钢材含碳量电磁无损检测方法_孙亚飞
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声测量［12］。
图 3 Barkhausen 噪声测量系统示意图 Fig. 3 Schematic illustration of MBN apparatus
第2 期
孙亚飞，等: 钢材含碳量电磁无损检测方法
5
会不同。 碳作为一 种 重 要 的 合 金 元 素，在 提 高 钢 材 产
品性能方 面 起 着 重 要 的 作 用。 在 生 产 实 际 中，通 常可以通过提高钢材的含碳量来提高钢材的硬度 和抗拉强度等力学性能。Nam 等人的研究结果表 明，含碳量为 0. 52% ～ 0. 92% ( 重量百分比，下同) 的珠光体钢的抗拉强度和冷拉硬化速率随含碳量 的增加而增大［3］; Ueda 等人的研究结果表明珠光 体钢材的耐 磨 性 能 随 含 碳 量 增 加 而 得 到 改 善［4］; Wray 的研究证明: 当应变率为 0. 02 ～ 6 × 10 － 6 / s 时，高 温 下 普 碳 钢 的 塑 性 流 变 行 为 是 含 碳 量 ( 0. 005% ～ 1. 54% ) 的函数［5］; Serajzadeh 研究了 在碳素钢热变形过程中，含碳量对动态再结晶、动 态回复动力学以及流变应力的影响，结果表明: 随 着含碳量的增加，热变形激活能显著减小［6］; Vodopivec 等人研究了含碳量 0. 04% ～ 0. 13% 钢材 的终轧温度和含碳量对显微组织和机械性能各向 异性的影响，结果表明: 终轧温度为 800 ℃ 时，晶 粒尺寸随含 碳 量 的 增 加 而 减 小，同 时 指 出 道 次 间 的不完全再 结 晶 温 度 决 定 于 钢 材 的 化 学 成 分，轧 制过程中铁素体的形成温度主要决定于钢材的含 碳量［7］。由此 可 见，含 碳 量 在 钢 材 生 产 的 各 环 节 具有特别重 要 的 地 位，相 关 研 究 广 泛 用 于 钢 材 的 组织性能预报。
Amiri 等人将涡流技术用于检测气体渗碳工 艺中钢材表面的含碳量。建立了钢材表面含碳量 与不同的检测参数( 如阻抗、相位角和电压) 之间 的关系。除了已有的含碳量对阻抗平面的影响之 外，发现相位角与含碳量具有很好的线性关系［9］。 Amiri 等人采用图 1 所示的测量系统，通过线圈电 压和电流计算线圈的阻抗和相位角。
关性。涡流检测是在 30 ℃ 温度下进行的。
1. 2 钢材热处理状态对含碳量涡流检测的影响
Kogan 等人研究了含碳量为 0. 35% ～ 1. 02%
的淬火和回火碳素钢试样的磁、电特性，分析了这
些物理特性与含碳量的关系，同时采用式( 1) 计算
出涡流参数
β
。 ［1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ］
m
βm = 槡2Rπfμ0 槡1 / μinρ
图 1 涡流检测示意图 Fig. 1 Schematic illustration of eddy current apparatus
从 Amiri 等人的研究结果看，钢材表面的含碳
量与相位角的相关性最强，其次是归一化阻抗，相
关性最差的是感生电压。另外，在 650 Hz 的激磁
频率下，各检 测 参 数 与 表 面 含 碳 量 具 有 最 好 的 相
和顾虑，检 测 过 程 中 也 无 需 耦 合 剂，可 以 实 现 无 损、实时、非接触检测。
1 涡流检测方法
涡流检测 是 利 用 激 磁 线 圈 产 生 时 变 磁 场，在 待测材料上感生出涡流，感生的涡流与材料特性、 线圈形状和 激 磁 频 率 有 关，如 果 材 料 物 理 性 能 电 阻率、磁导率 等 改 变，会 导 致 感 应 电 流 变 化，最 后 反映在检测线圈的阻抗或次级线圈感应电压发生 变化［1］。 1. 1 渗碳过程中的钢材含碳量涡流检测
( 1)
式中，R 为线圈半径; f 是激磁频率; μ0 为磁导率常
数; μin是初始磁导率; ρ 为电阻率。
试验结果表明，对于不同热处理状态的钢材，
其含碳量与电阻率、初始磁导率及涡流参数 βm 的 相关性是有区别的。具体有以下 3 种情况: ( 1) 对
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冶金自动化
第 35 卷
于退火钢材，材 料 含 碳 量 与 电 阻 率 的 相 关 性 不 明 显。含碳量在 0. 35% ～ 0. 77% 之间时，材料的初 始磁导率随含碳量的增加而减小，而涡流参数 βm 增大; 含碳量在 0. 77% ～ 1. 02% 之间时，材料的初 始磁导率随含碳量的增加而增大，而涡流参数 βm 减小。( 2) 对于淬火钢材，材料含碳量与电阻率具 有很强的相 关 性，同 时 与 材 料 的 初 始 磁 导 率 相 关 性显著。但是，材料的含碳量与涡流参数 βm 不具 有相关性，因 此 涡 流 方 法 不 能 用 于 淬 火 钢 材 的 含 碳量检测。( 3) 对于含碳量在 0. 35% ～ 0. 70% 的 淬火回火钢 材，含 碳 量 与 初 始 磁 导 率 的 相 关 性 不 明显，但与材 料 的 电 阻 率 相 关 性 显 著，同 时，材 料 含碳量与涡流参数 βm 具有很强的相关性。
