CSTM-无损检测 应力检测 磁巴克豪森噪声法

ICSXX.XXX.XXXXX团 体 标 准T/CSTMXXXXX-202X无损检测应力测量磁巴克豪森噪声法Non-destructivetesting—StressdetectionMagneticBarkhausennoisemethod202X-XX-XX发布202X-XX-XX实施发布中关村材料试验技术联盟发布T/CSTMXXXXX-2020无损检测应力测量磁巴克豪森噪声法范围本标准规定了采用磁巴克豪森噪声测量铁磁性材料及构件表面应力的方法。规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T9445无损检测人员资格鉴定与认证GB/T12604.5无损检测术语磁粉检测GB/T20737无损检测通用术语和定义GB/T34357无损检测术语漏磁检测CSTM00210-2020《无损检测磁巴克豪森噪声检测》术语和定义GB/T12604.5、GB/T20737和GB/T34357界定的以及下列术语和定义适用于本文件。单向应力Uniaxialstress材料部件上指定点收到指定方向的应力。平面应力张量Planestresstensor在弹性力学里，对于材料表面忽略深度方向应力下，材料表面所受的二维平面正应力与切应力所组成的张量。面接触型磁巴克豪森噪声应力传感器SurfacecontactmagneticBarkhausennoisestresssensor传感器磁轭底部为平面的传感器，测量时磁轭底部平面与被测部件完全接触。线接触型磁巴克豪森噪声应力传感器LinecontactmagneticBarkhausennoisestresssensor传感器磁轭底部为圆弧面的传感器，测量时磁轭底部与被测部件接触区域为直线接触。点接触型磁巴克豪森噪声应力传感器PointcontactmagneticBarkhausennoisestresssensor传感器磁轭底部为锥面的传感器，测量时磁轭底部与被测部件接触区域为点接触。专用型磁巴克豪森噪声应力传感器DedicatedmagneticBarkhausennoisestresssensor为适用部件特殊表面检测而设计的磁巴克豪森噪声应力测量传感器。测量原理物理原理在交流磁化过程中，铁磁性材料微观磁畴运动、不可能磁畴壁移动过程中将释放出磁巴克豪森噪声信号。材料所受应力将改变微观磁畴运动及磁畴壁移动的强度，进而引起所释放出的磁巴克豪森噪声强度的变化。对于大多数铁磁性材料，随着拉伸应力的增加，磁巴克豪森噪声强度越大，随着压缩应力的增加，磁巴克豪森噪声强度越低。优点局限性优点及特点：检测快速、便捷；可用于部件制造过程中、在役或在线检测；是一种无损检测方法；对人体无害。局限性：不适用于非铁磁性材料；检测需进行标定。检测应用分类对于磁巴克豪森噪声检测应力，按被测部件类型分为平面类、圆柱类、大曲面类、特殊曲面类4种。对于不同类别的被测部件传感器可选用不同的类型，如表1所示，传感器分平面接触型、线接触型、点接触型、专用型传感器。检测可分为自动检测和手动检测2种检测方式，根据现场是否方便而选择不同的检测方式。检测对象与传感器选用如表2所示。表1传感器类型传感器类型典型应用面接触型钢板轧制残余应力在线检测线接触型曲轴自动化检测点接触型石油管道表面应力检测专用传感器齿轮残余应力检测、轴承滚道残余应力检测表2检测对象与传感器选用检测对象类别可选择检测传感器推荐检测方式备注平面类面接触型自动手动检测易因为操作导致励磁不一致线接触型自动手动检测易因为操作导致励磁不一致点接触型自动/手动/圆柱类线接触型自动手动检测易因为操作导致励磁不一致点接触型自动/手动/大曲面类点接触型自动/手动曲面曲率远大于传感器尺寸特殊曲面类专用型传感器自动特殊曲面类由于曲面特殊普通传感器难以实现良好励磁或信号接收，如齿轮，曲轴、轴承沟槽一般要求人员要求从事磁巴克豪森噪声应力检测的人员应具备一定的电磁检测专业知识。接受过本标准及磁巴克豪森噪声应力测量仪的使用培训，并持本标准的培训证明上岗。