无损检测 铁磁性金属材料力学参量微磁检测指南

T/CSTMXXXXX—2020IT/CSTMXXXXX—20181ICSXX.XXX.XXXXX团 体 标 准T/CSTMXXXXX-2020无损检测铁磁性金属材料力学参量微磁检测指南（征求意见稿）2020-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—2020IT/CSTMXXXXX—20181无损检测铁磁性金属材料力学参量微磁检测指南范围本文件规定了铁磁性金属残余应力、硬度、硬化层深度、屈服强度、塑性变形等力学参量的微磁检测的方法、检测人员、检测设备、试样、检测程序、检测结果异常的处理、检测记录和报告的一般原则。本文件适用于制造过程中的铁磁性齿轮、叶片、曲轴、火车车轮和车身结构件的力学参量检测。其它铁磁性金属结构件的力学参量检测可参考本文件。2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/T20737无损检测通用术语和定义GB/T12604.5无损检测术语磁粉检测GB/T12604.10无损检测术语磁记忆检测GB/T9445无损检测人员资格鉴定与认证3术语和定义GB/T20737、GB/T12604.5和GB/T12604.10界定的术语和定义适用于本文件。3.1微磁信号Micromagneticsignal铁磁性材料在周期磁化过程中，能够表征磁畴翻转过程中不连续跳变等磁化行为的特征磁信号，主要包括磁巴克豪森噪声和增量磁导率。广义的微磁信号还可以包括磁滞回线、切向磁场强度和涡流等。3.2微磁参量Micromagneticparameters微磁信号的时域、频域等统计特征参量。3.3标定试样Calibratedsample用于获取特定待测结构件微磁参量与力学参量对应关系而制备的系列试样。3.4预测模型Predictionmodel针对被测结构件配置在微磁检测仪器软件系统中、输入为微磁参量值和输出为所检测力学参量值的算法模型。3.5验证试样Verifiedsample用于判断预测模型是否适用于待测结构件以及预测精度是否满足力学参量测试要求而制备的系列试样。3.6线性回归方法Linearregressionalgorithm利用特定待测结构件的微磁参量值和力学参量标称值，寻找并获得彼此间线性关系模型的机器学习算法。方法概要检微磁检测原理图1磁学性能与力学性能的关系铁磁性金属在外加周期性磁场作用下，由于其材料的微观结构不同，晶格的位错和晶界对磁畴翻转的钉扎效应存在差异，从而导致表征磁畴磁化行为的微磁性能不一样。另一方面，当材料承受外部载荷时，晶格缺陷将影响晶粒的力学行为，进而影响材料的力学性能。材料的微磁和力学性能本质上都由材料微观结构决定，两者之间存在对应关系，如图1所示。图1磁学性能与力学性能的关系微磁检测方法是发现并获得铁磁性金属的微磁参量与力学参量（如残余应力、硬度、硬化层深度、屈服强度、塑性变形）的对应关系，进而通过测量微磁参量来预测材料力学参量的无损检测方法。微磁检测特点和局限性4.2.1特点⑴可实现铁磁性金属材料及结构件残余应力、硬度、硬化层深度、屈服强度、塑形变形等力学参量的无损检测；⑵检测条件要求低，在有锈蚀、油污、化学残留物的情况下仍可进行正常检测；⑶既适用于制造过程中的检测，也适用于在役运行中的检测；⑷检测速度快，可实现在线普检；⑸可以根据对象的形状尺寸设计探头，实现对复杂部件的覆盖检测。4.2.2局限性⑴不适用于非铁磁性材料；⑵检测前需针对特定待测对象进行仪器标定并获得预测模型；⑶影响检测的因素较多。微磁检测的影响因素影响微磁检测的相关因素包括：⑴被测对象的影响：材料的材质成分和微观结构，结构件的形状和尺寸，金属的电磁特性和磁化状态；⑵检测仪器的影响：磁化频率和磁化强度，混频检测时的磁化频率数量、幅值和频率比值；⑶传感器的影响：磁芯结构，线圈参数，检出信号方式，提离间隙，相对姿态；⑷环境的影响：空间电磁场辐射，电源电流冲击干扰。检测人员按本文件进行微磁检测的人员应参考GB/T9445的要求经过专门培训。检测设备微磁检测设备至少应包含微磁检测传感器和微磁检测仪器，必要时还应有带动传感器工作的扫查装置、跟踪机构或机器人系统。