在钢铁工业中有关钢铁材料的含碳量在线分析技 术主要集中在炼钢阶段［2］，但是，有关钢材含碳量 在线检测 的 研 究 并 不 多。 受 冶 炼 工 艺 影 响，不 同 炉号之间的 钢 材 含 碳 量 会 有 波 动，即 使 是 同 一 炉 号的钢材，受偏析等因素的影响，钢材的含碳量也
收稿日期: 2010-09-10; 修改稿收到日期: 2011-01-17 基金项目: 广东省科技计划项目( 2006B13301004) 作者简介: 孙亚飞( 1967-) ，男，辽宁台安人，副研究员，主要研究方向为电磁数值计算和金属无损检测。
Khan 等人的试验结果同样表明: 含碳量相同、 热处理状态不同的钢材的涡流检测值不同。这一 结论可以直观地从图 2 所示曲线得到。Khan 的试 验对象是普碳钢，将试件加热到 927 ℃ ，保温 1 h， 然后在 900 ℃ 保温 1 h，接着分别采用炉冷和空冷 方式冷却至室温［11］。
2. 1 应用 Barkhausen 方法检测普碳钢的含碳量 通常采用图 3 所示的系统进行 Barkhausen 噪
第 35 卷 第 2 期 2011 年 3 月
·综述与评论·
冶金自动化
Metallurgical Industry Automation
Vol． 35 No． 2 Mar． 2011
钢材含碳量电磁无损检测方法
孙亚飞，李 力
( 广东科学技术职业学院 机械与电子工程学院，广东 珠海 519090)
摘要: 钢材含碳量在线无损检测技术在钢铁工业精确过程控制中起着至关重要的作用。电磁方法广泛应用于 离线钢材含碳量的无损检测，但多数传统方法只是利用了电磁特性对含碳量敏感的特点，而忽视了电磁特性对 温度敏感的特点。最近，利用电磁计算技术的多物理场软测量方法克服了这一缺点，取得了良好的效果。本文 介绍采用涡流法、Barkhausen 噪声法、宏观磁性能法和感应加热法 4 种钢铁材料中含碳量电磁无损检测方法的 基本原理，阐述它们的研究现状及发展方向。通过比较分析各种测量方法的原理，分析了应用这些方法进行在 线检测的可能性。 关键词: 含碳量; 无损检测; 涡流; Barkhausen 噪声; 矫顽力; 感应加热 中图分类号: TG115. 21 + 3. 3 文献标志码: A 文章编号: 1000-7059( 2011) 02-0004-07
Abstract: Online nondestructive evaluation of carbon content of steel plays a key role for precise process control in iron and steel industry． Electromagnetic method has been widely utilized for offline nondestructive evaluation of carbon content in steel． However，most of these methods are based on the theory that electromagnetic property is sensitive to carbon content，and it is neglected that electromagnetic property is also sensitive to temperature． Recently，multiphysical field soft measuring method based on electromagnetic computing technique overcomes this limitation． Basic principles for four kinds of electromagnetic nondestructive evaluation methods of carbon content in steel material，including eddy current，Barkhausen noise，bulk magnetic properties and induction heating，are introduced． Their current situation and development direction are presented． Through analysis and comparison of these methods，feasibility of online evaluation using these methods is discussed． Key words: carbon content; nondestructive evaluation; eddy current; Barkhausen noise; coercivity; induction heating
