無(wú)損檢測(cè) 鐵磁性金屬材料力學(xué)參量微磁檢測(cè)指南

T/CSTMXXXXX—2020IT/CSTMXXXXX—20181ICSXX.XXX.XXXXX團(tuán) 體 標(biāo) 準(zhǔn)T/CSTMXXXXX-2020無(wú)損檢測(cè)鐵磁性金屬材料力學(xué)參量微磁檢測(cè)指南（征求意見稿）2020-XX-XX發(fā)布202X-XX-XX實(shí)施發(fā)布中關(guān)村材料試驗(yàn)技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布T/CSTMXXXXX—2020IT/CSTMXXXXX—20181無(wú)損檢測(cè)鐵磁性金屬材料力學(xué)參量微磁檢測(cè)指南范圍本文件規(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(cè)的方法、檢測(cè)人員、檢測(cè)設(shè)備、試樣、檢測(cè)程序、檢測(cè)結(jié)果異常的處理、檢測(cè)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(cè)。其它鐵磁性金屬結(jié)構(gòu)件的力學(xué)參量檢測(cè)可參考本文件。2規(guī)范性引用文件下列文件對(duì)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(wú)損檢測(cè)通用術(shù)語(yǔ)和定義GB/T12604.5無(wú)損檢測(cè)術(shù)語(yǔ)磁粉檢測(cè)GB/T12604.10無(wú)損檢測(cè)術(shù)語(yǔ)磁記憶檢測(cè)GB/T9445無(wú)損檢測(cè)人員資格鑒定與認(rèn)證3術(shù)語(yǔ)和定義GB/T20737、GB/T12604.5和GB/T12604.10界定的術(shù)語(yǔ)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(chǎng)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(cè)結(jié)構(gòu)件微磁參量與力學(xué)參量對(duì)應(yīng)關(guān)系而制備的系列試樣。3.4預(yù)測(cè)模型Predictionmodel針對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)件配置在微磁檢測(cè)儀器軟件系統(tǒng)中、輸入為微磁參量值和輸出為所檢測(cè)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(cè)模型是否適用于待測(cè)結(jié)構(gòu)件以及預(yù)測(cè)精度是否滿足力學(xué)參量測(cè)試要求而制備的系列試樣。3.6線性回歸方法Linearregressionalgorithm利用特定待測(cè)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。方法概要檢微磁檢測(cè)原理圖1磁學(xué)性能與力學(xué)性能的關(guān)系鐵磁性金屬在外加周期性磁場(chǎng)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(duì)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(duì)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(cè)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(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而通過測(cè)量微磁參量來(lái)預(yù)測(cè)材料力學(xué)參量的無(wú)損檢測(cè)方法。微磁檢測(cè)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(wú)損檢測(cè)；⑵檢測(cè)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(cè)；⑶既適用于制造過程中的檢測(cè)，也適用于在役運(yùn)行中的檢測(cè)；⑷檢測(cè)速度快，可實(shí)現(xiàn)在線普檢；⑸可以根據(jù)對(duì)象的形狀尺寸設(shè)計(jì)探頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜部件的覆蓋檢測(cè)。4.2.2局限性⑴不適用于非鐵磁性材料；⑵檢測(cè)前需針對(duì)特定待測(cè)對(duì)象進(jìn)行儀器標(biāo)定并獲得預(yù)測(cè)模型；⑶影響檢測(cè)的因素較多。微磁檢測(cè)的影響因素影響微磁檢測(cè)的相關(guān)因素包括：⑴被測(cè)對(duì)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(cè)儀器的影響：磁化頻率和磁化強(qiáng)度，混頻檢測(cè)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(duì)姿態(tài)；⑷環(huán)境的影響：空間電磁場(chǎng)輻射，電源電流沖擊干擾。檢測(cè)人員按本文件進(jìn)行微磁檢測(cè)的人員應(yīng)參考GB/T9445的要求經(jīng)過專門培訓(xùn)。檢測(cè)設(shè)備微磁檢測(cè)設(shè)備至少應(yīng)包含微磁檢測(cè)傳感器和微磁檢測(cè)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)。傳感器圖2微磁檢測(cè)傳感器的組成①圖2微磁檢測(cè)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(cè)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(chǎng)傳輸至被測(cè)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(chǎng)磁化被測(cè)結(jié)構(gòu)件。6.1.3激勵(lì)線圈由漆包線繞制而成，其中通入高頻正弦交流電流而產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)，與低頻磁場(chǎng)疊加實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)件混頻磁化，或在被測(cè)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(cè)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(chǎng)。6.1.5主磁通線圈由漆包線繞制在磁極上而成，用于測(cè)量由磁芯和被測(cè)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(cè)量結(jié)構(gòu)件磁滯回線特征參量。6.1.6霍爾元件用于測(cè)量低頻磁化場(chǎng)在被測(cè)結(jié)構(gòu)件表面的切向磁場(chǎng)強(qiáng)度分量。檢測(cè)儀器微磁檢測(cè)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(cè)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(cè)模型計(jì)算給出被測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)被測(cè)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(duì)感應(yīng)線圈獲得的弱信號(hào)進(jìn)行幅度放大，對(duì)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。