基于射频信号反射特性的金属塑性变形评估

基于射频信号反射特性的金属塑性变形评估
尹爱军;姚文权;任宏基;戴宗贤
【摘要】This paper proposed a method resulting from electromagnetic properties variation for metal plastic deformation monitoring.Firstly,the influences of electromagnetic parameters (permea-bility,conductivity)on the radio-frequency reflection features of the metal plate samples were simula-ted.Energy distribution of radio-frequency varies obviously due to electromagnetic properties variation according to the simulation results.Experiments were conducted to verify simulation results.The re-sults of the experiments indicate that the reflected radio-frequency signal strength decreases with pro-gressive plastic deformation in metal,which has been in conformity with simulations.%提出了一种根据电磁特性变化对金属塑性变形进行监测的研究方法。

首先，针对金属试样的电磁参数(磁导率、电导率)变化对射频反射特性的影响进行仿真，仿真结果表明，电磁特性与射频能量分布有着明显的相关性。

然后，通过试验对仿真结果进行验证，试验结果表明，随着塑性变形程度的加剧，反射的射频信号强度将会逐渐减小，与仿真结果相符。

【期刊名称】《中国机械工程》
【年(卷),期】2017(028)002
【总页数】4页(P135-138)
【关键词】塑性变形;金属;无损检测;射频
【作者】尹爱军;姚文权;任宏基;戴宗贤
【作者单位】重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆，400044;
重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆，400044;重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆，400044;重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆，400044;重庆市计量质量检测研究院第一分院，重庆，402260
【正文语种】中文
【中图分类】TH17
金属构件在加工、制造及服役过程中，受到设计载荷以及其他突发因素的作用，会不可避免地产生不同程度的塑性变形损伤。

塑性变形的存在会缩短材料的疲劳寿命、降低断裂韧性，对结构安全构成威胁[1]。

因此，采用无损评价方法对塑性变形进
行监测，对金属结构状态的评估、剩余寿命的预测和故障的诊断具有重要意义[2-4]。

金属塑性变形特性的评估方法有许多。

OSKOOIE等[5]运用光学显微镜、透射电
子显微镜和配备了电子背散射衍射探测器的场发射扫描电子显微镜等仪器，研究了塑性变形和双峰晶粒结构的铝镁硅合金强化机理。

SINGH等[6]在拉伸和压缩模式下，对铜-镍合金塑性变形过程中的间歇电磁辐射的实验结果进行了研究。

RAHMAN等[7]利用同步辐射X射线衍射静态应变率钢，研究了孪晶诱导塑性变形。

VINOGRADOV等[8]利用声发射监测方法，研究了ZK60镁合金在拉压不对
称条件下的变形机理。

MOROZOV等[9]研究了金属部件的弹塑性状态与其涡流反应之间的相关性。

MORADI等[10]运用数字图像相关法和红外成像法研究了变形
体力学。

以上检测方法大多在实验室条件下进行，需要昂贵复杂的检测设备，难以实现在线检测。

以射频(3 kHz～300 MHz)为基础的电磁无损检测方法已被广泛研究[11-12]。

这些测试方法具有很多优点，并且都是非接触、不需要耦合剂的检测方法。

然而，目前将射频特性运用于金属塑性变形的研究还比较少。

本文通过仿真和实验，提出了一种基于射频反射特性的金属塑性变形评估方法，通过特制的150MHz、300MHz传感器线圈，分析了射频信号的反射特性与金属试样电磁参数的变化关系，进而对其塑形变形进行了评估。

射频检测实质上是研究射频信号和介质的相互作用。

当射频信号从介质A垂直入
射到导电介质B时，大部分能量被反射，受趋肤效应的影响，小部分能量进入金属。

对于导电介质B，有|ε|≪|σ|，其中，ε为复介电常数，σ为电导率。

则波阻抗
可以表示为
式中，μ为磁导率；ω为角频率；j2=-1。

反射系数R(ω,μ,σ)为反射波电场的振幅与入射波电场的振幅之比：
式中，ηA、ηB分别为介质A和B的波阻抗。

射频信号在导电介质尤其是铁磁性金属介质中传播时，要考虑趋肤效应的影响，趋肤深度可表示为
由式(1)～式(3)可知，对于导电介质，垂直入射的射频信号反射特性主要受磁导率μ、电导率σ以及信号角频率ω的影响。