传感器图2微磁检测传感器的组成①图2微磁检测传感器的组成①磁芯②磁化线圈③激励线圈④感应线圈⑤主磁通线圈⑥霍尔元件⑦被测结构件6.1.1磁芯由高导磁的矽钢片构成，用于将磁化线圈激发的低频电磁场传输至被测结构件中。6.1.2磁化线圈由漆包线绕制而成，其中通入低频正弦交流电流，产生低频交变磁场磁化被测结构件。6.1.3激励线圈由漆包线绕制而成，其中通入高频正弦交流电流而产生高频交变磁场，与低频磁场叠加实现对被测结构件混频磁化，或在被测结构件中感生涡流。6.1.4感应线圈由漆包线绕制而成，用于测量受结构件力学参量调制的磁巴克豪森噪声和涡流再生磁场。6.1.5主磁通线圈由漆包线绕制在磁极上而成，用于测量由磁芯和被测结构件构成的磁回路中的磁通密度，进而实现测量结构件磁滞回线特征参量。6.1.6霍尔元件用于测量低频磁化场在被测结构件表面的切向磁场强度分量。检测仪器微磁检测仪器由嵌入式系统和上位计算机组成，如图3所示。嵌入式系统的功能是产生正弦交流电或它们的混频交流电供给传感器，将传感器获得的检测信号进行放大、滤波等处理后进行A/D转换，再利用嵌入式软件进行微磁参量值提取并输入给上位机。嵌入式系统硬件电路一般包括信号发生器、功率放大器、前置放大器、模拟信号处理器、A/D采集器、DSP（数字信号处理器）和主控制器；上位机的功能是利用嵌入式系统获得的微磁参量值，通过预测模型计算给出被测结构件的力学参量值，以及采用线性回归方法分析软件对标定试样的微磁参量数据集和力学参量标称值数据集的处理，得到微磁参量与力学参量的关系模型。6.2.1信号发生器用于产生一个或多个指定频率和幅度正弦交流电的单元电路。6.2.2功率放大器用于对信号发生器产生的正弦交流电信号进行能量放大，以驱动磁化线圈和/或激励线圈对被测结构件局部进行磁化或感生涡流。6.2.3前置放大器用于对感应线圈获得的弱信号进行幅度放大，对主磁通线圈和霍尔元件获得的强信号进行跟随隔离，以利于后续处理的电路单元。图3微磁检测设备构成6.2.4模拟信号处理器图3微磁检测设备构成用于对磁巴克豪森噪声信号、涡流再生磁场信号进行检波和滤波处理的单元电路。6.2.5A/D采集器用于将预处理后的模拟信号转换为数字信号。6.2.6DSP（数字信号处理器）实现对微磁参量值的读出与判别。6.2.7主控制器用于协调嵌入式系统中各个单元电路工作时序的中枢电路。6.2.8上位计算机①根据嵌入式系统提供的微磁参量值，利用预测模型计算出被测结构件的力学参量值；②显示嵌入式系统得到的微磁处理值以及力学参量值的预测结果；③根据嵌入式系统提供的标定试样的微磁参量值以及由常规力学方法获得并输入的力学参量标称值，利用线性回归算法分析软件得到力学参量预测模型。试样微磁检测用试样包括标定试样和验证试样。一般要求7.1.1制作标定试样和验证试件的材料应与待测结构件具有相同或相近的材质（牌号）、热处理工艺和电磁特性。7.1.2标定试样和验证试样的形状和尺寸应符合传统力学方法测量力学参量的要求，并按照相应国家标准规定方法制作。此外，试样的厚度至少为微磁检测时磁化渗透深度的3倍，以避免试样过薄对磁化场分布产生影响。7.1.3在切割取样时不应影响切口处金属原有力学性能，对试样表面的机械加工（如车、磨、抛等）不应影响金属表面原有力学性能，除非这些种影响可在后续加工或处理时被去除。7.1.4可采用拉伸、喷丸、热处理等方法制备所需专项力学参量值的标定试样或验证试样。在制备专项力学参量值的试样时，不应改变目标参量之外的其他力学性能。如果其他力学参量与目标参量相关、影响不可避免，应尽量使系列试样的其他力学参量值保持一致。标定试样的控制原则7.2.1试样数量针对每一项力学参量得到的M件标定试样的标称值Yi（i＝1，2，3……M），标定试样数量M的选取应满足：（1）其中Ymax和Ymin分别为Yi（i＝1，2，3……M）中的最大值和最小值，YT为针对特定待测结构件微磁检测所允许的测量误差。7.2.2试样参量的取值范围标定试样力学参量的取值范围应涵盖待测结构件的数值范围，即标定试样参量取值范围的最大值Ymax大于待测结构件的最大值，标定试样参量取值范围的最小值Ymin小于待测结构件的最小值。一般地，标定试样力学参量的取值范围宜超出实际测试范围的50%，例如在对一批结构件进行应力测试时，估计它们的应力在50～100MPa之间，则标定试件的应力值应处于25～125MPa范围内。