T/CSTMXXXXX—2020

ICSXX.XXX.XX

XXX

團體標準

T/CSTMXXXXX-2020

無損檢測鐵磁性金屬材料力學參量微磁

檢測指南

Nondestructivetesting—StandardGuideforMicromagneticTestingof

MechanicalParametersofFerromagneticMetalMaterials

（征求意見稿）

2020-XX-XX發(fā)布202X-XX-XX實施

中關村材料試驗技術聯(lián)盟

發(fā)布

中國材料與試驗團體標準委員會

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無損檢測鐵磁性金屬材料力學參量微磁檢測指南

1范圍

本文件規(guī)定了鐵磁性金屬殘余應力、硬度、硬化層深度、屈服強度、塑性變形等力學參量的微磁檢

測的方法、檢測人員、檢測設備、試樣、檢測程序、檢測結果異常的處理、檢測記錄和報告的一般原則。

本文件適用于制造過程中的鐵磁性齒輪、葉片、曲軸、火車車輪和車身結構件的力學參量檢測。其

它鐵磁性金屬結構件的力學參量檢測可參考本文件。

2規(guī)范性引用文件

下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于本文

件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。

GB/T20737無損檢測通用術語和定義

GB/T12604.5無損檢測術語磁粉檢測

GB/T12604.10無損檢測術語磁記憶檢測

GB/T9445無損檢測人員資格鑒定與認證

3術語和定義

GB/T20737、GB/T12604.5和GB/T12604.10界定的術語和定義適用于本文件。

3.1微磁信號Micromagneticsignal

鐵磁性材料在周期磁化過程中，能夠表征磁疇翻轉過程中不連續(xù)跳變等磁化行為的特征磁信號，主

要包括磁巴克豪森噪聲和增量磁導率。廣義的微磁信號還可以包括磁滯回線、切向磁場強度和渦流等。

3.2微磁參量Micromagneticparameters

微磁信號的時域、頻域等統(tǒng)計特征參量。

3.3標定試樣Calibratedsample

用于獲取特定待測結構件微磁參量與力學參量對應關系而制備的系列試樣。

3.4預測模型Predictionmodel

針對被測結構件配置在微磁檢測儀器軟件系統(tǒng)中、輸入為微磁參量值和輸出為所檢測力學參量值的

算法模型。

3.5驗證試樣Verifiedsample

用于判斷預測模型是否適用于待測結構件以及預測精度是否滿足力學參量測試要求而制備的系列

試樣。

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3.6線性回歸方法Linearregressionalgorithm

