双相钢的巴克好森效应

D0I:10.13374/i.issn1001053x.1988.02.036 北京钢铁学院学报 第10卷第2期 Journal of Beijing University Vol,10 No,2 1988年4月 of Iron and Steel Technology Apr.1988 双相钢的巴克好森效应 穆向荣·张秀林章守华张弘沈功田 (物理系) (材料系) (芳动部压力谷器检测中心) 摘 要 本文总结了铁素体一马氏体双相钢在磁化过程中由于巴克好森跳跃所产生的 巴克好森噪音和磁声发射信号的特征，以及材料的组织结构、应力.应变对信号 的影响，探讨了巴克好森信号产生的机制以及与材料变形的内在联系。 关键词：双相钢，巴克好森效应，磁声发射 Barkhausen Effect in Dual Phase Steels Mu Xiangrong Zhang Xiulin Zhang Shouhua Zhang Hong Shen Gongtian Abstract The present papcr describes the charecteristics of Barkhausen noise and magnetomechanical acoustic emission in ferrite-martensite dualphase steels during Barkhausen jumps,and the influence of mic- rostrcture,stress and strain on a magnetic and acoustic Barkhausen 1987-04-11数稿 248

第 卷 第 期 年 月 北 京 钢 铁 学 院 学 报 了 。 双相钢的巴克好森效应 穆 向荣 ‘ 张秀林 章守华 张 弘 沈功田 物理系 材料系 劳动部压力谷 器检测中心 气 摘 要 本文总结了铁素体一马氏体双相钢在磁化过程中由于 巴克好森跳跃所产生的 巴克好森噪音和磁声发射信号的特征 ， 以 及材料的组织结构 、 应力 应变对信号 的影响 ， 探讨了巴 克好森信号产生的机制以及与材料变形 的内在联系 关键 词 双相钢 ， 巴克好森效应 ， 磁声发刻 “ 夕 寿 ” 夕 寿。 “ 人 称 一 ， ， 一 一 收稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1988．02．036

signal.The results show that Barkhausen noise(BN)in dual phase steels strengthen with the increase of the pulling stress,and that weaken with the decrease of comprassive stress,The relationship between Barkhausen signal and the mechanism of deformation in materials is discussed. Key words:dual phase steels,Barkhusen effect,magnetomechanical acoustic emission 前 言 1919年H·Barkhausen1)发现铁磁物质磁化时由于磁畴的不连续运动而在探测线 圈内产生阶梯式的不连续磁化，称为巴克好森噪音，简称为BN。70年代，A.E,Lordc2) 在研究铁磁材料变形时，注意到磁畴在巴克好森跳跃的同时，产生磁应变，从而在材 料内部激起脉冲超声波，即声巴克好森信号。因为该信号与磁致伸缩性能相关，故 也称磁声发射，简称MAE。按目前较公认的理论C3~5)认为：BN信号的源是(1) 180°畴壁的不可逆位移，(2)90°畴壁的不可逆位移，(3)磁畴的不可逆转动。3 者中又以(1)为主要源。而MAE信号主要来自90°畴壁的不可逆位移，其次是磁畴的 不可逆转动。Ono,Shinata等3,4认为180°畴壁的不可逆位移，不产生磁应变，因而 不会有MAE信号产生。沈功田9)根据铁磁材料磁化时磁酵变化的3种机制，运用磁动 力学理论论证了伴随180°畴壁的不可逆位移，也会产生弱的MAE信号，两个理论模型 尚需进-一步验证和完善。 BN和MAE信号从不同侧面反映了磁畴的结构和运动规律。尤其是磁畴的巴克好森 跳跃时数目和强弱依赖于阻碍磁畴壁运动力的大小，而该力又强烈地和畴壁同位错、杂 质以及晶体缺陷间的相互作用相联系，因此与材斜的加工方式、热处理、变形等密切相 关。所以B和MAE信号的特征对材料组织结构的应力分布比较做感，因此该方法对材 斜性能进行研究和无损检测68)：本文运用BN和MAE的综合技术研究双相钢。该钢中 铁素体和马氏体两相在磁学和力学性能上的显著差异，对BN和MAE有独特影响。 】实验材料和实验方法 本实验所用钢号的化学成分列于表1中。真空治炼后的钢坯加热至1200℃，保温的8h 在1150℃锻成Φ20圆棒，再将圆棒加温到900℃，保温30min后正火。正火后的试样再分 别加热至740、760、780℃然后水淬，以获得具有铁素体和马氏体组织的双相钢。将试样 编号，第1位数字代表钢号，第2位数字表示热处理温度，如1一1,1一2,1一3， 它们同为1号钢，面淬火温度分别为740,760,780℃。定量金相测量结果表明，同一化学 成分的钢，淬火温度高的样品，马氏体含量高。淬火温度相同，含碳高的试样，相应马 氏体含量也高。象1一1,1一2,1一3试样，马氏体含量分别为15.7%、20.7%、 23%。2一1,2一2,2一3试样，马氏体含量各为37.1%，39.6%，47.4%。所有 样品均加工成标谁拉伸试样。 249