当射频信号垂直入射到金属介质表面时，大部分能量被反射，小部分能量由于趋肤效应的影响被吸收，所以本文将主要研究材料电磁参数对射频反射特性的影响。

通过对金属试样分别加载不同的拉力，来创建所需要的塑性变形状态，产生塑性变形后的金属试样微观结构状态会发生改变，进而导致宏观电磁参数(磁导率、电导率)发生变化。

因此，可以通过研究射频反射特性的变化来可以评估金属塑性变形。

2.1 仿真模型
试样尺寸如图1所示，信号激励端口同时也是信号接收端。

激励信号为高斯信号，信号频率为100～500 MHz，主要关注150 MHz和300 MHz频率附近的仿真结果。

仿真背景参数为“Normal”，本文主要研究其反射波即散射参数(端口接收到
的能量与总能量的比值)S1,1。

每次仿真只改变某一变量而保持其他参数不变，从而观察该变量对反射系数的影响。

一般来说，碳钢的相对磁导率随含碳量的增加而减小，电导率随着含碳量的增加而增加。

所以，对于45钢而言，在钢板电导率仿真中，相对磁导率取200，在相对磁导率仿真中，电导率取4.0 MS/m。

基本仿真参数如表1所示。

2.2 射频反射特性与磁导率变化的关系
不同拉力作用后，钢板试样会发生不同程度的塑性变形，磁滞和矫顽力增加，磁饱和度降低，电磁参数发生变化。

塑性变形程度的不同会导致磁导率的变化程度不同，继而对反射系数的变化产生影响。

所以，根据反射系数的变化可以推测钢板的塑性变形程度大小。

如图2所示，随着试样相对磁导率的增加，激励端口接收到的反射能量逐渐减小。

这表明相对磁导率的变化能在一定程度上影响射频信号反射系数的变化。

此外，根据式(1)、式(2)可推知，随着磁导率的增加，波阻抗会增加，导致反射系数的减小。

2.3 射频反射特性与钢板电导率变化的关系
钢板的塑性变形可导致其导电性能和电阻温度系数的变化，使其阻抗发生改变，进而影响射频的反射特性。

从图3中可以看出，随着试样电导率的增大，激励端口接收到的反射能量逐渐变大。

同时，根据式(1)、式(2)可推知，随着电导率的增加，波阻抗会减小，进而导
致反射系数的增大。

这表明，金属电导率的变化和射频反射特性具有很强的相关性，仿真结果和理论相一致。

3.1 实验设置与试样
基于射频信号的无损检测系统原理如图4所示，信号发生器产生周期性变化的交
流电压信号，经功率放大后加载到传感器线圈(线圈也接收反射信号)。

采样频率设置为2000 Hz。

试验过程中，保持传感器线圈和试样的相对位置不变以减小误差。

图5a所示为不同拉力作用后的钢板试样，试样1～5的拉伸力分别为0、80 kN、90 kN、100 kN、110 kN。

由图5b可知，当拉力超过70 kN时，试样产生塑性变形。

塑性变形范围内，拉力越大，其塑性变形程度越大，材料内部的结构和性能改变也越显著。

3.2 实验结果与讨论
仿真中，通过散射参数S1,1来确定反射能量的大小；实验中，通过传感器线圈上的信号强度来反应反射能量的变化趋势。

对于传感器线圈，反射信号的电动势与原信号方向相反，并且会产生叠加，因此反射信号越强，检测到的电压越小。

由图6可以看出，随着钢板试样塑性变形程度的加剧，150 MHz、300 MHz传感器线圈上得到的电压信号强度都呈现逐渐变大的趋势，说明传感器线圈上反馈回来的信号强度在逐渐变小，即从钢板试样反射回来的能量在逐渐减小。

为进一步分析反射信号变化的原因，探讨电磁参数对射频信号传播特性的影响，利用阻抗分析仪和电磁巴克豪森(MBN)检测仪进行了验证测试，结果如图7所示。

从图7中可以看出，随着试样塑性变形程度的加剧，通过阻抗分析仪测试得到的阻抗越来越大，即电阻率在逐渐变小。

MBN信号对铁磁性材料的磁学特性、微观结构以及应力状态十分敏感，能够反映出其内部微观缺陷状态[13-15]。

从图7中还可以看出，随着试样塑性变形程度的加剧，获得的MBN信号有着明显的变大趋势。

试件塑性变形过程中，晶间和晶内产生微观裂纹空隙以及点阵缺陷，导致钢板电磁参数的变化，即磁导率的增大和电导率的减小。

由仿真可知，这两个参数的变化均使得反射能量减小。

试验结果与仿真结果吻合，验证了利用射频信号传播特性评估金属塑性变形方法的可行性。

本文提出了一种基于射频信号反射特性、对金属塑性变形进行评估的研究方法。

对于铁磁性材料如45钢而言，试验与仿真证实射频信号反射特性与金属的电磁参数存在着一定的相关性，随着钢板试样塑性变形程度的加剧，通过传感器线圈采集的
信号强度会有明显的变化。

因此，射频信号反射特性能够被用来检测金属构件的塑形变形损伤。

在以后的研究中，首先研究传感器线圈的优化，提高传感器线圈的精度和稳定性；然后提取更多的特征信息，通过参数化及量化方法来具体评估金属的塑性变形程度。

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