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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Untersuchen des Spannungszustandes eines aus ferro- magnetischem Material bestehenden Körpers, wobei der zu untersuchende Bereich des Körpers von der Oberfläche her mit einem magnetischen Wechselfeld durchflutet wird und eine Kenngrösse der Abhängigkeit der hiebei im äusseren Magnetisierungskreis induzierten elektromotorischen Kraft (EMK) vom Magnetisierungsstrom, insbesondere im Vergleich zu einer Bezugsgrösse, ausgewertet wird.
An Werkstoffen, die thermischen Prozessen unterworfen wurden oder die überelastisch verformt wurden, können Eigenspannungen (Restspannungen, Nachspannungen, innere Spannungen....) auftreten. Die mit Eigenspannungen verbundenen inneren Kräfte und Momente befinden sich inner- halb des betrachteten Werkstückes im mechanischen Gleichgewicht. Eigenspannungen können nach ihrem Erscheinungsbild oder nach ihren Ursachen unterschiedlich kategorisiert werden ; eine der neueren Einteilungen definiert Eigenspannungen erster Art als Spannungen, die über viele Körner hinweg nahezu konstant sind, Eigenspannungen zweiter Art als Spannungen, die über ein ein- zelnes Korn hinweg nahezu konstant sind, und Eigenspannungen dritter Art als Spannungen, die über atomistische Bereiche hinweg nahezu konstant sind. Weitere Einteilungen geschehen nach den Gitterstörungen bzw.
Anordnungen von Gitterstörungen (Leerstellen, Versetzungen, Korngrenzen), deren Auswirkungen als Ursache für Eigenspannungen angenommen werden.
Eigenspannungen, die meist komplexen Spannungszuständen entsprechen, können sich bei Be- anspruchung des Werkstückes den angelegten äusseren Spannungen überlagern, so dass im Falle additiver Überlagerung die dem Werkstück im unverspannten Zustand zukommende Belastbarkeit nicht erreicht werden kann ; Eigenspannungen sind also als qualitätsbeeinflussende Faktoren anzu- sehen.
Es sind verschiedene nicht zerstörungsfrei arbeitende Methoden der Feststellung von Eigen- spannungen bekannt, die im allgemeinen darauf beruhen, dass gewisse Werkstückbereiche spanab- hebend entfernt werden, wobei aus der sich einstellenden Geometrie des Reststückes oder der Geo- metrie der entstandenen Ausnehmung Rückschlüsse auf das Vorhandensein und auf die Grösse von Eigenspannungen möglich sind. Solche Methoden haben den Nachteil einer mehr oder minder grossen Zerstörung des Werkstückes, weiterhin den Nachteil einer umständlichen Handhabung, da es von vornherein nicht sicher erkennbar ist, an welchen Stellen des Werkstückes Eigenspannungen auftre- ten.
Es ist auch bereits eine Reihe von zerstörungsfrei arbeitenden Methoden zur Feststellung von Eigenspannungen vorgeschlagen worden. Dazu zählen vor allem die Messung der eigenspan- nungsabhängigen Veränderungen von Netzebenenabständen mit Methoden der Röntgenbeugung, die quasi-zerstörungsfreie Feststellung von Eigenspannungen durch Messung der Mikrohärte an bestimm- ten Stellen der Probe und schliesslich Methoden zur Beobachtung von Versetzungs-Ätzgruben oder zur direkten Beobachtung von Versetzungen. Zur Untersuchung von ferromagnetischen Werkstoffen sind auch Methoden bekanntgeworden, bei denen eine Feststellung von Eigenspannungen durch Analyse nach charakteristischen ferromagnetischen Stoffeigenschaften geschieht. Insbesondere sind Methoden zur Messung von Eigenspannungen bekannt, die auf einer Ausmessung der Barkhausen- Sprünge in der Ummagnetisierungskurve beruhen.
Weiterhin gibt es bekannte Methoden, denen die Eigenspannungsabhängigkeit der Anfangssuszeptibilität oder die Eigenspannungsabhängigkeit der Remanenz oder auch die Eigenspannungsabhängigkeit der Koerzitivfeldstärke zu Grunde liegen.