利用特定待測結構件的微磁參量值和力學參量標稱值，尋找并獲得彼此間線性關系模型的機器學習

算法。

4方法概要

4.1檢微磁檢測原理

鐵磁性金屬在外加周期性磁場作用下，由于其材料的微觀結構不同，晶格的位錯和晶界對磁疇翻轉

的釘扎效應存在差異，從而導致表征磁疇磁化行為的微磁性能不一樣。另一方面，當材料承受外部載荷

時，晶格缺陷將影響晶粒的力學行為，進而影響材料的力學性能。材料的微磁和力學性能本質上都由材

料微觀結構決定，兩者之間存在對應關系，如圖1所示。

圖1磁學性能與力學性能的關系

微磁檢測方法是發(fā)現(xiàn)并獲得鐵磁性金屬的微磁參量與力學參量（如殘余應力、硬度、硬化層深度、

屈服強度、塑性變形）的對應關系，進而通過測量微磁參量來預測材料力學參量的無損檢測方法。

4.2微磁檢測特點和局限性

4.2.1特點

⑴可實現(xiàn)鐵磁性金屬材料及結構件殘余應力、硬度、硬化層深度、屈服強度、塑形變形等力學參

量的無損檢測；

⑵檢測條件要求低，在有銹蝕、油污、化學殘留物的情況下仍可進行正常檢測；

⑶既適用于制造過程中的檢測，也適用于在役運行中的檢測；

⑷檢測速度快，可實現(xiàn)在線普檢；

⑸可以根據(jù)對象的形狀尺寸設計探頭，實現(xiàn)對復雜部件的覆蓋檢測。

4.2.2局限性

⑴不適用于非鐵磁性材料；

⑵檢測前需針對特定待測對象進行儀器標定并獲得預測模型；

⑶影響檢測的因素較多。

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4.3微磁檢測的影響因素

影響微磁檢測的相關因素包括：

⑴被測對象的影響：材料的材質成分和微觀結構，結構件的形狀和尺寸，金屬的電磁特性和磁化

狀態(tài)；

⑵檢測儀器的影響：磁化頻率和磁化強度，混頻檢測時的磁化頻率數(shù)量、幅值和頻率比值；

⑶傳感器的影響：磁芯結構，線圈參數(shù)，檢出信號方式，提離間隙，相對姿態(tài)；

⑷環(huán)境的影響：空間電磁場輻射，電源電流沖擊干擾。

5檢測人員

按本文件進行微磁檢測的人員應參考GB/T9445的要求經過專門培訓。

6檢測設備

微磁檢測設備至少應包含微磁檢測傳感器和微磁檢測儀器，必要時還應有帶動傳感器工作的掃查裝

置、跟蹤機構或機器人系統(tǒng)。

6.1傳感器

微磁檢測傳感器的功能是在被測鐵磁金屬表面和近表面激勵交變磁場、混頻交變磁場或渦流，測量

受力學參量調制的磁巴克豪森噪聲、增量磁導率、磁滯回線、切向磁場或渦流再生磁場信號。其中，磁

巴克豪森噪聲或增量磁導率檢測功能是微磁檢測傳感器必須具備的。多功能微磁檢測傳感器主要由磁

芯、磁化線圈，激勵線圈、感應線圈、主磁通線圈、霍爾元件組成，如圖2所示。根據(jù)實際被測結構件

的幾何形狀和所需的微磁信號類型，可以調整或改變圖2所示傳感器的結構。

圖2微磁檢測傳感器的組成

①磁芯②磁化線圈③激勵線圈④感應線圈⑤主磁通線圈⑥霍爾元件⑦被測結構件

6.1.1磁芯

由高導磁的矽鋼片構成，用于將磁化線圈激發(fā)的低頻電磁場傳輸至被測結構件中。

6.1.2磁化線圈

由漆包線繞制而成，其中通入低頻正弦交流電流，產生低頻交變磁場磁化被測結構件。

6.1.3激勵線圈

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由漆包線繞制而成，其中通入高頻正弦交流電流而產生高頻交變磁場，與低頻磁場疊加實現(xiàn)對被測

結構件混頻磁化，或在被測結構件中感生渦流。

6.1.4感應線圈

由漆包線繞制而成，用于測量受結構件力學參量調制的磁巴克豪森噪聲和渦流再生磁場。

6.1.5主磁通線圈

由漆包線繞制在磁極上而成，用于測量由磁芯和被測結構件構成的磁回路中的磁通密度，進而實現(xiàn)