完整的钢材组织性能预报冶金机理模型一般 包括工艺模型、组织模型和性能模型，而这三者均 受化学成分( 关键是含碳量) 的影响。但是包括钢 材含碳量在内的主要模型参数精确在线检测技术 的缺失导致 钢 材 组 织 性 能 预 报、控 制 冶 金 机 理 模 型不完善。通常在实际应用之前往往要对冶金机 理模型进行 假 设 和 简 化 处 理，这 使 得 冶 金 机 理 模 型计算结果和实际的内部组织演变结果有一定的 差异［8］。因此，如 果 能 够 实 现 在 线 精 确 检 测 钢 铁 材料的含碳 量，则 有 可 能 准 确 地 在 线 调 整 钢 材 生 产的工艺制 度，以 便 能 够 精 确 预 报 和 控 制 钢 材 的 力学性能。
Electromagnetic nondestructive evaluation method of carbon content in steel
SUN Ya-fei，LI Li
( College of Mechanical ＆ Electronic Engineering，Guangdong Institute of Science and Technology，Zhuhai 519090，China)
无 损 检 测 技 术，国 际 上 通 常 称 作 无 损 评 价 ( NDE-Nondestructive Evaluation) 技术，在现代钢铁 工业越来越具有举足轻重的地位。在裂纹检测、显 微结构分析、机械与物理性能估计以及化学成分分 析等 诸 多 应 用 中 都 涉 及 定 量 无 损 评 价 技 术［1］。
传统的含碳量检测方法主要是在可控气氛中 完全燃烧试样，测量总的二氧化碳体积，得到含碳 量; 或是利用红外光谱测量。本文主要针对当前 采用电磁方法进行含碳量无损检测的有关研究进 行总结和分析，并指出未来的发展方向。
与其他无损检测方法如 X 射线、超声波等相 比，电磁检测 方 法 无 放 射 源 使 用 方 面 的 诸 多 限 制
图 3 Barkhausen 噪声测量系统示意图 Fig. 3 Schematic illustration of MBN apparatus
第2 期
孙亚飞，等: 钢材含碳量电磁无损检测方法
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会不同。 碳作为一 种 重 要 的 合 金 元 素，在 提 高 钢 材 产
品性能方 面 起 着 重 要 的 作 用。 在 生 产 实 际 中，通 常可以通过提高钢材的含碳量来提高钢材的硬度 和抗拉强度等力学性能。Nam 等人的研究结果表 明，含碳量为 0. 52% ～ 0. 92% ( 重量百分比，下同) 的珠光体钢的抗拉强度和冷拉硬化速率随含碳量 的增加而增大［3］; Ueda 等人的研究结果表明珠光 体钢材的耐 磨 性 能 随 含 碳 量 增 加 而 得 到 改 善［4］; Wray 的研究证明: 当应变率为 0. 02 ～ 6 × 10 － 6 / s 时，高 温 下 普 碳 钢 的 塑 性 流 变 行 为 是 含 碳 量 ( 0. 005% ～ 1. 54% ) 的函数［5］; Serajzadeh 研究了 在碳素钢热变形过程中，含碳量对动态再结晶、动 态回复动力学以及流变应力的影响，结果表明: 随 着含碳量的增加，热变形激活能显著减小［6］; Vodopivec 等人研究了含碳量 0. 04% ～ 0. 13% 钢材 的终轧温度和含碳量对显微组织和机械性能各向 异性的影响，结果表明: 终轧温度为 800 ℃ 时，晶 粒尺寸随含 碳 量 的 增 加 而 减 小，同 时 指 出 道 次 间 的不完全再 结 晶 温 度 决 定 于 钢 材 的 化 学 成 分，轧 制过程中铁素体的形成温度主要决定于钢材的含 碳量［7］。由此 可 见，含 碳 量 在 钢 材 生 产 的 各 环 节 具有特别重 要 的 地 位，相 关 研 究 广 泛 用 于 钢 材 的 组织性能预报。
Amiri 等人将涡流技术用于检测气体渗碳工 艺中钢材表面的含碳量。建立了钢材表面含碳量 与不同的检测参数( 如阻抗、相位角和电压) 之间 的关系。除了已有的含碳量对阻抗平面的影响之 外，发现相位角与含碳量具有很好的线性关系［9］。 Amiri 等人采用图 1 所示的测量系统，通过线圈电 压和电流计算线圈的阻抗和相位角。
关性。涡流检测是在 30 ℃ 温度下进行的。