Diese Methoden haben den Nachteil, dass die erforderlichen Messwerte meist nur durch Messung an speziell entnommenen Proben erhalten werden können ; sie haben weiterhin den Nachteil, dass die erhaltenen Werte für ein relativ grosses Probenvolumen repräsentativ sind und dass ihre Anwendung hohe Anforderungen an die verwendete Messapparatur stellt.
Bei ferromagnetischen Stoffen ist der Zusammenhang zwischen magnetischer Feldstärke H und magnetischer Induktion B nicht-linear und von zahlreichen verschiedenen Einflüssen abhängig.
Bei einem einzelnen kubischen Kristall eines ferromagnetischen Materials, wie Eisen, mit kubisch raumzentrierter Kristallstruktur, geben die Würfelkanten Vorzugsrichtungen der Magnetisierung an. Hiebei besteht kein Unterschied zwischen einer Richtung und der ihr entgegengesetzten Rich- tung. Offenbar sind ohne äusseres Feld grössere Bezirke in einer der sechs Vorzugsrichtungen ausge- richtet. Wegen der Gleichberechtigung entgegengesetzter Richtungen ist aussen keine Magnetisierung des Körpers feststellbar. Beim Anlegen eines Feldes klappen die Bezirke in die Feldrichtung um,
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sofern diese die Richtung einer Würfelkante hat.
Da die Richtungen energetisch gleichwertig sind, ist hiezu kein Arbeitsaufwand notwendig.
Allerdings kann zwischen den beiden entgegengesetzten Richtungen ein"Potentialwall"liegen, d. h. das Umklappen führt über Richtungen, die grösserer Energie entsprechen. Dadurch steigt die Magnetisierungskurve am Anfang nicht senkrecht an und nach dem Abschalten des Feldes bleiben einzelne Bezirke noch in der alten Richtung liegen, da die Wärmeenergie nicht zur Überwindung des Potentialwalles ausreicht (Remanenz).
Hat das Feld etwa die Richtung der Würfeldiagonale, so ergibt sich die resultierende Magnetisierung durch Umklappungen in die der Feldrichtung am nächsten kommende Kantenrichtung und beim Erhöhen der Feldstärke noch durch Herausdrehen aus der Kantenrichtung. Letzteres erfolgt unter Arbeitsaufwand, weswegen die Magnetisierungskurve in diesem Bereich weniger steil ansteigt. Beim Abschalten des Feldes werden die herausgedrehten Richtungen ohne weiteres nach den kleinster potentieller Energie entsprechenden Kantenrichtungen zurückgehen. Falls die Feldrichtung in der Richtung einer Flächendiagonale des Würfels verläuft, steigt die Magnetisierungskurve ebenfalls im Bereich höherer Feldstärken weniger steil an.
Bei technischem polykristallinem Material kommt die wirkliche Magnetisierungskurve nicht allein durch Überlagerung der verschiedenen Kristalleffekte zustande, sondern es kommt noch ein Umstand hinzu, der ebenfalls eine Vorzugsrichtung bestimmt, nämlich innere Spannungen. Beispielsweise ist in einem gedehnten Eisendraht die Vorzugsrichtung die Richtung des Zuges. In einem Bereich einheitlicher innerer Spannung stellt sich der wirkliche Vektor der Magnetisierung so ein, dass die Summe von Feldenergie, Kristallenergie und mechanischer Energie den kleinsten Wert annimmt.
Aus der GB-PS Nr. l, 054, 568 ist eine Vorrichtung zum Untersuchen des inneren Spannungszustandes eines aus ferromagnetischem Material bestehenden Körpers bekannt, wobei der eigentliche Magnetkopf ein zentrales Polstück mit einer Erregerwicklung und ein mit diesem verbundenes koaxiales zylindrisches Polstück besitzt, das an einander diametral gegenüberliegenden Stellen Sensorwicklungen trägt. Die verschiedenen Spulen der topfkernartigen Anordnung sind mit einer ein Spannungsmessgerät enthaltenden Kompensations-Anzeigeschaltung verbunden. Die diametrale Anordnung der Sensorspulen bezüglich der Erregerspule soll die Bestimmung der Hauptspannungsrichtungen im untersuchten Körper ermöglichen. Irgendwelche Hinweise darüber, mit welchen magnetischen Feldstärken bzw.
Induktionen die bekannte Vorrichtung arbeiten soll, sind der GB-PS Nr. l, 054, 568 nicht zu entnehmen.