測量結構件磁滯回線特征參量。

6.1.6霍爾元件

用于測量低頻磁化場在被測結構件表面的切向磁場強度分量。

6.2檢測儀器

微磁檢測儀器由嵌入式系統(tǒng)和上位計算機組成，如圖3所示。嵌入式系統(tǒng)的功能是產生正弦交流電

或它們的混頻交流電供給傳感器，將傳感器獲得的檢測信號進行放大、濾波等處理后進行A/D轉換，

再利用嵌入式軟件進行微磁參量值提取并輸入給上位機。嵌入式系統(tǒng)硬件電路一般包括信號發(fā)生器、功

率放大器、前置放大器、模擬信號處理器、A/D采集器、DSP（數(shù)字信號處理器）和主控制器；上位機

的功能是利用嵌入式系統(tǒng)獲得的微磁參量值，通過預測模型計算給出被測結構件的力學參量值，以及采

用線性回歸方法分析軟件對標定試樣的微磁參量數(shù)據(jù)集和力學參量標稱值數(shù)據(jù)集的處理，得到微磁參量

與力學參量的關系模型。

6.2.1信號發(fā)生器

用于產生一個或多個指定頻率和幅度正弦交流電的單元電路。

6.2.2功率放大器

用于對信號發(fā)生器產生的正弦交流電信號進行能量放大，以驅動磁化線圈和/或激勵線圈對被測結

構件局部進行磁化或感生渦流。

6.2.3前置放大器

用于對感應線圈獲得的弱信號進行幅度放大，對主磁通線圈和霍爾元件獲得的強信號進行跟隨隔

離，以利于后續(xù)處理的電路單元。

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圖3微磁檢測設備構成

6.2.4模擬信號處理器

用于對磁巴克豪森噪聲信號、渦流再生磁場信號進行檢波和濾波處理的單元電路。

6.2.5A/D采集器

用于將預處理后的模擬信號轉換為數(shù)字信號。

6.2.6DSP（數(shù)字信號處理器）

實現(xiàn)對微磁參量值的讀出與判別。

6.2.7主控制器

用于協(xié)調嵌入式系統(tǒng)中各個單元電路工作時序的中樞電路。

6.2.8上位計算機

①根據(jù)嵌入式系統(tǒng)提供的微磁參量值，利用預測模型計算出被測結構件的力學參量值；②顯示嵌

入式系統(tǒng)得到的微磁處理值以及力學參量值的預測結果；③根據(jù)嵌入式系統(tǒng)提供的標定試樣的微磁參

量值以及由常規(guī)力學方法獲得并輸入的力學參量標稱值，利用線性回歸算法分析軟件得到力學參量預測

模型。

7試樣

微磁檢測用試樣包括標定試樣和驗證試樣。

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7.1一般要求

7.1.1制作標定試樣和驗證試件的材料應與待測結構件具有相同或相近的材質（牌號）、熱處理工藝和

電磁特性。

7.1.2標定試樣和驗證試樣的形狀和尺寸應符合傳統(tǒng)力學方法測量力學參量的要求，并按照相應國家標

準規(guī)定方法制作。此外，試樣的厚度至少為微磁檢測時磁化滲透深度的3倍，以避免試樣過薄對磁化場

分布產生影響。

7.1.3在切割取樣時不應影響切口處金屬原有力學性能，對試樣表面的機械加工（如車、磨、拋等）不

應影響金屬表面原有力學性能，除非這些種影響可在后續(xù)加工或處理時被去除。

7.1.4可采用拉伸、噴丸、熱處理等方法制備所需專項力學參量值的標定試樣或驗證試樣。在制備專項

力學參量值的試樣時，不應改變目標參量之外的其他力學性能。如果其他力學參量與目標參量相關、影

響不可避免，應盡量使系列試樣的其他力學參量值保持一致。

7.2標定試樣的控制原則

7.2.1試樣數(shù)量

針對每一項力學參量得到的M件標定試樣的標稱值Yi（i＝1，2，3……M），標定試樣數(shù)量M的選取

應滿足：

YY

Mmaxmin（1）

YT

其中Ymax和Ymin分別為Yi（i＝1，2，3……M）中的最大值和最小值，YT為針對特定待測結構件微磁檢測

所允許的測量誤差。

7.2.2試樣參量的取值范圍

標定試樣力學參量的取值范圍應涵蓋待測結構件的數(shù)值范圍，即標定試樣參量取值范圍的最大值

Ymax大于待測結構件的最大值，標定試樣參量取值范圍的最小值Ymin小于待測結構件的最小值。一般地，

標定試樣力學參量的取值范圍宜超出實際測試范圍的50%，例如在對一批結構件進行應力測試時，估計

它們的應力在50～100MPa之間，則標定試件的應力值應處于25～125MPa范圍內。

7.2.3試樣參數(shù)值的分布狀態(tài)

在滿足標定試樣數(shù)量原則的前提下，每一項力學參量標稱值Yi的離散性應盡可能大，標準差σ至少

應滿足：

YmaxYmin

a（2）

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其中0.8≤a≤1.2。

7.3驗證試樣的控制原則

7.3.1試樣數(shù)量

針對每一項力學參量，一般驗證試樣數(shù)量S小于標定試樣數(shù)量M，即S＜M。

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7.3.2試樣參量的取值及分布

原則上，驗證試樣的力學參量取值是隨機的，但在條件允許情況下，可參照待測結構件可能出現(xiàn)力

學參量的上限值、下限值和中間值制備驗證試件。

7.4利用試樣的標定方法與步驟

鐵磁性結構件力學性能的微磁檢測標定方法，通過獲取M件標定試樣的N項微磁參量值Xi（i＝1，2，

3……N）數(shù)據(jù)集（共N×M個數(shù)據(jù)）與P項力學參量標稱值Yi（i＝1，2，3……P）數(shù)據(jù)集（共P×M個數(shù)