检测程序A)确立检测方案B)标定C)预处理D)检测E)应力评定F)后处理检测工艺文件检测工艺文件应至少包括如下内容：被检工件规格、几何尺寸、盛装介质及使用年限、材料牌号、公称厚度、涂层厚度、表面状态；检测时机及预处理情况；检测时工件表面处理方法及处理后表面状态；执行标准、参考标准；检测仪器名称、型号、传感器型号；标定试样尺寸、预处理方法、标定数据；仪器检测状态参数的设置值；应力测量方向及应力值、应力张量值；用图示标明检测部位；用草图、标记或照相描述并定位超出验收标准的结果位置示意图；被测部件后处理情况；安全要求5.3.1仪器及传感器使用过程中，注意传感器发热情况，防止短路引起的安全事故。5.3.2预处理被测表面时，佩戴护目镜及防护手套，防止颗粒及粉刺对眼睛的伤害及稀盐酸对皮肤的伤害。5.3.3进入易燃易爆场合应严格遵守相关安全要求。设备磁巴克豪森噪声应力测量仪器如CSTM00210-2020《无损检测磁巴克豪森噪声检测》8.2中检测仪器原理，仪器最低指标参数要求如表3所示：表3硬件最低指标名称参数磁化波形正弦波、三角波磁化最大电压10V最大功率50W磁化频率1~300Hz接收信号参数放大倍数>40dB带宽5~500kHz带通滤波器范围5~100kHz可调，衰减>35dB被测表面要求5.5.1硬度要求被测部位与标定试件表表面硬度偏差≤95%，减少材料表面硬度不同带来的误差。5.5.2粗糙度要求被测部位表面粗糙度应≤12.6，确保良好的励磁与信号接收。如未满足粗糙度要求，应使用≥2000目砂纸手工打磨直到达到粗糙度要求，禁止使用角磨机等电动设备打磨。打磨时应按照圈式打磨法打磨，禁止只按一个方向重复打磨，打磨方法如图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)圈式打磨法图1打磨方法示意图被测工件被测工件打磨方向打磨方向5.5.3表面附着物要求被测部位表面应无任何其他附着层，如表面含氧化皮，应使用稀盐酸清洗，完全露出金属本体。5.5.4曲率要求被测部位曲率应≥20倍传感器磁轭接触点间间距，以减小材料曲率变化对检测结果的影响。5.5.5检测区域要求检测时应使传感器磁轭与被测部位接触点远离焊缝区域（至少离开焊缝热影响区）。结构部件常包含焊缝，焊缝区域微观结构复杂，将影响磁巴克豪森噪声信号。5.5.6热处理工艺要求应力标定试件与被测部位具有相同的相同的热处理工艺。对于相同材料的不同测量部位，若热处理工艺不同，应做相对应的标定数据。以避免微观结构对应力测量的影响。辅助器材A)磁场强度计B)砂纸C)稀盐酸D)除漆剂E)记号笔F)角度尺G)水平尺I)标准零应力试块传感器校准测量应每隔4小时在标准零应力试块上对传感器进行复验，检验传感器精度是否满足要求。温度要求对于标定时温度与检测时温度是否在仪器要求温度范围内，若超出仪器规定温度范围，应对标定数据做温度补偿。传感器提离要求标定时和检测时因使传感器保持相同的提离距离，推荐提离距离0.2~0.5mm，反之应做相应的补偿。传感器安装要求检测时应保证接收器中心至于被测点位置，且磁轭量接触点之间连线方向应与被测应力方向重合；传感器应与被测点所在表面法线重合。信号处理方法如图2所示，磁巴克豪森噪声信号接收器接收到的原始信号由与激励磁场频率相同的感应磁场信号上叠加高频磁巴克豪森噪声信号组成。如图3所示，原始信号经过信号处理器放大和带通滤波滤掉低频感应磁场信号后得到纯净的磁巴克豪森噪声信号。图2传感器接收到原始信号图3磁巴克豪森噪声信号磁巴克豪森噪声信号特征值主要是通过对图8所示的信号进行信号处理，包括求取信号均方根、包络面积、峰值、振铃数等。这里以常用的均方根值计算进行说明，对于采集到一定时间长度的磁巴克豪森噪声信号，均方根计算公式如（1）所示。（1）式中：RMS－计算得到的均方根值；N－所采集信号点数;X1－Xi是所采集第i点的幅值，i取1到N。标定试块拉伸标定试块实验室条件下，材料拉伸实验可很好的测量材料的力学性能，可通过拉伸机对标定试件进行不同应力加载，准确获取不同的加载应力，建立起不同应力与磁巴克豪森噪声信号特征值的关系曲线,拉伸应力标定试件如图4所示。