Gegenstand der DE-OS 2252465 ist ein induktiv arbeitender Messfühler zur zerstörungsfreien Ermittlung von technologischen Eigenschaften, wie Härte, Einhärtung und Vergütung, an Werkstücken aus ferromagnetischem Material. Da die Erzielung reproduzierbarer Messergebnisse nur bei bestmöglicher magnetischer Kopplung zwischen Messfühler und Werkstück erwartet werden kann, wird in der DE-OS 2252465 vorgeschlagen, den Messkopf dem zu vermessenden Bereich des Werkstückes geometrisch anzupassen. Dies bedeutet, dass ein bestimmter Messkopf nur für Werkstücke einer ganz bestimmten Form, beispielsweise in der Serienfertigung, geeignet ist.
Weiters ist in der DE-OS 2252465 noch angegeben, dass der mit dem Messkopf eine Einheit bildende, den magnetischen Fluss leitende Kern für die Untersuchung verschiedener Eigenschaften des Werkstücks bevorzugt aus unterschiedlichen Materialien bestehen soll. Zu bevorzugende elektromagnetische Parameter für die Durchführung von Messungen sind nicht angegeben.
Die CH-PS Nr. 533306 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Werkstoffprüfung von Fertigteilen aus ferromagnetischem Material, wobei im wesentlichen die Härte des Materials bestimmt werden soll. Nach einer Ausgestaltung des bekannten Verfahrens soll mindestens ein bestimmter Punkt der Hysteresekurve des den zu prüfenden Bereich bildenden ferromagnetischen Materials gemessen werden, worunter vor allem die Bestimmung entweder der Remanenz oder der Koerzitivkraft verstanden wird.
Eine in der CH-PS Nr. 533306 durch ein Blockschaltbild angegebene für die Durchführung des Verfahrens geeignete Messanordnung zur Messung eines bestimmten Punktes der Hysteresekurve des den zu prüfenden Bereich des Fertigteils bildenden ferromagnetischen Materials arbeitet mit periodischer Abtastung des durch die Induktionsspule fliessenden Stromes und/oder der Spannung an der Induktionsspule oder an der Sekundärspule. Der hiefür erforderliche Schal-
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tungsaufwand ist sehr hoch.
Aus der DE-OS 2417525 ist eine Prüfspulenanordnung zum Ermitteln bestimmter Eigenschaften von Metallteilen bekannt, wobei in die Prüfspulenanordnung zusätzlich ein gegenüber der Prüfspule magnetisch entkoppelter Übertrager eingebaut ist, dessen Primärwicklung in Serie mit der Erregerwicklung der Prüfspule geschaltet ist und dessen Sekundärwicklung in subtrahierender Serie mit der Empfängerwicklung der Prüfspule geschaltet ist, und wobei Prüfspule und Übertrager so aufeinander abgestimmt sind, dass bei Abwesenheit eines Metallteiles die Wechselspannung an den Klemmen der sekundären Serienschaltung gerade etwa Null ergibt. Die Auswertung der elektrischen Signale erfolgt in ähnlicher Weise wie bei der Schaltungsanordnung gemäss der GB-PS Nr. l, 054, 568 in einer Kompensationsschaltung und Gleichrichtern.
Dabei soll je nach der Art des Gleichrichters entweder der Betrag oder der Realteil des Vektors der induzierten Spannung auswertbar sein. Über die Grösse der anzuwendenden magnetischen Feldstärken bzw. der gewünschten erzielten magnetischen Induktion zum Erhalten einer hohen und selektiven Messempfindlichkeit ist nichts ausgesagt.
Die Erfindung zielt darauf ab, ein Verfahren mit guter Messempfindlichkeit zum Untersuchen des Spannungszustandes eines aus ferromagnetischem Material bestehenden Körpers zu schaffen, bei welchem möglichst einfache Zusammenhänge ausgewertet werden können. Die Erfindung besteht bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art im wesentlichen darin, dass bei der Durchflutung die zum Übergang vom annähernd linearen Kennlinienbereich der Magnetisierungskurve zur Sättigung erforderliche magnetische Feldstärke überschritten wird und dass die Kenngrösse im Übergangsbereich der Magnetisierungskurve bestimmt wird. Kenngrösse der EMK kann hiebei der Spitzenwert, der arithmetische Mittelwert (Gleichrichtwert), der geometrische Mittelwert (Effektivwert), der Verzerrungsanteil (Klirrfaktor) od. dgl. sein.