1. 2 钢材热处理状态对含碳量涡流检测的影响
Kogan 等人研究了含碳量为 0. 35% ～ 1. 02%
的淬火和回火碳素钢试样的磁、电特性，分析了这
些物理特性与含碳量的关系，同时采用式( 1) 计算
出涡流参数
β
。 ［1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ］
m
βm = 槡2Rπfμ0 槡1 / μinρ
图 1 涡流检测示意图 Fig. 1 Schematic illustration of eddy current apparatus
从 Amiri 等人的研究结果看，钢材表面的含碳
量与相位角的相关性最强，其次是归一化阻抗，相
关性最差的是感生电压。另外，在 650 Hz 的激磁
频率下，各检 测 参 数 与 表 面 含 碳 量 具 有 最 好 的 相
和顾虑，检 测 过 程 中 也 无 需 耦 合 剂，可 以 实 现 无 损、实时、非接触检测。
1 涡流检测方法
涡流检测 是 利 用 激 磁 线 圈 产 生 时 变 磁 场，在 待测材料上感生出涡流，感生的涡流与材料特性、 线圈形状和 激 磁 频 率 有 关，如 果 材 料 物 理 性 能 电 阻率、磁导率 等 改 变，会 导 致 感 应 电 流 变 化，最 后 反映在检测线圈的阻抗或次级线圈感应电压发生 变化［1］。 1. 1 渗碳过程中的钢材含碳量涡流检测
( 1)
式中，R 为线圈半径; f 是激磁频率; μ0 为磁导率常
数; μin是初始磁导率; ρ 为电阻率。
试验结果表明，对于不同热处理状态的钢材，
其含碳量与电阻率、初始磁导率及涡流参数 βm 的 相关性是有区别的。具体有以下 3 种情况: ( 1) 对
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第 35 卷
于退火钢材，材 料 含 碳 量 与 电 阻 率 的 相 关 性 不 明 显。含碳量在 0. 35% ～ 0. 77% 之间时，材料的初 始磁导率随含碳量的增加而减小，而涡流参数 βm 增大; 含碳量在 0. 77% ～ 1. 02% 之间时，材料的初 始磁导率随含碳量的增加而增大，而涡流参数 βm 减小。( 2) 对于淬火钢材，材料含碳量与电阻率具 有很强的相 关 性，同 时 与 材 料 的 初 始 磁 导 率 相 关 性显著。但是，材料的含碳量与涡流参数 βm 不具 有相关性，因 此 涡 流 方 法 不 能 用 于 淬 火 钢 材 的 含 碳量检测。( 3) 对于含碳量在 0. 35% ～ 0. 70% 的 淬火回火钢 材，含 碳 量 与 初 始 磁 导 率 的 相 关 性 不 明显，但与材 料 的 电 阻 率 相 关 性 显 著，同 时，材 料 含碳量与涡流参数 βm 具有很强的相关性。
在钢铁工业中有关钢铁材料的含碳量在线分析技 术主要集中在炼钢阶段［2］，但是，有关钢材含碳量 在线检测 的 研 究 并 不 多。 受 冶 炼 工 艺 影 响，不 同 炉号之间的 钢 材 含 碳 量 会 有 波 动，即 使 是 同 一 炉 号的钢材，受偏析等因素的影响，钢材的含碳量也
收稿日期: 2010-09-10; 修改稿收到日期: 2011-01-17 基金项目: 广东省科技计划项目( 2006B13301004) 作者简介: 孙亚飞( 1967-) ，男，辽宁台安人，副研究员，主要研究方向为电磁数值计算和金属无损检测。
Khan 等人的试验结果同样表明: 含碳量相同、 热处理状态不同的钢材的涡流检测值不同。这一 结论可以直观地从图 2 所示曲线得到。Khan 的试 验对象是普碳钢，将试件加热到 927 ℃ ，保温 1 h， 然后在 900 ℃ 保温 1 h，接着分别采用炉冷和空冷 方式冷却至室温［11］。
2. 1 应用 Barkhausen 方法检测普碳钢的含碳量 通常采用图 3 所示的系统进行 Barkhausen 噪
第 35 卷 第 2 期 2011 年 3 月
·综述与评论·
冶金自动化
Metallurgical Industry Automation
Vol． 35 No． 2 Mar． 2011
钢材含碳量电磁无损检测方法
孙亚飞，李 力
( 广东科学技术职业学院 机械与电子工程学院，广东 珠海 519090)
摘要: 钢材含碳量在线无损检测技术在钢铁工业精确过程控制中起着至关重要的作用。电磁方法广泛应用于 离线钢材含碳量的无损检测，但多数传统方法只是利用了电磁特性对含碳量敏感的特点，而忽视了电磁特性对 温度敏感的特点。最近，利用电磁计算技术的多物理场软测量方法克服了这一缺点，取得了良好的效果。本文 介绍采用涡流法、Barkhausen 噪声法、宏观磁性能法和感应加热法 4 种钢铁材料中含碳量电磁无损检测方法的 基本原理，阐述它们的研究现状及发展方向。通过比较分析各种测量方法的原理，分析了应用这些方法进行在 线检测的可能性。 关键词: 含碳量; 无损检测; 涡流; Barkhausen 噪声; 矫顽力; 感应加热 中图分类号: TG115. 21 + 3. 3 文献标志码: A 文章编号: 1000-7059( 2011) 02-0004-07
