T_CSTM 00688-2023 无损检测 铁磁性金属材料力学参量微磁检测指南.pdf

学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载 ICS 77.040.20 CCS H 26 团 体 标 准 T/CSTM 006882023 无损检测 铁磁性金属材料力学参量 微磁检测指南 Nondestructive testingGuideline for micromagnetic test of mechanical parameters of ferromagnetic materials 2023-12-22 发布 2024-03-22 实施 中关村材料试验技术联盟 发布 学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CSTM 006882023 I 目 次 前 言.II 1 范围.1 2 规范性引用文件.1 3 术语和定义.1 4 方法概要.2 5 检测人员.3 6 检测设备.3 7 试样.5 8 检测程序.7 9 结果异常的处理.8 10 记录和报告.8 附录 A.10 学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CSTM 006882023 II 前 言 本文件参照GB/T 1.12020 标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则和GB/T 20001.42015标准编写规则 第4部分：试验方法标准的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国材料与试验标准化委员会无损检测技术及设备标准化领域委员会（CSTM/FC94）提出。本文件由中国材料与试验标准化委员会无损检测技术及设备标准化领域委员会（CSTM/FC94）归口。学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CSTM 006882023 1 无损检测 铁磁性金属材料力学参量微磁检测指南 1 范围 本文件给出了铁磁性金属材料力学参量微磁检测的术语和定义、方法概要、检测人员、检测设备、试样、检测程序、结果异常的处理、记录和报告。本文件适用于铁磁性齿轮、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使用。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/T 9445 无损检测 人员资格鉴定与认证 GB/T 12604.5 无损检测 术语 磁粉检测 GB/T 12604.10 无损检测 术语 磁记忆检测 GB/T 20737 无损检测 通用术语和定义 3 术语和定义 GB/T 12604.5、GB/T 12604.10 和 GB/T 20737 界定的术语和定义适用于本文件。3.1 微磁信号 micromagnetic signal 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 micromagnetic parameters 微磁信号的时域、频域等统计特征参量。3.3 标定试样 calibrated sample 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 prediction model 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学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CSTM 006882023 2 算法模型。3.5 验证试样 verified sample 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。4 方法概要 4.1 检测原理 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。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。4.2 特点和局限性 4.2.1 特点 微磁检测特点如下：1）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独立或同步无损检测；2）检测条件要求低，在有油污、化学残留物的情况下仍可进行正常检测；3）既适用于制造过程中的检测，也适用于在役运行中的检测；4）检测速度快，可实现在线普检；5）可以根据对象的形状尺寸设计探头，实现对复杂构件的全覆盖检测。4.2.2 局限性 图图 1 磁学性能与力学性能的关系磁学性能与力学性能的关系 学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CSTM 006882023 3 微磁检测局限性如下：1）不适用于非铁磁性材料；2）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；3）影响检测的因素较多。4.3 影响因素 影响微磁检测的相关因素包括：1）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；2）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；3）传感器的影响：磁芯结构，线圈参数，检出信号方式，提离，相对姿态；4）环境的影响：空间电磁场辐射，电源电流冲击干扰。5 检测人员 按本文件进行微磁检测的人员宜参考 GB/T9445 的要求经过专门培训。6 检测设备 6.1 一般要求 微磁检测设备至少包含微磁检测传感器和微磁检测仪器，必要时还需要有带动传感器工作的扫查装置、跟踪机构或机器人系统。6.2 传感器 微磁检测传感器的功能是在被测铁磁金属表面和近表面激励交变磁场、混频交变磁场或涡流，测量受力学参量调制的磁巴克豪森噪声、增量磁导率、磁滞回线、切向磁场或涡流再生磁场信号。其中，磁巴克豪森噪声或增量磁导率检测功能是微磁检测传感器必须具备的。多功能微磁检测传感器主要由磁芯、磁化线圈，激励线圈、感应线圈、主磁通线圈、霍尔元件组成，如图 2 所示。根据实际被测结构件的几何形状和所需的微磁信号类型，可以调整或改变图 2 所示传感器的结构。图图 2 微磁检测传感器的组成微磁检测传感器的组成 标记序号说明：磁芯 磁化线圈 激励线圈 感应线圈 主磁通线圈 霍尔元件 被测结构件 学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CSTM 006882023 4 6.2.1 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。6.2.2 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。6.2.3 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。6.2.4 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。6.2.5 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。6.2.6 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。6.3 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 图图 3 微磁检测设备构成微磁检测设备构成 学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CSTM 006882023 5 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进行处理，得到微磁参量与力学参量的关系模型。6.3.1 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。6.3.2 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。6.3.3 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。6.3.4 模拟信号处理器 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。6.3.5 A/D 采集器 用于将预处理后的模拟信号转换为数字信号。6.3.6 DSP（数字信号处理器）实现对微磁参量值的读出与判别。6.3.7 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。6.3.8 上位计算机 上位计算机宜符合下列要求：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参量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。7 试样 7.1 一般要求 7.1.1 微磁检测用试样包括标定试样和验证试样。7.1.2 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。7.1.3 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趋肤深度的 3 倍，以避免试样过薄对磁化场学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CSTM 006882023 6 分布产生影响。7.1.4 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。7.1.5 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。7.2 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（i1，2，3M），标定试样数量M的选取宜满足公式（1）的要求：maxminTYYMY .（1）式中：Ymax为Yi（i1，2，3M）中的最大值；Ymin为Yi（i1，2，3M）中的最小值；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50MPa100MPa之间，则标定试件的应力值应处于25MPa125MPa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，标准差至少宜满足公式（）：maxmin2 3YYa （2）式中：0.8a1.2。7.3 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SM。7.3.2 试样参量的取值及分布 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