【doc】磁性法检测球铁表面硬度时表面粗糙度引起的误差

【doc】磁性法球铁表面硬度时表面粗糙度引起的误差 磁性法检测球铁表面硬度时表面粗糙度引 起的误差 第l9卷第6期无损检测Vo1.19N0.6 1997卑6月NlffrJnne19,7 J—10I, ,磁性法检测球铁表面硬度时表面粗糙度引起的误差 行性,并就球铁大件表面粗糙度对 要求.穰缺牟 主囊词磁性法球墨铸铁 检测信号的干扰程度进行j计算,证明其原理和能满足I程 ANALYSIsoFTHEERSORCAUSEDBYSURFACERoUGHNEss INMAGNET1CTEST1NGOFSURFACEHARDNBSSoF.NODULARCASTIRON ZextgHuiWuChuansheng:蛐mhe?g' (WuhnAutomotivePolytechnicUniversit~)国eing】tepCorporation,Ltd.). A瞻trllctTheinten~elatlonbetweenthecompositionofnodularcastironandferromagnetic1曲thefeasibilib ofapplyiinductancetransduoertohardnesstestingofnodularCaStironareanalyzed,Theinte rf~ncede.reof surfacerotIghne8.~ofnodulareastironwithtestingsigI1aIsiscalculated.Itisshownthattheh odcanettlIe D.eedsofengineering. 生产中铸件的硬度大多根据浇铸的试样作硬度 试验间接判断,由于铸造的复杂性,各铸件硬度常具 有一定的波动性,对铸件常需抽样作破坏性检测,给 经济上造成损失,因此,对铸件本体进行百分之百的 无损检测已成为生产中的急切要求 1球铁件不同金相组织与硬度的关系 球铁件的金相组织主要有珠光体,铁素体,不同 形态的石墨和微量夹杂物等.铸件的硬度与珠光体 和铁素体的比例关系及晶粒的粒度大小有关,若将 珠光体和铁素体两者之和计为百分之百,则珠光体 的百分比越大,晶粒越细小,则铸件强度越高,而铸 件的强度和硬度几乎为正比关系,因此,球铁组织中 的珠光体含量和晶粒大小与硬度有密切关系,详见 表1,表2. 从表中数值可知.球铁金相组织中珠光体量越 多,铁素体量越少;晶粒越细小,虫矗金属硬度越高.,? 表1珠光体含量与强度,?靡的关系 衰2昌粒废与强度硬度的关系 2球铁中不同金相组织与磁性的相关性 由电磁学原理可知嘲,由可逆畴壁位移决定的 起始磁化率与诸多因素有关,当材料种类确定 后,则下述两个因素对产生影响:?杂质越少或 杂质聚集成团使提高.?晶粒粗大使畴宽与畴壁 厚度比例增大,亦能提高矗.可分别用函数表达式来 说明: 根据参杂理论推证的起始磁化率为; (等).m 式中杂质半径 z——参杂重量比. 对于球铁件,参杂物质主要是碳原予,珠光体组 织中碳元素含量达0.8.而铁素体组织中碳元素 含量接近纯铁,所以从式(1)可知铁素体的起始磁化 率明显高于珠光体,而由磁导率与磁化率的关 系为: 一 159一 揩 粕.雨鹞 鞋 吴 爱 爱 唪 末 降 铁 球 }0 田 应 薄 怠 侍 式 感 电 及 性 关 柑 的 性 磁 铁 与 轵 组 同 不 铁 球 析 分 娶 摘 磁性法检测球铁表面硬度时表面粗糙度引起的误差 /4—4rrXi 因此磁导率仍然是铁素体高,最高磁导率 的两者关系为,铁素体是珠光体的1O倍. 根据内应力理论推证的起始磁化率为: y一丝至r1 "'3以… 式中——磁壁宽度 以——磁壁厚度 当工艺参数如冷却越快时,越容易形成珠光体, 并且晶粒越细,而生产中珠光体量变多与晶粒度变 细趋势一致.当晶粒变细小时,磁壁宽度n变小,从 式(2)起始磁化率与磁壁宽茸的正比关系得: 晶粒越细小则起始磁化率越小0]. 综合上述两公式及表1,2可得出:珠光体量越 多,晶粒越细小,财金属硬度越高,磁导率越小,铸铁 件的硬度值与铸铁件的磁导率具有单值递降的函数 关系,因此,采用一种结构合理的磁性传感仪器,可 以检测铸件的硬度值. 3传感器工作原理 按图1所示电感式传感器结构,其电感值 工一w2 式中w——线圈匝数 R——磁路磁阻 Rm=+ 令Rm一m 则R.