7.2.3试样参数值的分布状态在满足标定试样数量原则的前提下，每一项力学参量标称值Yi的离散性应尽可能大，标准差σ至少应满足：（2）其中0.8≤a≤1.2。验证试样的控制原则7.3.1试样数量针对每一项力学参量，一般验证试样数量S小于标定试样数量M，即S＜M。7.3.2试样参量的取值及分布原则上，验证试样的力学参量取值是随机的，但在条件允许情况下，可参照待测结构件可能出现力学参量的上限值、下限值和中间值制备验证试件。利用试样的标定方法与步骤铁磁性结构件力学性能的微磁检测标定方法，通过获取M件标定试样的N项微磁参量值Xi（i＝1，2，3……N）数据集（共N×M个数据）与P项力学参量标称值Yi（i＝1，2，3……P）数据集（共P×M个数据），在满足试样控制原则条件下，采用多元线性回归方法建立起N项微磁参量与P项力学参量的关系模型。该关系模型的预测精度还需采用验证试样进行测试和评价。具体步骤如下：⑴制备标定试样。一般来说，针对相同材料经过相同工艺流程制造的结构件，可从生产线上和废品库中选取材料制作标定试样。如有必要，还需改变工艺参数制备专项标定试样，以使力学参量值满足7.2.1中规定的控制要求。⑵微磁与力学参量测试。首先对标定试样逐一进行微磁测试，得到N项微磁参量值（共N×M个数据）；其次采用国家标准推荐的常规力学性能测试方法（如拉伸试验、显微硬度测试和X射线衍射残余应力测试等），得到P项力学参量标称值（共P×M个数据）。⑶力学参量与微磁参量的关系模型。采用多元线性回归方法，对标定试样的微磁参量值与力学参量标称值进行分析，得到以力学参量为因变量、多项微磁参量为自变量的多元线性方程组。⑷模型预测精度校验：采用⑵中的微磁参量值和力学参量标称值测试方法，逐一对S件验证试样进行测试；将测得的微磁参量值代入到第⑶步所得多元线性方程组，计算得到力学参量预测值；然后与测得的力学参量标称值进行比较，如偏差小于预先规定的允许误差YT，则标定完成，否则标定不成功。标定不成功表示所建立的关系模型不能用于实际力学参量检测。检测程序在完成标定和验证工作后，即可采用微磁检测设备对待测结构件进行力学参量的检测。在检测开始前和检测过程中，应注意如下相关事宜：检测条件的确定和准备8.1.1针对传感器的检测区域，被测表面的形状和曲率应相同，避免磁路变化对检测的影响。8.1.2针对传感器的检测区域，结构件的厚度应不小于磁化渗透深度3倍，避免边界效应对检测的影响。8.1.3被检结构件表面应无影响检测的障碍物和异物，避免传感器提离效应对检测的影响。8.1.4根据被检结构件的形状、尺寸和制造工艺（例如金属轧制方向），规划传感器的磁化方向和扫查路径。8.1.5在每批结构件检测前，应采用验证试样校验预测模型的符合性，并对检测仪器和传感器的功能和性能进行测试和调试。微磁检测的实施8.3.1自动检测系统应按照事先规划的磁化方向和扫查路径进行检测。检测过程中传感器的扫查步长应尽量保持恒定，移动速度变化不超过±10％。8.2.2搭载传感器的机械扫查系统或机器人系统应能实现驱动力的柔顺控制并保持传感器的探测姿态不变。8.2.3在检测过程中，传感器与被测结构件表面保持恒定间隙，确保磁化场良好耦合和避免提离效应。检测设备的校验除每次检测前和结束后必须进行检测设备校验外，在下列情况下也应使用验证试样对检测设备进行校验：①连续检测时，每4小时校验一次；②更换被测对象的规格（材质、工艺状态和电磁特性不变）时；③怀疑检测设备工作不正常时；④认为必要时。如果校验不合格，则自上一次校验合格后的所有检测，在设备重新校验合格后重新进行检测检测结果异常的处理在对同一批结构件或同一结构件不同位置进行力学参量检测时，如果出现明显异常值，应：⑴判断是否因其它力学参量变化引起微磁检测偏差。可采用传统力学法进行核实。如果确认其它力学参量波动的影响，应按照本文件7.4节所述方法和步骤重新进行标定，并在标定后重新进行检测；如果不是其它力学参量波动的影响，则应：⑵判断传感器与被测结构件的耦合是否良好。如果耦合存在问题，应在纠正后重新进行检测。⑶判断检测设备是否受到干扰。如果是，在排除干扰后重新进行检测。⑷按照合同的约定进行处理。检测记录和报告检测记录检测记录应至少包括检测报告的内容。除此之外，还应按委托合同的要求记录有关检测数据和信息。所有记录的保存应符合相关标准和/或合同的要求。检测报告检测报告应至少包括如下内容：a）报告名称，报告编号；b）委托单位；c）检测单