巴克豪森信号与300M钢表层应力的响应特性

         交变磁场对铁磁性材料进行磁化时,靠近磁化区域的感应线圈能检测到类似噪音的脉冲信号,称之为巴克豪森噪声(Barkhausen Noise,简称BN)。其信号值BN值与磁化过程中磁畴壁运动所受到的阻力有关,而磁畴壁的运动受材料表层的表面质量、应力状态和微观组织的影响,因此可利用它检测材料的表面完整性。20世纪70年代人们开始该方面的应用研究,到90年代这种检测技术在国外开始应用到一些重要零件上,例如飞机起落架内外筒、飞机发动机的小齿轮和轴承以及涡轮机叶片等,并制订了一些重要的技术标准[1~3]。国内该技术的研究和应用尚处于起步阶段,例如耿荣生、李强和祁欣等人利用巴克豪森法测量铁磁性材料的硬度、晶粒大小以及应力[4~6]。

　　研究表明,表层应力和BN值的相关性较好[6,7],随着拉应力的升高,BN值逐渐升高;随着压应力的升高,BN值逐渐降低。笔者采用四点弯曲加载,研究BN值与300M钢表层应力的关系,不仅印证前面的结论,同时还发现BN值和应力的反常变化现象,进一步的研究表明,磁化方向、磁化强度对BN值与应力的关系影响较大。最后用磁致伸缩模型对试验结果进行了解释。

　　1　试验工作

　　1.1　试验设备

　　试验采用芬兰Stresstech公司生产的巴克豪森检测设备μscan500,以及与其配套使用的3903和3904探头。它的基本原理是采用交变磁场对铁磁性材料进行磁化,利用一个感应线圈接收到磁化过程中所产生的巴克豪森信号。它的可调节参数有磁化频率、磁化参数MAGN和增益GAIN。磁化频率决定测试深度,可选范围为2 Hz~1 kHz,测量深度为0.01~1.5 mm。MAGN用于调节磁化电压(峰值电压),范围为0~20 V。μscan500显示的测试结果为几个磁化循环的巴克豪森信号的均方根值。磁化频率选为125 Hz,测量范围是材料表面层的0.02 mm内。3903探头的磁化极片间为15 mm×21 mm的平面,而3904探头的磁化极片间为10 mm×10 mm的弧面。

　　1.2　试验材料及处理状态

　　试样材料为300M钢,是一种屈服强度高达1 500 MPa的低合金超高强度钢,现已成为世界上综合性能最好、应用最广泛的起落架用钢,化学成分为碳0. 37% ~ 0. 40%,锰0. 76% ~ 0. 91%,硅1·51%~ 1. 69%,硫0. 003%,磷0. 007 5% ~0.008 5%,镍1. 80% ~ 1. 91%,铬0. 85%,钒0·07%~0.085%,钼0.40%,铜0.07%。原材料经锻打、预备热处理(925℃正火,690℃退火)后,加工成尺寸为15.6 mm×40 mm×250 mm的试样,再经最终热处理(870℃盐浴炉油淬,300℃回火两次),然后在流水下用60号砂轮对测试表面手工打磨掉0.3 mm的表面层,最后在100号水砂纸上磨光,以去除热处理产生的脱碳层,同时避免产生磨削烧伤。