=R1-I-R 式中——铁心长度 —— 铸件与铁心两接触面之间的长度 S——铁心截面积 —— 铸件截面积 胁——铁心磁导率 —— 铸件磁导率 当铁心端面平直,铸件表面粗糙度值低时,可认 图1传感器示意酎 1.铁心截面积2.铁心3.铁心磁路长度4.铸件 —— 160—— 为紧密接触,接触问隙为零,当结构确定后,1 ,S及S均固定不变,传感器磁阻R值为: -.,, m一1+-z一,() 因线圈匝数不变,所以线圈电感工与铸铁件的 磁导率为单值函数关系,增减导致电感工的 增减,当该电感被引入电路后,从电路的输出信号可 以方便地求出的变化,从而判断铸件硬度值. 4铸件表面租糙度对信号的影响 铸件表面粗糙度随生产方式不同存在差异,由 于表面凸凹不平,使得铸件与铁心接触面积发生变 化,出现局部气醇,见图1.当电感式传感器的工作 对象是粗糙铸件表面时,其电感量为Lr,磁阻为 ,一如+一矗+(+) 式中第三项是因表面粗糙引起的磁阻增量,于 表面波纹线绕中线波动具有一定的对称性,故近似 认为S.等于寺,而,是变量,前者是待测物理 量,后者则对测量结果产生干扰,由此 R皿2一,(,13) 令Rl2一+口 根据全微分原理? dR,一-d+曲 一1一1 一却 d.u一一期 d口一差d+-~dls一一十一 (一)+(d/3.),3',,, 故有am一(一a)+(一a)+ (a) 第一,二项是磁导率变化时磁阻的增量,是有用 信号,第三项是表面粗糙度变化引起的误差信号,若 前者比后者大得多,则检测精度才能得到保证,铸件 表面粗糙度的变化范围见表3. 定试样表面光洁平整,所以视=0. 衰3不同铸造方法选到的衰面曩收度 磁性法检测球铁表面硬度时表面粗糙度引起的误差 , 一 (一dpz)+(矗dls) 从表3知,最大粗糙度为40l皿.而弱磁场检测 时珠光体型球铁初始磁导率为116;珠光体加部分 铁素体型球铁初始磁导率为14o[,因此:. d一140—116—24 设传感器结构=5cm,被测铸件表面积S一 5era~,粗糙接触处平均截面积S一?S:,d/一0.04 cm,将各数值代入上式得: 第一项. (一)一一×24—0?0018 第二项 (3J一×04一.'00014 经计算第二项与第一项比值为8,可见表面 粗糙度对磁阻的影响比磁导率变化的影响小得多 磁导率从珠光体型的116变至珠光体加铁素体 型的140时,HB从300变为190],则单位硬度的 磁阻变化为: :一0.0000163300 —— 19O 已知最大粗糙度引起的磁阻变化为0.00014, 则干扰引起的HB信号误差为 0.00014 丽而6 上述误差是在最大粗糙度条件下得出,显然,若 铸件粗糙度变小,则误差会变小.通常和用仪器检测 材料洛氏硬度(HRC)时,误差为士2,折合成HB的 误差为士10以上,因此上述误差在工程上仍然允 许对工厂生产的球铁硬度实测时其硬度与传感器 信号对照关系见图2,图中数据表明,低硬度时HB 里 mv 图2硬度与电测信号对应曲线 误差范围为土4;高硬度时为土9,与理论计算值相 近.由于工厂采用的是高压造型,故测量时误差小 些.- 5传感器灵敏系数 已知比对电感L的影响大得多,求dL与 d的相关性就容易了,当忽略的变化d时由下 式: . ' 一 式中一++ 得. 弛弛aR za品讹 (矗++ 1\/l~+)= 南(+蝥)一K(++鸶)?一 则dL=尉 K为传感器灵敏系数,为了使较小的磁导率变 化获得较大的电感变化,K值应尽量大,因此,应尽 量减小磁路长度z,增大铁心磁导率. 6结论 (1)磁性法用来检测球墨铸铁的硬度是可行 的. (2)在设定传感器结构参数条件下,理论计算 测量I-m误差为8.6,实际测量时I-m误差从士4, 土9,这在实际生产中仍具有使用价值. (3)为了提高传感器灵敏系数,传盛器磁路应 尽量短,铁心磁导率应大. 7参考文献 1东北工学院.铸铁及其熔化.冶垒工业出版社,1978.54 2钟定远.铁磁学.北京;科学出版社,1978.238--251 3上海交通大学等..现代铸造测试技术.上毒:上海科学技 术文献出版社,1984.44 4樊睫川.高等数学.北京:人民教育出版社,1977.79—86 5游风荷等.涡流法检测球铁组织结构可靠性的研究.武汉 工学皖,1993,15(2):11—16 收稿日期:1996年9月 一 161