Die Erfindung ermöglicht es, eine einfache Methode zur qualitativen und quantitativen Feststellung von Eigenspannungen der drei eingangs aufgegliederten Arten anzugeben, indem eine für den Spannungszustand charakteristische und eine hohe Messempfindlichkeit ergebende Kenngrösse der Abhängigkeit der hiebei im äusseren Magnetisierungskreis induzierten elektromotorischen Kraft vom Magnetisierungsstrom ausgewertet wird. Für die Erzielung der erwünschten hohen Messempfindlichkeit ist es von Bedeutung, dass durch einen mechanischen Spannungszustand des Körpers besonders im Übergangsbereich ("Knick") der Magnetisierungskurve Änderungen auftreten.
Diese Methode beruht auf der Zuordnung einer charakteristischen Magnetisierungsfeldstärke
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einer charakteristischen magnetischen Induktion Bs (z. B. repräsentiert durch eine charakteristische EMK U) zu einem vorgegebenen Anstieg der Kommutierungskurve für Wechselstromaufmagnetisierung oder Wechselstromabmagnetisierung, d. h. also zu einem vorgegebenen Wert lls der differentiellen Permeabilität eines magnetischen Kreises, der aus Prüfeinrichtung und Prüfling besteht. Die Höhe dieser Werte Hs oder Bs hängt bei ansonsten (besonders bezüglich der chemischen Zusammensetzung und des Gefügezustandes) gleichartigen Proben vom Spannungszustand des untersuchten Probenbereiches ab und kann dafür als charakteristisch angesehen werden.
Eine zweckmässige Durchführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, dass die Untersuchung im spannungsfreien Zustand und im Spannungszustand des Körpers vorgenommen wird und dass die Messergebnisse zur Bestimmung des Spannungszustandes miteinander verglichen werden. Durch die Anwendung von Vergleichsmessungen an Stelle von Absolutmessungen ist mit einfacheren Mitteln eine hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit des Verfahrens erzielbar.
Je nach den Gegebenenheiten kann hiebei ein Kennwert der in einem spannungsfreien Bereich des Körpers festgestellten Abhängigkeit der gemessenen EMK vom magnetisierenden Feld mit dem entsprechenden Kennwert der in einem unter Spannung stehenden Bereich desselben Körpers festgestellten Abhängigkeit der gemessenen EMK vom magnetisierenden Feld verglichen werden, oder es kann ein Kennwert der in einem Bereich des zu untersuchenden Körpers festgestellten Abhängigkeit der gemessenen EMK vom magnetisierenden Feld mit dem entsprechenden Kennwert der an einem aus dem gleichen Material bestehenden spannungsfreien Vergleichskörper festgestellten Abhängigkeit der gemessenen EMK vom magnetisierenden Feld verglichen werden.
Eine wichtige Einflussgrösse zum Steuern des erfindungsgemässen Verfahrens ist die Frequenz
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des für die magnetische Durchflutung benützten Wechselfeldes. Bei allen Körpern aus elektrisch leitenden Werkstoffen dringt ein an der Körperoberfläche plötzlich angelegtes elektromagnetisches
Feld wegen der Gegenwirkung von Wirbelströmen nur allmählich von der Oberfläche in den Körper ein. Bei einem periodischen Wechselfeld hat dieser sogenannte Skineffekt zur Folge, dass die magne- 'tische Feldstärke im Körperinnern mit zunehmender Entfernung von der Oberfläche exponentiell abnimmt und eine zunehmende Phasennacheilung aufweist, wobei die auf die Entfernung von der
Oberfläche bezogene Stärke der Veränderung von der Frequenz und von den elektrischen und magne- tischen Werkstoffeigenschaften abhängt.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens besteht somit darin, dass die Frequenz des Wechselfeldes in Abhängigkeit von der Tiefe des zu untersuchenden Bereiches gewählt wird.