●标定试件应满足国标中对拉伸试件尺寸的要求；●同时考虑到磁化时边缘效应，标定试件测量区域不能太小，标定试件还需满足以下尺寸要求：a)b0≧1.5*b;b)l0≧b0。试件试件磁轭b0－标定试件宽度;b－励磁磁轭宽度;l0－励磁磁轭左端距离标定试件左端平行段起始点距离。图4拉伸标定试件●标定试件材料、热处理状态、表面质量应与被测部件完全相同；●材料部件内部常有一定的残余应力，制作的标定试件在标定前应进行残余应力消除，若使用热处理方法消除残余应力可能导致试件内部微观结构改变及表面氧化，使标定试件磁性能和表面状况发生改变导致标定与实际测量误差较大，故可将标定试件在弹性阶段进行多次(≥10次)反复加载-卸载应力至零，以消除残余应力。压缩应力标定试块压缩标定试件尺寸如图5所示长方体，试件要求如下：●标定试件应满足国标中对压缩试件尺寸的要求；●同时考虑到磁化时边缘效应，标定试件测量区域不能太小，标定试件还需满足以下尺寸要求：a)b0≧1.5*b;b)l0≧b0。标定试件材料、热处理状态、表面质量应与被测部件完全相同；●材料部件内部常有一定的残余应力，制作的标定试件在标定前应进行残余应力消除，若使用热处理方法消除残余应力可能导致试件内部微观结构改变及表面氧化，使标定试件磁性能和表面状况发生改变导致标定与实际测量误差较大，故可将标定试件在弹性阶段进行多次(≥10次)反复加载-卸载应力至零，以消除残余应力。试件磁轭试件磁轭hb0－标定试件宽度;b－励磁磁轭宽度;h－标定试件厚度;l0－励磁磁轭左端距离标定试件左端平行段起始点距离。图5压缩标定试件标定如图5所示，将磁巴克豪森噪声传感器固定于标定试件后，在拉伸机上进行拉力实验，将材料弹性范围分为若干点，采用阶梯加载的方式，在每次保载时测量的磁巴克豪森噪声均方根值，记录建立起应力均方根-应力曲线。加载示意图如图8所示，记录应力-均方根标如标4所示。标定时所记录的应力值应保证将材料谈心范围至少均等分数量≥10。时间应力时间应力图5阶梯加载示意标4应力-磁巴克豪森均方根记录标应力(Mpa)均方根(V)0...10...20以下以Q235材料进行说明，由于Q235材料屈服强度为235MPa,故在0-220MPa范围，从0MPa开始，在拉伸机应力每增加10MPa时进行保载，测量此时磁巴克豪森噪声信号，再继续加载，传感器安装如图如图6所示。得到整个弹性范围内磁巴克豪森噪声均方根值与应力的对应关系曲线，最后将此对应关系曲线进行2次多项式拟合，并记录拟合置信度与拟合应力误差，得到如图7所示磁巴克豪森噪声均方根值-应力曲线。图6应力标定实验传感器安装位置图图7磁巴克豪森噪声均方根值-应力标定曲线检测检测步骤如下：方案选定，主要根据被测部件情况选择合适类型传感器及配套检测仪器，是否自动检测；制作标定试件并进行标定，记录标定试件表面硬度；对被测部件进行预处理，包括附着物清除，打磨，除去氧化皮灯；测量被测区域表面硬度，若表面硬度与标定试件表面硬度偏差≥10%，则终止本测量点检测；对被测区域进行退磁处理；如图8所示，对被测点区域进行划线，标出被测方向，若需解析主应力方向，应间隔60度画3条测量方向线；对每个测量点分别按所画测量方向进行测量，并重复测量5次，剔除其中与其他测量值偏差大于10%的值，将剩余4个值的平均值作为测量结果，并做好记录；再次对被测区域进行退磁处理；还原被测部位原来表面附着状态，如涂防锈漆、盖保温层等；a)单向应力测量标记示意图a)单向应力测量标记示意图a)需解析主应力测量标记示意图图8测量方向标记示意图60º60º标记线o平面应力张量的解析根据附录A对被测部位表面应力张量进行解析，并求取主应力大小和方向。检测结果评价检测结果应按照表5进行记录，记录实际测量值，并根据标定曲线标出应力测量值的偏差与置信度。在测量了3个方向以上的测量点，若进行主应力解析，应按照图6表格进行记录，并标出此测量位置的安全度。应力安全度等级分类方法如表7所示。表5应力测量结果记录表标记位置测量角度应力应力值±偏差(置信度)应力值±偏差(置信度)表6应力张量解析结果记录表标记位置主应力主应力主应力与标记线夹角置信度(置信度)安全度...应力值应力值

