-卸載應(yīng)力至零，以消除殘余應(yīng)力。試件磁軛試件磁軛hb0－標定試件寬度;b－勵磁磁軛寬度;h－標定試件厚度;l0－勵磁磁軛左端距離標定試件左端平行段起始點距離。圖5壓縮標定試件標定如圖5所示，將磁巴克豪森噪聲傳感器固定于標定試件后，在拉伸機上進行拉力實驗，將材料彈性范圍分為若干點，采用階梯加載的方式，在每次保載時測量的磁巴克豪森噪聲均方根值，記錄建立起應(yīng)力均方根-應(yīng)力曲線。加載示意圖如圖8所示，記錄應(yīng)力-均方根標如標4所示。標定時所記錄的應(yīng)力值應(yīng)保證將材料談心范圍至少均等分數(shù)量≥10。時間應(yīng)力時間應(yīng)力圖5階梯加載示意標4應(yīng)力-磁巴克豪森均方根記錄標應(yīng)力(Mpa)均方根(V)0...10...20以下以Q235材料進行說明，由于Q235材料屈服強度為235MPa,故在0-220MPa范圍，從0MPa開始，在拉伸機應(yīng)力每增加10MPa時進行保載，測量此時磁巴克豪森噪聲信號，再繼續(xù)加載，傳感器安裝如圖如圖6所示。得到整個彈性范圍內(nèi)磁巴克豪森噪聲均方根值與應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系曲線，最后將此對應(yīng)關(guān)系曲線進行2次多項式擬合，并記錄擬合置信度與擬合應(yīng)力誤差，得到如圖7所示磁巴克豪森噪聲均方根值-應(yīng)力曲線。圖6應(yīng)力標定實驗傳感器安裝位置圖圖7磁巴克豪森噪聲均方根值-應(yīng)力標定曲線檢測檢測步驟如下：方案選定，主要根據(jù)被測部件情況選擇合適類型傳感器及配套檢測儀器，是否自動檢測；制作標定試件并進行標定，記錄標定試件表面硬度；對被測部件進行預(yù)處理，包括附著物清除，打磨，除去氧化皮燈；測量被測區(qū)域表面硬度，若表面硬度與標定試件表面硬度偏差≥10%，則終止本測量點檢測；對被測區(qū)域進行退磁處理；如圖8所示，對被測點區(qū)域進行劃線，標出被測方向，若需解析主應(yīng)力方向，應(yīng)間隔60度畫3條測量方向線；對每個測量點分別按所畫測量方向進行測量，并重復(fù)測量5次，剔除其中與其他測量值偏差大于10%的值，將剩余4個值的平均值作為測量結(jié)果，并做好記錄；再次對被測區(qū)域進行退磁處理；還原被測部位原來表面附著狀態(tài)，如涂防銹漆、蓋保溫層等；a)單向應(yīng)力測量標記示意圖a)單向應(yīng)力測量標記示意圖a)需解析主應(yīng)力測量標記示意圖圖8測量方向標記示意圖60o60o標記線o平面應(yīng)力張量的解析根據(jù)附錄A對被測部位表面應(yīng)力張量進行解析，并求取主應(yīng)力大小和方向。檢測結(jié)果評價檢測結(jié)果應(yīng)按照表5進行記錄，記錄實際測量值，并根據(jù)標定曲線標出應(yīng)力測量值的偏差與置信度。在測量了3個方向以上的測量點，若進行主應(yīng)力解析，應(yīng)按照圖6表格進行記錄，并標出此測量位置的安全度。應(yīng)力安全度等級分類方法如表7所示。表5應(yīng)力測量結(jié)果記錄表標記位置測量角度應(yīng)力應(yīng)力值±偏差(置信度)應(yīng)力值±偏差(置信度)表6應(yīng)力張量解析結(jié)果記錄表標記位置主應(yīng)力主應(yīng)力主應(yīng)力與標記線夾角置信度(置信度)安全度...應(yīng)力值應(yīng)力值

表7應(yīng)力安全度分級表應(yīng)力值安全度-50%×≤且50%×★★★-80%×≤且50%×★★50%×≤且80%×★★80%×≤☆-80%×☆注:為與中最小值與誤差下偏差的差值；為與中最大值與誤差上偏差的之和。檢測報告檢測報告應(yīng)至少包括如下內(nèi)容：委托單位、報告編號；檢測單位；被檢工件（設(shè)備）規(guī)格、幾何尺寸、盛裝介質(zhì)及使用年限、材料牌號、公稱厚度、涂層厚度、表面狀態(tài)；檢測時工件表面處理方法及處理后表面狀態(tài)；執(zhí)行標準、參考標準；檢測儀器名稱、型號、掃描模式；標準和對比試件的校準結(jié)果；儀器檢測狀態(tài)參數(shù)的設(shè)置值；用圖示標明檢測部位；檢測設(shè)置文件名稱及數(shù)據(jù)文件名稱；用草圖、標記或照相描述并定位超出驗收標準的結(jié)果位置示意圖；驗收準則及檢測結(jié)論；檢測日期、檢測人員和審核人簽字及資質(zhì)。

附錄A（資料性附錄）磁巴克豪森噪聲法平面應(yīng)力張量解析方法A.1磁巴克豪森噪聲法平面應(yīng)力張量解析方法圖9平面應(yīng)力分解示意圖圖9平面應(yīng)力分解示意圖如圖9所示，在彈性力學(xué)中，對于材料表面應(yīng)力問題，在受力物體中取一個微小單元，其中AB，AC與坐標y，x重合，而BC的外法線與x軸成θ角。取x',y'坐標，使BC的外法線方向與x'方向重合。在這種情況下，如果σx，σy，τ假定ABC的面積為單位面積，則AB和AC的面積分別為cosθ與sinθ。于是，由平衡條件Fxpx=σpy=τ其中，px，py為BC面上單位面積的力p在x，y方向的投影。將px，py投影到σx'=τx'y將式1、2帶入式3、4得σx'=τx'y或σx'=τx'y若某一斜面上切應(yīng)力τx'y'=0當τx'ypx=σ?cosθp求解得：sinθ進而得到：σ2-σx求解得：σ可得，對于平面應(yīng)力存在兩個主應(yīng)力，稱之為最大、最小應(yīng)力，二者成90°角。若已知最大、最小應(yīng)力σ1(x方向)，σ2(y方向σx'=τx'y由式11可知，其包含σ1、σ2、在磁巴克豪森噪聲平面應(yīng)力解析方法中，首先獲取整個圓周方向上磁巴克豪森噪聲隨應(yīng)力的變化曲線，進而可在實際測量過程中，測量某一分方向的磁巴克豪森噪聲值得到此方向應(yīng)力分量，具體做法如圖8所示，假設(shè)x與y方向為主應(yīng)力方向，測得某方向上的σx1'，假設(shè)該方向與σ1成θ1，繼續(xù)測量與σ1成θ1+φσx1'通過求解式13即可得到最大、最小應(yīng)力σ1，σ2的大小及方向，可通過式1xyxy0θφφσσσ((圖10平面應(yīng)力測量方法示意圖

附錄C（資料性附錄）本標準起草單位和起草人本標準起草單位：中國特種設(shè)備檢測研究院等本標準主要起草人：

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