Abstract: Online nondestructive evaluation of carbon content of steel plays a key role for precise process control in iron and steel industry． Electromagnetic method has been widely utilized for offline nondestructive evaluation of carbon content in steel． However，most of these methods are based on the theory that electromagnetic property is sensitive to carbon content，and it is neglected that electromagnetic property is also sensitive to temperature． Recently，multiphysical field soft measuring method based on electromagnetic computing technique overcomes this limitation． Basic principles for four kinds of electromagnetic nondestructive evaluation methods of carbon content in steel material，including eddy current，Barkhausen noise，bulk magnetic properties and induction heating，are introduced． Their current situation and development direction are presented． Through analysis and comparison of these methods，feasibility of online evaluation using these methods is discussed． Key words: carbon content; nondestructive evaluation; eddy current; Barkhausen noise; coercivity; induction heating
完整的钢材组织性能预报冶金机理模型一般 包括工艺模型、组织模型和性能模型，而这三者均 受化学成分( 关键是含碳量) 的影响。但是包括钢 材含碳量在内的主要模型参数精确在线检测技术 的缺失导致 钢 材 组 织 性 能 预 报、控 制 冶 金 机 理 模 型不完善。通常在实际应用之前往往要对冶金机 理模型进行 假 设 和 简 化 处 理，这 使 得 冶 金 机 理 模 型计算结果和实际的内部组织演变结果有一定的 差异［8］。因此，如 果 能 够 实 现 在 线 精 确 检 测 钢 铁 材料的含碳 量，则 有 可 能 准 确 地 在 线 调 整 钢 材 生 产的工艺制 度，以 便 能 够 精 确 预 报 和 控 制 钢 材 的 力学性能。
Electromagnetic nondestructive evaluation method of carbon content in steel
SUN Ya-fei，LI Li
( College of Mechanical ＆ Electronic Engineering，Guangdong Institute of Science and Technology，Zhuhai 519090，China)
无 损 检 测 技 术，国 际 上 通 常 称 作 无 损 评 价 ( NDE-Nondestructive Evaluation) 技术，在现代钢铁 工业越来越具有举足轻重的地位。在裂纹检测、显 微结构分析、机械与物理性能估计以及化学成分分 析等 诸 多 应 用 中 都 涉 及 定 量 无 损 评 价 技 术［1］。
传统的含碳量检测方法主要是在可控气氛中 完全燃烧试样，测量总的二氧化碳体积，得到含碳 量; 或是利用红外光谱测量。本文主要针对当前 采用电磁方法进行含碳量无损检测的有关研究进 行总结和分析，并指出未来的发展方向。
与其他无损检测方法如 X 射线、超声波等相 比，电磁检测 方 法 无 放 射 源 使 用 方 面 的 诸 多 限 制