張玉華　孫慧賢　李建增　唐　衛(wèi)

(1. 軍械工程學(xué)院，石家莊 050003；2. 63853部隊(duì) ，吉林 137000)

0　引言

在零部件的制造和使用過程中，硬度是用來衡量其機(jī)械性能的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)[1]，它代表固體材料表面抵抗彈性變形、塑性變形或斷裂的能力。因此，硬度測(cè)量試驗(yàn)在工業(yè)生產(chǎn)中具有極其重要的作用?，F(xiàn)有的機(jī)械壓痕法通過在工件表面打點(diǎn)實(shí)現(xiàn)硬度檢測(cè)，它具有破壞性，易造成零部件損壞。而且檢測(cè)時(shí)需要給被測(cè)件加載一定大小的作用力，導(dǎo)致完成一次檢測(cè)耗時(shí)長(zhǎng)。由此可見，它已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)無損和快速的檢測(cè)需求。

電磁檢測(cè)是利用材料在電磁場(chǎng)下呈現(xiàn)出的特殊電和磁學(xué)性質(zhì)，來判斷材料內(nèi)部組織及有關(guān)性能的試驗(yàn)方法。它具有無接觸、測(cè)量速度快、易實(shí)現(xiàn)便攜式等優(yōu)點(diǎn)[2]，即探頭可以不接觸試件表面而實(shí)現(xiàn)硬度測(cè)量，因此是一種真正意義上的無損檢測(cè)?；诖?，本文根據(jù)鐵磁性材料特殊的電磁特性，設(shè)計(jì)了一種基于電磁感應(yīng)原理的硬度無損檢測(cè)儀，并通過多次硬度測(cè)量試驗(yàn)，建立了硬度和探頭信號(hào)之間的數(shù)學(xué)模型。

1　鐵磁性材料的電磁特性

圖1　鐵磁材料的磁化特性

在OA段，與外加磁場(chǎng)H方向取向相近的磁疇通過疇壁的微小而可逆的移動(dòng)逐漸長(zhǎng)大，而取向不利的磁疇體積逐漸縮小。這一過程被稱為磁疇界的可逆位移，即去除外磁場(chǎng)時(shí)，磁疇又基本恢復(fù)到原來的位置，在工程上，這一區(qū)域很重要。

在AB段，疇壁的移動(dòng)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度H的增加而跳躍式的進(jìn)行，這種現(xiàn)象稱為巴克豪森躍遷，磁化強(qiáng)度的一次增加就引起疇壁的一次跳躍位移。當(dāng)H增大到一定值，疇壁會(huì)無阻礙的大幅度移動(dòng)，直到所有不利取向的疇壁完全消失為止，這個(gè)過程是不可逆的，又稱為不可逆的位移。此時(shí)，去除外磁場(chǎng)，疇壁不能恢復(fù)到原來的位置，這就是剩磁的來源。

在BD段，疇壁的磁化方向離開易磁化方向而向外加磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。至D點(diǎn)，整個(gè)金屬內(nèi)的磁疇都取得與外磁場(chǎng)方向完全一致的取向，達(dá)到飽和。BD段是一可逆過程，稱疇壁的可逆轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)，如將H由最大降為零，曲線并不回到O點(diǎn)而止于點(diǎn)b，如圖1(b)所示，這種磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化落后于H的變化的現(xiàn)象叫做磁滯。b點(diǎn)代表的磁感應(yīng)強(qiáng)度稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，即剩磁Br。為了去除剩磁，必須加一反向H，c點(diǎn)所代表的磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為矯頑力Hc。進(jìn)一步增加反向磁場(chǎng)，曲線到達(dá)點(diǎn)d，與a點(diǎn)極性相反。依次類推，磁場(chǎng)強(qiáng)度H變化一個(gè)周期后，所出現(xiàn)的abcdefa曲線稱為磁滯回線。曲線所包圍的面積表示了鐵磁材料沿磁滯回線進(jìn)行一個(gè)周期的磁化在單位面積上所消耗的能量，即磁滯損失。

此外，由于磁導(dǎo)率μ與磁場(chǎng)強(qiáng)度H、磁通密度B之間的關(guān)系可表示為μ=B/H，因此在鐵磁材料被磁化時(shí)，其磁導(dǎo)率成非線性變化如圖2所示，曲線上最大值稱為最大磁導(dǎo)率μmax，μin稱為初始磁導(dǎo)率，它是磁化曲線的下端磁場(chǎng)非常弱(H→0)時(shí)測(cè)得。即在磁疇壁的可逆區(qū)域磁化的磁導(dǎo)率。

圖2　磁導(dǎo)率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化

2　硬度電磁檢測(cè)原理

由上述分析，鐵磁性材料在外界磁場(chǎng)的作用下，存在三個(gè)磁特征參數(shù)Hc、Br和μ。由金屬材料學(xué)可知，它們皆與化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)及熱處理工藝直接有關(guān)，從而與零部件的機(jī)械硬度之間產(chǎn)生了間接相關(guān)性。只要事先獲知或試驗(yàn)找出硬度與Hc、Br或μ之間所具有的相關(guān)關(guān)系，便可實(shí)現(xiàn)測(cè)量[3-6]。