圖3微磁檢測(cè)設(shè)備構(gòu)成6.2.4模擬信號(hào)處理器圖3微磁檢測(cè)設(shè)備構(gòu)成用于對(duì)磁巴克豪森噪聲信號(hào)、渦流再生磁場(chǎng)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(duì)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(cè)模型計(jì)算出被測(cè)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(cè)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(cè)模型。試樣微磁檢測(cè)用試樣包括標(biāo)定試樣和驗(yàn)證試樣。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(cè)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(cè)量力學(xué)參量的要求，并按照相應(yīng)國(guó)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(cè)時(shí)磁化滲透深度的3倍，以避免試樣過薄對(duì)磁化場(chǎng)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(duì)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。標(biāo)定試樣的控制原則7.2.1試樣數(shù)量針對(duì)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：（1）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(duì)特定待測(cè)結(jié)構(gòu)件微磁檢測(cè)所允許的測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試范圍的50%，例如在對(duì)一批結(jié)構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力測(cè)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：（2）其中0.8≤a≤1.2。驗(yàn)證試樣的控制原則7.3.1試樣數(shù)量針對(duì)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。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(cè)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。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(cè)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(cè)精度還需采用驗(yàn)證試樣進(jìn)行測(cè)試和評(píng)價(jià)。具體步驟如下：⑴制備標(biāo)定試樣。一般來(lái)說，針對(duì)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(kù)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(cè)試。首先對(duì)標(biāo)定試樣逐一進(jìn)行微磁測(cè)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)推薦的常規(guī)力學(xué)性能測(cè)試方法（如拉伸試驗(yàn)、顯微硬度測(cè)試和X射線衍射殘余應(yīng)力測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)試方法，逐一對(duì)S件驗(yàn)證試樣進(jìn)行測(cè)試；將測(cè)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(cè)值；然后與測(cè)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(cè)。檢測(cè)程序在完成標(biāo)定和驗(yàn)證工作后，即可采用微磁檢測(cè)設(shè)備對(duì)待測(cè)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行力學(xué)參量的檢測(cè)。在檢測(cè)開始前和檢測(cè)過程中，應(yīng)注意如下相關(guān)事宜：檢測(cè)條件的確定和準(zhǔn)備8.1.1針對(duì)傳感器的檢測(cè)區(qū)域，被測(cè)表面的形狀和曲率應(yīng)相同，避免磁路變化對(duì)檢測(cè)的影響。8.1.2針對(duì)傳感器的檢測(cè)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(duì)檢測(cè)的影響。8.1.3被檢結(jié)構(gòu)件表面應(yīng)無(wú)影響檢測(cè)的障礙物和異物，避免傳感器提離效應(yīng)對(duì)檢測(cè)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(cè)前，應(yīng)采用驗(yàn)證試樣校驗(yàn)預(yù)測(cè)模型的符合性，并對(duì)檢測(cè)儀器和傳感器的功能和性能進(jìn)行測(cè)試和調(diào)試。微磁檢測(cè)的實(shí)施8.3.1自動(dòng)檢測(cè)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(cè)。檢測(cè)過程中傳感器的掃查步長(zhǎng)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(cè)姿態(tài)不變。8.2.3在檢測(cè)過程中，傳感器與被測(cè)結(jié)構(gòu)件表面保持恒定間隙，確保磁化場(chǎng)良好耦合和避免提離效應(yīng)。檢測(cè)設(shè)備的校驗(yàn)除每次檢測(cè)前和結(jié)束后必須進(jìn)行檢測(cè)設(shè)備校驗(yàn)外，在下列情況下也應(yīng)使用驗(yàn)證試樣對(duì)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行校驗(yàn)：①連續(xù)檢測(cè)時(shí)，每4小時(shí)校驗(yàn)一次；②更換被測(cè)對(duì)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(cè)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(cè)，在設(shè)備重新校驗(yàn)合格后重新進(jìn)行檢測(cè)檢測(cè)結(jié)果異常的處理在對(duì)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(cè)時(shí)，如果出現(xiàn)明顯異常值，應(yīng)：⑴判斷是否因其它力學(xué)參量變化引起微磁檢測(cè)偏差?？刹捎脗鹘y(tǒng)力學(xué)法進(jìn)行核實(shí)。如果確認(rèn)其它力學(xué)參量波動(dòng)的影響，應(yīng)按照本文件7.4節(jié)所述方法和步驟重新進(jìn)行標(biāo)定，并在標(biāo)定后重新進(jìn)行檢測(cè)；如果不是其它力學(xué)參量波動(dòng)的影響，則應(yīng)：⑵判斷傳感器與被測(cè)結(jié)構(gòu)件的耦合是否良好。如果耦合存在問題，應(yīng)在糾正后重新進(jìn)行檢測(cè)。⑶判斷檢測(cè)設(shè)備是否受到干擾。如果是，在排除干擾后重新進(jìn)行檢測(cè)。⑷按照合同的約定進(jìn)行處理。檢測(cè)記錄和報(bào)告檢測(cè)記錄檢測(cè)記錄應(yīng)至少包括檢測(cè)報(bào)告的內(nèi)容。除此之外，還應(yīng)按委托合同的要求記錄有關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)和信息。所有記錄的保存應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和/或合同的要求。檢測(cè)報(bào)告檢測(cè)報(bào)告應(yīng)至少包括如下內(nèi)容：a）報(bào)告名稱，報(bào)告編號(hào)；b）委托單位；c）檢測(cè)單