表7应力安全度分级表应力值安全度-50%×≤且50%×★★★-80%×≤且50%×★★50%×≤且80%×★★80%×≤☆-80%×☆注:为与中最小值与误差下偏差的差值；为与中最大值与误差上偏差的之和。检测报告检测报告应至少包括如下内容：委托单位、报告编号；检测单位；被检工件（设备）规格、几何尺寸、盛装介质及使用年限、材料牌号、公称厚度、涂层厚度、表面状态；检测时工件表面处理方法及处理后表面状态；执行标准、参考标准；检测仪器名称、型号、扫描模式；标准和对比试件的校准结果；仪器检测状态参数的设置值；用图示标明检测部位；检测设置文件名称及数据文件名称；用草图、标记或照相描述并定位超出验收标准的结果位置示意图；验收准则及检测结论；检测日期、检测人员和审核人签字及资质。

附录A（资料性附录）磁巴克豪森噪声法平面应力张量解析方法A.1磁巴克豪森噪声法平面应力张量解析方法图9平面应力分解示意图图9平面应力分解示意图如图9所示，在弹性力学中，对于材料表面应力问题，在受力物体中取一个微小单元，其中AB，AC与坐标y，x重合，而BC的外法线与x轴成θ角。取x',y'坐标，使BC的外法线方向与x'方向重合。在这种情况下，如果σx，σy，τ假定ABC的面积为单位面积，则AB和AC的面积分别为cosθ与sinθ。于是，由平衡条件Fxpx=σpy=τ其中，px，py为BC面上单位面积的力p在x，y方向的投影。将px，py投影到σx'=τx'y将式1、2带入式3、4得σx'=τx'y或σx'=τx'y若某一斜面上切应力τx'y'=0当τx'ypx=σ∙cosθp求解得：sinθ进而得到：σ2-σx求解得：σ可得，对于平面应力存在两个主应力，称之为最大、最小应力，二者成90°角。若已知最大、最小应力σ1(x方向)，σ2(y方向σx'=τx'y由式11可知，其包含σ1、σ2、在磁巴克豪森噪声平面应力解析方法中，首先获取整个圆周方向上磁巴克豪森噪声随应力的变化曲线，进而可在实际测量过程中，测量某一分方向的磁巴克豪森噪声值得到此方向应力分量，具体做法如图8所示，假设x与y方向为主应力方向，测得某方向上的σx1'，假设该方向与σ1成θ1，继续测量与σ1成θ1+φσx1'通过求解式13即可得到最大、最小应力σ1，σ2的大小及方向，可通过式1xyxy0θφφσσσ((图10平面应力测量方法示意图

附录C（资料性附录）本标准起草单位和起草人本标准起草单位：中国特种设备检测研究院等本标准主要起草人：

参考文献[1]沈功田,郑阳,蒋政培,谭继东.磁巴克豪森噪声技术的发展现状[J].无损检测,2016,38(07):66-74.[2]孙昊,陈娟,祁欣.温度和激励磁场对磁巴克豪森跳跃平均体积的影响[J].无损检测,2020,42(06):32-35.[3]王平,杨雅荣,田贵云,姚恩涛,王海涛.基于巴克豪森效应的钢轨表面应力研究[J].无损检测,2010,32(10):757-761.[4]H.Barkhausen:ZweimitHilfederneuenVerstärkerentdeckteErscheinungen.Phys.Z.

20,401–403(1919)

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