高頻感應(yīng)淬火45鋼強(qiáng)度與硬化層深度的微磁無損檢測

董海江，劉秀成，何存富，吳 斌

(北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部，北京 100124)

0 引 言

汽車減振器連桿等承載鋼質(zhì)桿類零件表面一般具有感應(yīng)淬火硬化層[1]。為控制產(chǎn)品質(zhì)量和優(yōu)化工藝過程，需采用拉伸試驗(yàn)測定材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度[2]，通過維氏硬度計(jì)測定硬化層深度[3]。這些傳統(tǒng)測試方法均是有損的，僅適用于抽檢而難以實(shí)現(xiàn)在線檢測。

鋼質(zhì)桿類零件具有鐵磁性，對其進(jìn)行周期磁化過程中，可以檢測到多種與微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)的宏觀磁特性曲線[4]以及微磁信號(hào)，例如：磁巴克豪森噪聲（magnetic Barkhausen noise,MBN）[5]、增量磁導(dǎo)率（incremental permeability,IP）等。大量研究表明微磁信號(hào)與宏觀力學(xué)指標(biāo)（強(qiáng)度、硬度、硬化層深度等）間存在良好的相關(guān)性，由此發(fā)展出力學(xué)指標(biāo)的微磁無損檢測方法[6-8]。例如：WOLTER等[8-9]將開發(fā)的3MA-Ⅱ型微磁檢測儀器成功應(yīng)用于IF鋼強(qiáng)度指標(biāo)的微磁定量預(yù)測，模型預(yù)測的均方根誤差小于8 MPa。LI等[10]通過提取增量磁導(dǎo)率信號(hào)的特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了冷軋鋼板屈服強(qiáng)度的定量表征。但他們并沒有研究多類指標(biāo)（強(qiáng)度和硬化層深度）的同步預(yù)測問題。吳斌等[11]綜合切向磁場強(qiáng)度、磁滯回線和磁巴克豪森噪聲的多項(xiàng)特征磁參量，建立了鋼桿表面淬硬層深度的多元線性回歸預(yù)測模型，預(yù)測平均誤差僅為3.87%。但他們采用的閉環(huán)式磁路體積龐大，傳感器與試件的磁路耦合易受圓柱試件外徑波動(dòng)影響，對微磁信號(hào)的檢測質(zhì)量有待提升。

綜合來看，當(dāng)前的研究主要針對單類指標(biāo)（強(qiáng)度或硬化層深度）進(jìn)行微磁定量檢測，針對兩類指標(biāo)同步進(jìn)行定量預(yù)測的研究尚未見報(bào)道。本文采用具有開放式磁路的傳感器，通過夾具和傳感器內(nèi)置的預(yù)緊彈簧可以保證磁路與試件表面的良好耦合，獲得高質(zhì)量的微磁信號(hào)。通過實(shí)驗(yàn)測試具有不同硬化層深度鋼桿的強(qiáng)度指標(biāo)，研究利用微磁方法實(shí)現(xiàn)了高頻感應(yīng)淬火45鋼桿兩類力學(xué)指標(biāo)（屈服和抗拉強(qiáng)度、硬化層深度）的無損定量檢測。

1 微磁檢測系統(tǒng)與原理

1.1 檢測系統(tǒng)

采用圖1所示的德國弗勞恩霍夫無損檢測研究所研制的3MA-Ⅱ型微磁檢測儀開展實(shí)驗(yàn)。該儀器由檢測儀主機(jī)、傳感器、上位機(jī)與控制軟件組成。

圖1 檢測系統(tǒng)

檢測時(shí)，傳感器的U型磁軛與待測試件表面緊密貼合。勵(lì)磁線圈和激發(fā)線圈中同時(shí)通入低、高頻正弦電流，在磁軛底端形成疊加周期交變磁場對試件進(jìn)行磁化。試件磁化過程中，接收線圈和霍爾元件采集特征磁信號(hào)，通過分離和解調(diào)方法得到磁巴克豪森噪聲、切向磁場強(qiáng)度和增量磁導(dǎo)率等信號(hào)。

1.2 檢測原理

在低頻外加磁場反向過程，鐵磁性材料內(nèi)部將出現(xiàn)磁疇翻轉(zhuǎn)。磁疇翻轉(zhuǎn)受微觀結(jié)構(gòu)的釘扎作用而呈現(xiàn)不連續(xù)性（稱作巴克豪森跳變），誘發(fā)系列脈沖磁場信號(hào)，可被材料表面的電感線圈接收，形成的電壓即為磁巴克豪森噪聲信號(hào)（圖2（a））。MBN信號(hào)特征與晶粒尺寸、析出物等相關(guān)[12]，可以間接反映材料的宏觀力學(xué)性能。一般地，可從圖2（a）原始信號(hào)波形及圖2（b）的蝶形曲線（幅值的包絡(luò)線隨切向磁場強(qiáng)度Ht的變化規(guī)律）中提取7項(xiàng)MBN的特征參量，其具體含義見表1。