， ， ， 前 言 年 · 川 发现铁磁物质磁化时 由于 磁畴的不连续运 动而在探测线 圈 内产生 阶 梯式 的不连续 磁化 ， 称为 巴克 好 森噪音 ，简 称为 。 年代 ， ② 在研究 铁磁材料变形时 ， 注 意 到 磁畴在 巴克 好森跳跃 的 同时 ， 产生磁应变 ， 从 而 在材 料 内部激起脉 冲超 声波 ， 即声巴克 好森信号 。 因 为 该信号 与 磁 致 伸 缩 性 能 相 关 ， 故 也称磁 声发射 ， 简称 。 按 目前较公认 的理论 〔 〕 认 为 信号 的源 是 。 畴壁 的不可逆位移 ， “ 畴壁 的不可逆 位 移 ， 磁畴 的不可逆 转动 。 者 中又 以 为主 要源 。 而 信号主要来 自 “ 畴壁 的不可逆位移 ， 其 次是磁畴 的 不可逆 转动 。 。 ， 等比 〕认为 ” 畴壁 的不 可逆 位移 ， 不 产生 磁应 变 ， 因 而 不会有 信号 产生 。 沈功 田 〔“ 〕根据铁磁材料 磁 化时磁 畴变化 的 种机制 ， 运用 磁 动 力学 理论论 证 了伴随 “ 畴壁 的不可逆 位移 ， 也会 产生 弱 的 信号 ， 两个理 论模型 尚需进一步验证和完善 。 和 信号 从不 同侧 面反映 了磁 畴 的结构和运动 规律 。 尤其 是磁 畴 的 巴克好森 跳跃时 数 目和强弱依赖于 阻碍 磁畴壁运 动 力的大小 ， 而该力 又强 烈地和 畴壁 同位错 、 杂 质以及 晶体缺陷 间的相互作 用相 联 系 ， 因 此 与材料 的加工方式 、 热处理 、 变形 等密切 相 关 。 所 以 和 信号 的特征对材料组织结 构 的应 力 分布 比较敏感 ， 因此该方法对材 料 性 能进 行研究和 无 损检测 〔 一 “ 〕 。 本 文运 用 和 人 灼综 合技术研究 双 相钢 。 该钢 中 铁 素体和 马氏 体两 相在 磁学 和 力学 性 能上 的显著差 异 ， 对 和 有独特 影响 。 实验材料和 实验方法 本实验所 用钢号 的化学 成分列于表 中 。 真空 冶炼后 的钢坯加 热至 ℃ ， 保温 的 在 。 ℃ 锻 成小 圆棒 ， 再将圆 棒加 温到 ℃ ， 保温 后正火 。 正 火后 的试样再 分 别加 热至 、 。 、 ℃ 然后水淬 ， 以获得具有铁素体和 马 氏体组织 的双相钢 。 将试样 编 号 ， 第 位 数字代表钢号 ， 第 位 数字表示 热处理温度 ， 如 一 ， 一 ， 一 ， 它 们 同为 号钢 ， 而 淬 火温度分别为 ， 。 ， ℃ 。 定量 金 相侧 量结果表 明 ， 同一 化学 成分 的钢 ， 淬 火温度高 的样品 ， 马 氏体含量 高 。 淬 火温度相 同 ， 含碳高的试样 ， 相应 马 氏体含量 也高 。 象 一 ， 一 ， 一 试样 ， 马 氏体含量 分别为 、 、 。 一 ， 一 ， 一 试 样 ， 马 氏体含量 各为 ， ， 。 所有 样品 均加 工 成标准 拉 伸试样