據(jù)），在滿足試樣控制原則條件下，采用多元線性回歸方法建立起N項微磁參量與P項力學參量的關系

模型。該關系模型的預測精度還需采用驗證試樣進行測試和評價。具體步驟如下：

⑴制備標定試樣。一般來說，針對相同材料經過相同工藝流程制造的結構件，可從生產線上和廢

品庫中選取材料制作標定試樣。如有必要，還需改變工藝參數(shù)制備專項標定試樣，以使力學參量值滿足

7.2.1中規(guī)定的控制要求。

⑵微磁與力學參量測試。首先對標定試樣逐一進行微磁測試，得到N項微磁參量值（共N×M個數(shù)

據(jù)）；其次采用國家標準推薦的常規(guī)力學性能測試方法（如拉伸試驗、顯微硬度測試和X射線衍射殘余

應力測試等），得到P項力學參量標稱值（共P×M個數(shù)據(jù)）。

⑶力學參量與微磁參量的關系模型。采用多元線性回歸方法，對標定試樣的微磁參量值與力學參

量標稱值進行分析，得到以力學參量為因變量、多項微磁參量為自變量的多元線性方程組。

⑷模型預測精度校驗：采用⑵中的微磁參量值和力學參量標稱值測試方法，逐一對S件驗證試樣

進行測試；將測得的微磁參量值代入到第⑶步所得多元線性方程組，計算得到力學參量預測值；然后與

測得的力學參量標稱值進行比較，如偏差小于預先規(guī)定的允許誤差YT，則標定完成，否則標定不成功。

標定不成功表示所建立的關系模型不能用于實際力學參量檢測。

8檢測程序

在完成標定和驗證工作后，即可采用微磁檢測設備對待測結構件進行力學參量的檢測。在檢測開始

前和檢測過程中，應注意如下相關事宜：

8.1檢測條件的確定和準備

8.1.1針對傳感器的檢測區(qū)域，被測表面的形狀和曲率應相同，避免磁路變化對檢測的影響。

8.1.2針對傳感器的檢測區(qū)域，結構件的厚度應不小于磁化滲透深度3倍，避免邊界效應對檢測的影響。

8.1.3被檢結構件表面應無影響檢測的障礙物和異物，避免傳感器提離效應對檢測的影響。

8.1.4根據(jù)被檢結構件的形狀、尺寸和制造工藝（例如金屬軋制方向），規(guī)劃傳感器的磁化方向和掃查

路徑。

8.1.5在每批結構件檢測前，應采用驗證試樣校驗預測模型的符合性，并對檢測儀器和傳感器的功能和

性能進行測試和調試。

8.2微磁檢測的實施

8.3.1自動檢測系統(tǒng)應按照事先規(guī)劃的磁化方向和掃查路徑進行檢測。檢測過程中傳感器的掃查步長應

盡量保持恒定，移動速度變化不超過±10％。

8.2.2搭載傳感器的機械掃查系統(tǒng)或機器人系統(tǒng)應能實現(xiàn)驅動力的柔順控制并保持傳感器的探測姿態(tài)

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不變。

8.2.3在檢測過程中，傳感器與被測結構件表面保持恒定間隙，確保磁化場良好耦合和避免提離效應。

8.3檢測設備的校驗

除每次檢測前和結束后必須進行檢測設備校驗外，在下列情況下也應使用驗證試樣對檢測設備進行

校驗：

①連續(xù)檢測時，每4小時校驗一次；

②更換被測對象的規(guī)格（材質、工藝狀態(tài)和電磁特性不變）時；

③懷疑檢測設備工作不正常時；

④認為必要時。

如果校驗不合格，則自上一次校驗合格后的所有檢測，在設備重新校驗合格后重新進行檢測

9檢測結果異常的處理

在對同一批結構件或同一結構件不同位置進行力學參量檢測時，如