Je nach der gewählten Frequenz wird im wesentlichen der Mittelwert des Spannungszustandes in. einem zwischen der Oberfläche und einer vorbestimmten Tiefe liegenden Bereich des Körpers be- stimmt. Rein rechnerisch lassen sich nach Untersuchung ein und desselben Oberflächenbereiches eines Körpers mit unterschiedlichen Frequenzen aus den dabei erhaltenen Messergebnissen Rückschlüs- se auf die in in verschiedenen Tiefen liegenden Schichten herrschenden Spannungszustände zie- hen.
Eine bevorzugte Art der Auswertung von Untersuchungsergebnissen ist mit Hilfe einer XY-Dar- stellung möglich, indem z. B. in X-Richtung eine der Magnetisierungsfeldstärke proportionale Grö- sse, insbesondere der Maximalwert des Erregerstromes einer das Magnetfeld erzeugenden Spule, und z. B. in Y-Richtung der Maximalwert der induzierten EMK über der Zeit als der magnetischen In- duktion proportionale Grösse aufgetragen wird, wobei der Winkel der Tangente im Übergangsbereich vom annähernd linearen Kennlinienbereich der Magnetisierungskurve zur Sättigung gemessen wird.
Die XY-Darstellung kann mittels eines Elektronenstrahloszilloskops oder mittels eines XY-Schreibers vorgenommen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnungen und eines Durchführungsbeispiels des Verfahrens näher erläutert. Es zeigt Fig. ! schematisch j7 einen Ast der Magnetisierungskur- ve eines spannungsfreien und eines spannungsbehafteten Körpers, Fig. 2 die prinzipielle Anordnung einer Prüfeinrichtung zum Durchführen des erfindungsgemässen Verfahrens und Fig. 3 Magnetisierungskurven eines durch Zug beanspruchten Drahtes.
In Fig. 1 sind im Achsenfeld, das von der magnetischen Feldstärke und der magnetischen
Induktion aufgespannt wird, die Kommutierungskurve --1--, die für Wechselstromaufmagnetisierung einer spannungsfreien Probe gilt, und die Kommutierungskurve --2--, die für Wechselstromaufmagnetisierung einer eigenspannungsbehafteten Probe gilt, schematisch dargestellt.
Die Kommutierungskurve für Wechselstromaufmagnetisierung wird ganz oder zum Grossteil beispielsweise dadurch erhalten, dass man die Stromamplitude der Erregung als repräsentativ für die magnetische Feldstärke gegenüber dem Maximalwert der durch die veränderliche magnetische Durchflutung bewirkten,
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gesuchten charakteristischen Feldstärkewerte H und der charakteristischen Werte der magnetischen Induktion B bei vorbestimmten, meist im Übergangsbereich zwischen Anstieg und Sättigung gelegenen Werten der differentiellen Permeabilität des magnetischen Kreises aus Prüfeinrichtung und Prüfling, zu dem Spannungszustand entlang des Kraftlinienverlaufes im Prüfling, für die Lokalisierung und Quantifizierung sowohl vom inneren als auch von äusseren Spannungen an Werkstücken herangezogen.
Entsprechende Kalibrierung durch Messungen an spannungsfreien Proben und an Proben mit bekannten Spannungszuständen, jeweils gleicher Zusammensetzung und von gleichem Gefügezustand, bietet die Möglichkeit, denjenigen Wert der differentiellen Permeabilität, auf den Bezug genommen wird, so zu wählen, dass die Methode für die Messung von unterschiedlichen Spannungszuständen maximale Empfindlichkeit aufweist. Durch Veränderungen der Prüffrequenz der Wechselstrommagnetisierung kann die Eindringtiefe des magnetischen Feldes in die Probe verändert werden und somit der Bereich der Probe, für den die Messwerte repräsentativ sein sollen, eingegrenzt werden.
Ein einfaches technisches Ausführungsbeispiel für eine Prüfeinrichtung zum Durchführen des
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<tb> Pkt. <SEP> #[kN/mm2] <SEP> H3,66[kA/m] <SEP> B3,66 <SEP> [T]
<tb> 13 <SEP> 0 <SEP> 22, <SEP> 28 <SEP> 0, <SEP> 813 <SEP>
<tb> 14 <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> 28, <SEP> 65 <SEP> 0, <SEP> 780 <SEP>
<tb> 15 <SEP> 1,5 <SEP> 34,46 <SEP> 0,767
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