表1双相钢的化学成分，% Table 1 Chemical composition of dual phase stecl, 样品 si Mn 0 9 A】 0.065 0.30 1.53 0.008 0.011 <0.02 2 0.14 0.45 1.60 3 0.20 0.29 1.53 0.008 0.010 <0.02 0.11 0.34 1.52 0.008 0.007 <0.02 0.085 图1是实验的测量方框图、螺线管(2)为磁化线圈， 供给50Hz的交变磁场。 样品(1)装在试验机(3)上通过耦合于样品(1)的传感器(4)和特殊设计的探 测线圈（5)分别将声信号和磁化信号转换为 MAE MAE和BN信号，再经前置放大(6,10)， 步☒ 滤波(7,11>，主放大（8,12)等，最后测 其信号的有效值RMS(14,15)通过屏藏双向 ☒o区 BN 开关，也可用同一套电子系统交替测BN和 MAE。系统的中心频率为115kHz,总放大倍 数为85~90dB。实验中还用声发射仪测量了 图1MAE,BN信号测最装置图 信号的能量率和振幅分布。该测量用宽频带， Fig.1 Schematic diagram of expermental set for MAE an】BN 总增益为98B,信号由计算机处理后，直接 记录在x一y记录仪(9,13) 2 实验结果 2.?绍织密构对巴克好森信号的影响 图2所示，IE和BN信号随磁场H的变化。BN信号先随H绥慢增加，尔后较快增 强，达到最大值后销行下降趋势。而MAE到达最大值所需的磁场较强，且下降趋势不 明显。对品进行比较，可看：马氏体含量的影响。如1一3；2一3游火温度为780℃ 14 12 12-2 1-3 33 2345 kA/m I1,k\n [2为氏作冠时BN.MAE信号的响 图3马氏你含爱对BN信号的影响 Fig,2 Effeet v?martensite content on BN an.l MAE Fig,3 Effect of martensite content on B\ 250

表 双相钢 的化 学成分 ， ， 样 品 。 。 。 口 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 图 是 实验的测量方 框 图 。 螺线 管 为 磁化线 圈 ， 供给 的 交 变 磁 场 。 样 品 装 在试验机 上通 过祸合 于样品 测 线 圈 分别将 声信号和磁化信 号转换为 和 乒 信号 ， 再经前置放大 ， ， 滤 波 ， ， 主 放大 ， 等 ， 最后测 其 信号 的有 效值 ， 通过屏蔽双 向 开关 ， 也可 用 同一套 电子 系统 交 替 测 和 。 系统 的 中心 频率为 ， 总放大倍 数为 。 实 验 中还用 声发射仪测 量 了 信号的能量率和振 幅分布’ 该测量用 宽频带 ， 总 增益 为 ， 信号 由计 算机处理后 ， 直 接 记 录 在 二 一 八己录 仪 ， 的传感器 和特殊设 计 的探 图 人 ， 信号 测量装置图 。 爪 凡 人 」 实验结果 组 织 给 构对 巴克好 森 信号的 影响 图 所 示 。 入 和 信号随 磁 场 的变 化 。 信 号先随 缓 慢 增加 ， 尔后较快增 强 ， 达到 录大值后稍 有下降趋 势 。 而 到 达最大值所 需的磁场较强 ， 且下降趋 势不 明显 。 又抖羊提进 行 比较 ， 可 看 出马 氏体含量 的影响 。 如 一 一 淬 火温度 为了 ℃ 厂 幻 川 只行求宾莽粗 一了砚态牟科 口 一 ， 召 扩 己丫 一 一 澎 ’ 二一 柱 几万 一 尹苏夕 分 一 ‘ 苏护 晋 一 ， ‘ 舞群 件 一 右 甲 八 三 七 户拮 ︸ 之阴︸洲试鉴 崔习 马夭体 含量刘 信号的 影响 厂 电 、 水 人 图 马 氏体 含是对 信 号的影响 一 闷 扭 、 石《