圖2 典型磁巴克豪森噪聲信號(hào)

鐵磁性材料的磁滯特性也與微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)。相比外加的正弦磁場，霍爾傳感器測量得到的材料表面切向磁場強(qiáng)度信號(hào)（圖3（a））受磁滯特性影響而出現(xiàn)諧波失真。由于諧波失真間接與材料微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)，也可以通過測量諧波失真程度間接反映材料宏觀力學(xué)性能的變化。切向磁場強(qiáng)度信號(hào)特征主要從基波、諧波時(shí)域波形（圖3（b））及幅值譜中提取，具體的11項(xiàng)特征參量符號(hào)及物理含義可從表1中查詢獲得。

圖3 典型切向磁場強(qiáng)度信號(hào)

在低頻磁化周期過程中，利用激發(fā)線圈提供高頻增量磁場可以在試件中形成渦流（圖4（a）），此時(shí)接收線圈感應(yīng)的電壓信號(hào)反映了不同磁化狀態(tài)下材料的磁導(dǎo)率信息。一般地，將從感應(yīng)電壓信號(hào)中解調(diào)得到的阻抗虛部隨切向磁場強(qiáng)度的變化規(guī)律以增量磁導(dǎo)率蝶形曲線（圖4（b））進(jìn)行描述。表1中給出了共計(jì)7項(xiàng)增量磁導(dǎo)率蝶形曲線的特征參量。

圖4 典型增量磁導(dǎo)率蝶形曲線

表1 磁學(xué)檢測常用特征參量表

2 試件制備

選取同一批次的45鋼桿，加工得到圖5所示的5根圓棒拉伸試件，平行段直徑為10 mm，長度為120 mm。對試件進(jìn)行編號(hào)，其中1#試件不進(jìn)行熱處理，編號(hào)2#～5#試件進(jìn)行高頻感應(yīng)淬火處理。調(diào)整感應(yīng)線圈移動(dòng)速度，使試件表面形成的硬化層深度依照試件編號(hào)2#～5#逐次增大。開展微磁信號(hào)檢測前，先后使用120目和600目砂紙對表面進(jìn)行打磨，去除熱處理過程中試件表面的薄氧化層。

圖5 試件實(shí)物及尺寸

在完成微磁信號(hào)檢測之后，根據(jù)國標(biāo)GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》對圓棒試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測得試件的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度，結(jié)果如圖6所示。從遠(yuǎn)離斷口區(qū)域的標(biāo)距段進(jìn)行圓環(huán)切割，制備成金相試樣，在金相顯微鏡下的觀察結(jié)果（圖7）可見：淬硬處理后圓棒表面出現(xiàn)硬化層（馬氏體為主），芯部組織以鐵素體為主。按照國標(biāo)GB/T 5617—2005《鋼的感應(yīng)淬火或火焰淬火后有效硬化層深度的測定》進(jìn)行硬化層深度檢驗(yàn)，測定編號(hào)2#～5#試件中有效硬化層深度分別為DS2=0.26 mm、DS3=0.45 mm、DS4=0.72 mm和DS5=0.97 mm。相比鐵素體而言，馬氏體的強(qiáng)度明顯提高。因此，隨著硬化層深度的增加，圓棒的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度值逐步增長。

圖6 試件的屈服/抗拉強(qiáng)度與硬化層深度

圖7 試件硬化層深度和微觀組織

3 微磁檢測結(jié)果

將圓棒試件放置于圖1所示的3D打印支座，使得內(nèi)嵌于支座的傳感器磁軛及磁信號(hào)測量組件底面與圓棒中間段相接觸，先后轉(zhuǎn)動(dòng)圓棒試件，傳感器測試圓棒同一圓周的2個(gè)不同位置。在每個(gè)測試位置共重復(fù)采集10組數(shù)據(jù)。

首先，對25項(xiàng)微磁參量重復(fù)測量數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析。利用采集的10組數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)各微磁參量的變異系數(shù)δ=σ（式中σ為標(biāo)準(zhǔn)差，為平均值）。圖8給出了25項(xiàng)微磁參量的變異系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，其中x3、x4、x6、x7對應(yīng)的δ值偏大（δ＞10%），即重復(fù)測試數(shù)據(jù)的離散程度偏高，不適于后續(xù)定量分析。