利用不同的磁特征參數(shù)，對(duì)應(yīng)的檢測(cè)機(jī)理區(qū)別很大。其中矯頑力法需先加正向電流飽和磁化被測(cè)工件，然后再加反向退磁電流使B為零來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，因此檢測(cè)速度低。剩磁法也需要先磁化工件，檢測(cè)前后都必須進(jìn)行退磁，否則就影響檢測(cè)精度和工件后續(xù)使用性能，檢測(cè)工序多。而磁導(dǎo)率法則不存在上述問題，它可完全基于電磁感應(yīng)的原理來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，其原理如圖3所示。

圖3　電磁檢測(cè)原理

當(dāng)一空芯線圈通以正弦交流激磁電流后，線圈內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一軸向的主磁場(chǎng)。如果將線圈放置到被測(cè)試件表面，由電磁感應(yīng)原理可知，試件中會(huì)感應(yīng)出渦流，而渦流又會(huì)產(chǎn)生附加的次級(jí)磁場(chǎng)，這個(gè)次級(jí)磁場(chǎng)和主磁場(chǎng)之間的交互作用形成了線圈和試件的電磁耦合，最終體現(xiàn)為線圈阻抗的改變。在前期的研究工作中發(fā)現(xiàn)，試件使線圈阻抗發(fā)生的變化量可用式(1)表示[7]：

(1)

式中，ω為激勵(lì)角頻率；μ0為空氣磁導(dǎo)率；N為線圈匝數(shù)；l為線圈的提離；r2為線圈外徑；r1為線圈內(nèi)徑；μ為試件的磁導(dǎo)率；σ為試件電導(dǎo)率；d為試件厚度；F是一階Bessel函數(shù)的二重廣義積分表達(dá)式。

①化探綜合異常區(qū)內(nèi)已發(fā)現(xiàn)多條Ag、Mo礦體，同時(shí)存在伴生的Pb、Zn礦體。因此，化探綜合異常區(qū)是找礦的主要地段。

由式(1)可知，在線圈參數(shù)、激勵(lì)頻率及被測(cè)試件的尺寸及電導(dǎo)率均為定值時(shí)，阻抗是試件磁導(dǎo)率的單值函數(shù)。如果將線圈的阻抗轉(zhuǎn)換為電壓量，就能根據(jù)被測(cè)工件的磁導(dǎo)率變化來測(cè)量其硬度。電磁檢測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　電磁檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3　試驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理

針對(duì)不同材質(zhì)的鋼制件，利用上述電磁檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行硬度檢測(cè)試驗(yàn)，同時(shí)與洛氏硬度計(jì)測(cè)試得到的結(jié)果進(jìn)行綜合分析，驗(yàn)證硬度電磁檢測(cè)的原理。

3.1　硬度測(cè)試試驗(yàn)

選取40Cr鋼和42CrMo鋼零部件進(jìn)行試驗(yàn)。在電磁檢測(cè)試驗(yàn)中，被測(cè)工件的磁導(dǎo)率變化通過線圈阻抗變化來反映試件的磁導(dǎo)率變化，通過磁導(dǎo)率變化尋找電磁檢測(cè)結(jié)果與硬度之間的關(guān)系。

由于硬度不同引起的檢測(cè)探頭的電壓變化量通過電橋電路輸出，經(jīng)過正交鎖相放大之后成為兩路正交信號(hào)Ux和Uy，利用下式計(jì)算出信號(hào)幅值：

(2)

Um作為定量分析的特征，實(shí)際中，為保證檢測(cè)的可靠性，通過多次測(cè)量求得平均值，再進(jìn)行歸一化處理，得到試件電磁檢測(cè)幅值的歸一化結(jié)果。

采用HR-1550A型硬度計(jì)對(duì)同樣的鋼制件進(jìn)行硬度測(cè)試，得到各鋼制件的洛氏硬度。兩種不同鋼質(zhì)件的電磁檢測(cè)和硬度檢測(cè)的結(jié)果如表1所示。

3.2　電磁-硬度曲線擬合

將電磁測(cè)量得到的歸一化信號(hào)幅值和測(cè)得的工件硬度值之間的關(guān)系用圖形化的方式表示，如圖5和6所示。

表1　鋼制件電磁檢測(cè)與硬度測(cè)試結(jié)果

圖5　40Cr鋼硬度與信號(hào)幅值之間的關(guān)系

圖6　42CrMo鋼硬度與信號(hào)幅值之間的關(guān)系

從圖5、6均可看出，電磁檢測(cè)信號(hào)的幅值和工件硬度之間存在一定的線性關(guān)系，這說明通過曲線擬合的方法可得到線圈阻抗幅度值與硬度之間的關(guān)系。

在試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程中，根據(jù)最小二乘法原理進(jìn)行曲線擬合，

即

Hc=φ(Um)=a0+a1Um

(3)

只需要確定系數(shù)a0，a1值即可。根據(jù)最小二乘法原理，用y表示信號(hào)幅值，x表示硬度值，測(cè)量次數(shù)為N，求得

使得

(4)

4　結(jié)論

本文基于鐵磁性材料的磁導(dǎo)率與硬度之間的關(guān)系，采用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)對(duì)零部件硬度的無損測(cè)量。其試驗(yàn)結(jié)果表明：電磁檢測(cè)信號(hào)幅值與工件硬度之間存在一定線性關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，采用最小二乘擬合法建立了硬度與探頭信號(hào)之間的數(shù)學(xué)模型，它可為通過電磁檢測(cè)信號(hào)測(cè)定工件硬度提供理論指導(dǎo)。

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