但2一3的马氏体含量高，它的MAE信号明显低于1一3.1一2,2一2,3一2三个样品的 淬火温度为760℃，它们的马氏体含量依次增大，而BN信号却依次减弱。如1一2，在 H=4kA/m处，BN达最大值9.4mV,2一2样品在H=4.8kA/m时，其最大值为 7.2mV,面3一2的最大值为6.5mV,对应的磁场升至5.5kA/m。图3表示4号钢， 施行不同热处理后的BN~H曲线。其中4一0样品只在900°C正火而未淬火内部不存 在马氏体，BN信号最强。其它3个样品随淬火温度的升高，马氏体含量增加，相应的 BN信号依次减弱。 实验表明：BN和MAE随马氏体含量的增加而减弱，且MAE变化更强烈。 2.2马氏体晶粒度对信号的影响 为了研究马氏体形貌对号的影响，对2号样品施行特定的热处理工艺，以获得马 氏体含量（约31%)，晶粒度不同的样品，其品粒度分别为13.2um、20.3μm,25.6μm。 测量结果表明：品粒度大的样品，其BN、MAE相应较强，图4给出在特定磁场下不同 品粒度样品的信号能量苹。从图看出，[人E的能量率随晶粒度变化强烈。 总结MAE的数据，发现MAE的最大有效 16r 值电压Vr与晶粒度D的关系可用下式表示： H=6kA/m- H=10kA/m- K=KD 14 式中K、”为常数，在本实验条件下，取 E12 K=0.78,n=0.8,计算值与理论值较好符合。 10 在研究信号脉冲数按振幅分布时，发现随 型 磁场H位变化BN、IAE都有双峰出现，两个 心 BN- 蜂的蜂值、蜂宽、峰位与两相结构、马氏体含 量和形貌有关。关丁于双蜂的变化规律及共机制 将另文详细阄述，在此不讨论 2.3应力对信号的影响 1015209530 安验表明，在弹性范周内，MAE随拉应 Mortesite grain-sizc.um 力而单时下降，知图5所示，在小应力处，下降 图4马氏你品粒大小对MAE.BN的彩响 迅速，应力较大时下降趋于平缓。H=12.2 Fig.4 Effect of martensite grain-size kA/m条件下，1一2样品的应力由零升至 on MAE and BN 40MPa,其信号山1mV到8.3mV,下降了 5.7mV,当应力从40iPa升到240MPa,信号仅下降了3.9mV。实验结果显示，含碳 量低的样品，[AE时应力反映更灵煞，而含碳量高的样品，随应力变化不明显。 与声发射不同，BN随拉应力增强，随压应力增大面减弱（图G)。一般说，在拉应 力达到约为屈服应力一半时，B达到最大值。图7显示的为几个样品在不同应力作用 下BN~H曲线，在此可看到，拉应力下的信号比压应力下的强。且最人值所对应的磁 场随应力由压变拉面减小。有研究报导，铁磁材料的矫顽力附近，产上的巴克好森信号 最强。因此可以认为，BN峰值所对应的磁场接近HC。由此说明，弹性范围内拉应力使双 相钢Hc降低，现磁煞化现象，压应力使Hc小高，表现磁硬化。 251

但 一 的 马氏体含量 高 ， 它 的 信号 明显低于 一 。 一 ， 一 ， 一 三 个样品的 淬 火 温 度为 ℃ ， 它 们 的 马 氏体含量 依次增大 ， 而 信号却依 次减弱 。 如 一 ， 在 二 处 ， 达最大值 ， 一 样品 在 二 时 ， 其最大 值 为 了 ， 而 一 的最大值为 ， 对应 的 磁场 升至 。 图 表 示 号 钢 ， 施行 不 同热处理后的 曲线 。 其 中 一 。 样 品 只在 “ 正火而 未淬 火 内部 不 存 在 马 氏 体 ， 信号最强 。 其 它 个样品随淬 火温度 的升高 ， 马氏体含量 增加 ， 相 应 的 信号依 次减弱 。 实 验表 明 和 随马 氏体 含量 的增加而减弱 ， 且 变 化 更强 烈 。 马 氏体晶粒 度对信号的 影响 为 了研究 马 氏 体形 貌 对信 号的影响 ， 对 号样品 施行 特定 的热处理 工 艺 ， 以获得 马 氏 体 含量 约 ， 杀粒 度 不 同的样品 ，其 晶粒度 分别为 林 、 林 、 林 。 测 量 结果表 明 品粒 度 大 的样品 ， 其 、 相应 较强 ， 图 给 出在特定 磁场 下不 同 品粒 度 样品 的信号 能量 率 。 从 图看 出 ， 人 的能量率随 晶粒 度变 化强 烈 。 姜工二 ︸亡 洛三 卜 一闪︺工司﹄补比‘。州 总结 的数据 ， 发 现 的最大有效 值 电压 厂 与 晶粒 度 的关 系可 用 下式表 示 厂 “ 式 中厂 、 为 常 数 ， 在 本实 验 条件下 ， 取 ， ， 计 算值 与理论 值较好符合 。 在 研究 洁号脉 冲数 按振幅分布时 ， 发现随 磁场万 的变 化 、 都有双峰 出现 ， 两 个 峰的 峰值 、 峰宽 、 峰位 与两相结 构 、 马 氏 体含 量 和 形貌 有 关 。 关 于双峰 的变 化规律及共 机制 将 另文 详细 阐述 ， 在 此不讨 论 。 弓 应力对信号的 影响 实 验表 明 ， 在 弹 性花 围 内 ， 随 拉 应 力而 单词下降 ， 如 图 所 示 ， 在 小应 力处 ， 下降 迅速 ， 应 力较大时 下降趋 于 平缓 。 如仃 二 条件下 ， 一 样品 的应 力 由 零 升 至 ，共 洁号 由 降 到 二 ， 下 降 了 一 从 、 二 壬笙二 －一 一 一 气 、 汇龟 ， 丫、 又份 、 、 、 － 戒二 、 、 二塑、 、 、 、 、 火、 协 、 孔 日了卜 。 井 图 马 氏 体晶粒大小对 的影响 ‘ 〔 了 ， 而 当应力 从叨 升到 如 ， 信号 仅下降 了 。 实验结 果显示 ， 含碳 量 低的样品 ， 才应 力反映更 灵 敏 ， 而 含碳量 高 的样品 ， 随应 力变化不 明显 。 与 声发 射不 同 ， 随 拉应 力增强 ， 随 压应力增 大而 减 弱 图 。 。 一般说 ， 在 拉 应 力达 到 约 为 屈 服应力一半时 ， 达 到最大值 。 图 显示 的为 几 个样品 在 不 同应力 作 用 下 一 曲线 。 在 此可看到 ， 拉应 力下的信号 比压应 力下的强 。 且最大 值所 对应 的 磁 场 随应 力 山压变 拉而 减小 。 有研究报导 ， 铁磁材料 的矫顽 力 附近 ， 产生 的 巴克 好森信号 最 强 。 因 此 可 以认 为 ， 峰值所对应的磁场接 近 。 由此说 明 ，弹 性范 围 内拉应力 使双 相钢 降低 ， 头现 磁软 化现象 ， 压应力使 升高 ， 表现 磁硬 化