圖8 3#試件各特征參量的變異系數(shù)

進(jìn)行微磁參量初步篩選后，分析剩余微磁參量隨硬化層深度DS、屈服強(qiáng)度Rp0.2、抗拉強(qiáng)度Rm的變化趨勢。圖9給出了典型的分析結(jié)果，可以看出：參量Hcm隨硬化層深度DS增加而呈現(xiàn)上升趨勢（圖9（a）），這與表層鐵素體逐步相變?yōu)轳R氏體相吻合。圖9（b）和圖9（c）所示結(jié)果則顯示：參量Vmag與屈服強(qiáng)度Rp0.2以及參量Hro與抗拉強(qiáng)度Rm間均呈現(xiàn)典型的負(fù)相關(guān)。

圖9 典型特征參量隨力學(xué)性能指標(biāo)變化趨勢

4 分析與討論

4.1 相關(guān)性分析

圖9所示結(jié)果表明，特定微磁參量與分析的力學(xué)指標(biāo)間可能近似線性相關(guān)。為此，采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析方法，統(tǒng)計(jì)篩選得到21個(gè)微磁參量與3項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)的相關(guān)性。計(jì)算時(shí)，將同一位置獲取的10組測量結(jié)果進(jìn)行平均，它們與各力學(xué)指標(biāo)間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖10所示。

圖10 特征參量與DS、Rp0.2、Rm的相關(guān)系數(shù)

大部分微磁參量與3項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)之間呈負(fù)相關(guān)且相關(guān)系數(shù)高于0.6，表明微磁參量與力學(xué)指標(biāo)強(qiáng)相關(guān)。x1與Rp0.2的相關(guān)系數(shù)高于0.97，兩者間呈現(xiàn)良好的線性依賴關(guān)系，圖9（b）中線性擬合方程進(jìn)一步表明了該關(guān)系。x11與Rm也具有較高的相關(guān)系數(shù)（高于0.92），兩者間呈現(xiàn)近似線性關(guān)系（圖9（c））。特征參量x15和x22與3項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)均呈正相關(guān)，其中x15與DS相關(guān)系數(shù)高于0.97，線性擬合確定系數(shù)R2=0.93；但進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，二者更近似拋物線關(guān)系，其二次擬合方程R2高于0.98，見圖9（a）。

4.2 多元線性回歸分析

選取相關(guān)系數(shù)高于0.6的微磁參量作為自變量，力學(xué)指標(biāo)（屈服強(qiáng)度Rp0.2、抗拉強(qiáng)度Rm和硬化層深度DS）作為因變量，構(gòu)建多元線性回歸模型。針對實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，采用逐步回歸算法對模型進(jìn)行訓(xùn)練，最終模型使用的微磁參量及其權(quán)重系數(shù)值見表2。

表2 多元線性回歸模型結(jié)果

利用以上3個(gè)多元線性回歸模型分別對Rp0.2、Rm和DS預(yù)測，結(jié)果如圖11所示。

圖11 多元線性回歸模型結(jié)果

結(jié)果顯示，針對3個(gè)力學(xué)指標(biāo)的預(yù)測，得到的多元線性回歸模型包含的微磁參量存在差別，反映了不同微磁參量敏感的力學(xué)指標(biāo)并不一致。建立的面向屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和硬化層深度的3個(gè)預(yù)測模型均具有較高的精度，它們的預(yù)測數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)的線性相關(guān)系數(shù)均大于0.99，預(yù)測結(jié)果的均方根誤差分別為0.64 MPa、1.42 MPa和9 μm。

5 結(jié)束語

本文利用多項(xiàng)微磁參量對高頻感應(yīng)淬火45鋼試件的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和硬化層深度進(jìn)行無損定量檢測，得到以下結(jié)論：

1）大部分微磁參量對力學(xué)指標(biāo)（屈服/抗拉強(qiáng)度、硬化層深度）變化較敏感，皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果顯示兩者間呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)性。

2）個(gè)別微磁參量與力學(xué)指標(biāo)間存在良好線性關(guān)系，比如x1與屈服強(qiáng)度及x15與硬化層深度相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.97，x11與抗拉強(qiáng)度相關(guān)系數(shù)高于0.92。

3）基于多元線性回歸模型，微磁方法可以對高頻感應(yīng)淬火45鋼試件的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和硬化層深度進(jìn)行無損定量預(yù)測。