14 1-2 g=0一 12 e=11.3 10 6 H=12.2kA/m 'Ng =2.4kA/m 2-3 c010915020025030 H=1:2A/m C.MPa 图5应力对MAE的影响 05010015020G254 Compression stress,P Fig.5 Effect of stress on MAE 图6压应力对BN的影响 Fig.6 Effect of compreasive atress on BN -30 =240M 5 G=-240iP8 2-3 234 5 H,kA/m 图7不同应力下BN随H的变化 Fig.Effect of H on BN un:ler stress 2,3塑性变形的影响 图8反映了1号祥品在给定磁场条仲：下，BN随塑性的变花。可以香，在小应变范 博(1%)，号随应变的增大面上升，在：某一一应变处达最大值，此后髓应变丽降低。 3个样品比较，显示BN最大值随祥品马氏体含量增大而降低，最大值典时对应的应 变量随之减小。 图9装示两个举品在不同预应变的条件下应力对BN的影啊。在小应力范围，预应 变大的样品BN较弱，而在大应力作用下，大应变的样品，BN较强。 研究塑性变形对磁声发射的影响，得知预塑性变形使MAE降低（图10）。 252

一 ， 卜 尸 一 ‘ ，一 一 一 一 一 ， 一 「 ’ 、 入圣当 一 产， … 入 ‘ 、 一灭汉 二 、 、 压 田之卜 川一哎已叭 仁 一 、 味户 一之二 之挂杯注 一 止仁竺眯匆一 一 一分二注匕 卜、 一灭 、 、 ‘畔卜、 八 闪 一 不 封二 户， 图 应力对 的影响 愁 台 ， ’ 理 图 压应力对 的影响 妙 畴 一 一气尸 ‘ ︸ 、一洲一 、尸丈 目 户一‘ 么 一 一仃二 户一立一﹁︵‘ 雇 艺 胃 ，毛 。 俱、 洲 “ 二二 一 一 一 尘土一一 一 卜 一 峨 一 一‘ 一 下 ‘反 比 习 图 不 同应力下 随 月 的变化 了 多子 乏 弓 塑性变形 的 影 响 图 反映 了 号样 品 在给 定磁场 条件下 ， 随 塑 性 的变 化 。 可 以 看 出 ， 在小应 变 范 围 ， 、亨号随应 变 的增大而 上 升 ， 在某 一应 变处达 最 大值 ， 此 后 随应 变而降 低 。 个样 品 比较 ， 显示 最 大 值随样品 马氏 体含量 增大而 降 低 ， 最大 位 出现 时 对 应 的 应 变量 随之减小 。 图 表示两 个样 品 在 不 同预应 变 的 条件下应力 对 的影响 。 在 小 应力 范 围 ， 预 应 变 大的样 品 较 弱 ， 而 在大应 力作 用 下 ， 大 应变 的样 品 ， 较 张 。 研究 塑 性变形 对磁 声发 射 的影响 ， 得 知预 塑性 变形 使 降 低 图