DE2837733C2

DE2837733C2 - Verfahren zur zerstörungsfreien Feststellung von Werkstoffzuständen unter Ausnutzung des Barkhausen-Effektes

Info

Publication number: DE2837733C2
Application number: DE19782837733
Authority: DE
Inventors: Werner Dr.Rer.Nat. Theiner; Eckehard Dipl.-Phys. 6600 Saarbrücken Waschkies
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1978-08-30
Filing date: 1978-08-30
Publication date: 1984-06-14
Also published as: DE2837733A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Verringerung des Quantisierungsfehlers. Bei mit einer durch den Quarz (42) vorgegebenen Taktfrequenz digital angesteuerten Klasse-D-Endstufe wird mit Hilfe des Speichers (45), des Multiplexers (43) und des Zählers (40) am Ausgang des Oder-Gliedes (41) ein Impuls erzeugt, welcher mit Hilfe des D-Multiplexers (44) an die als Schalter wirkenden im Gegentakt arbeitenden Transistoren (T ↓1 und T ↓2) der Gegentaktendstufe gelangt. Innerhalb einer Ansteuerperiode (a) wird durch zweimaliges Schließen der Schalter (T ↓1 bzw. T ↓2) während der Zeitdauern (b und d) eine Grob- und Feinbestimmung des Stromendwertes (i ↓L) durchgeführt. Die Erfindung ist anwendbar in Fernseh- oder Datensichtgeräten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Feststellung von Werkstoffzuständen, bei dem in einer Probe ein quasi-stationäres Wechselfeld induktiv registrierbare magnetische Barkhausen-Signalc erzeugt.

Beim quasi-stationären Durchlaufen der Hysteresekurve kommt es, je nach Hystereseabschnitt, zu unterschiedlich starken Veränderungen in der magnetischen Bereichsstruktur. Die dabei zu beobachtenden Prozesse können durch reversible und irreversible Bloch-Wand-Bewegungen beschrieben werden, im letzteren Fall spricht man von Barkhausensprüngen. Diese Barkhausenereignisse können mit induktiven Aufnehmern (Spule) an der Oberfläche des zu untersuchenden Wcrkslükkes aufgenommen werden.

Die Verwendung des magnetischen Barkhauseneffektcs zur Feststellung von Werkstoffeigenschaften wird aber durch die folgenden physikalisch bedingten Nachteile eingeschränkt:

— Durch die Wirbelstromdämpfung können nur oberflächennahe Bereiche analysiert werden (»Eindringtiefe« einige Millimeter).

— Die Nachweisgrenze ist im wesentlichen durch das thermische Rauschen festgelegt. Bei 290 K, R=WOOSl, z//"= 10OkHz erhält man eine Rauschspannung von

Das Meßsignal U_n, muß somit größer als U,h sein, um überhaupt genutzt werden zu können.
— Das Abschirniproblem:

Durch die magnetinduktive Aufnahme bedingt, werden außer den Nutzsignalen auch externe Streufelder (50 Hz Brumm,...) registriert. Bei einer Verstärkung von -10OdB kann dies leicht zur Übersteuerung des Vorvcrslärkers und somit zur Verfälschung der Meßsignale rühren. Diese Übersteuerung kann auch durch die makroskopische Flußänderung beim Durchsteuern der Mysieresekurven auftreten (vor allem in der umfassenden Spulengeometrie).
5

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzubilden, daß auch Materialzustände, die tiefer als einige Millimeter von der Oberfläche entfernt liegen.

ίο der An; lysc zugänglich gemacht werden.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs I gelöst.

Das Messen der induzierten Ultraschallemissionssignalc, irreführend auch als akustisches Barkhausen-Rauschen bezeichnet, kann für sich allein oder aber kombiniert mit dem magnetischen Barkhausen-Rauschen erfolgen, 'm letztgenannten Fall ergänzt bzw. erweitert das erfindungsgemäße Verfahren sowohl hinsichtlich der physikalischen Aussage (unabhängige Meßgrößen in bezug auf das magnetische Barkhausen-Rauschen) als auch hinsichtlich der technischen Möglichkeiten (Eindringtiefe, Störungsunterdrückung ...) die bislang genutzten magnetisch induzierten Meßverfahren (vgl. DE-PS 21 41 751, DE-OS 27 46 477).

Es ist zwar bereits ein Verfahren bekannt (vgl. IEEE Transactions on magnetics, Vol. MAG-IO, Nr. 3. Sept. 1974, Seiten 913—915), durch das bei der Ausbreitung eines Ermüdungsrisses sowohl Schallemissionssignalc als auch magnetische Signale gleichzeitig geinessen werden. Dabei wird jedoch das Wachstum eines Risses verfolgt, und zwar magnetisch in der Magnetisierungscinrichtung und akustisch durch das Schallemissionssignal, das beim Rißforlschritt entsteht. Es handcll sich hier also um eine makroskopische Magnetisierung, nicht aber um den Barkhausen-Effckt. Außerdem wird hier der Riß selbst, nicht aber der Werkstoff untersucht.

Weiterhin ist eine Anordnung bekannt (vgl.

Bull. Acad. Sei. USSR, Phys.Ser. 25, No. 7, 19b1. Seiten 1532—1534). beider Magnetisierung und Magnetostriction gleichzeitig gemessen werden, und zwar magnetinduktive Barkhausen-Ereignisse in einem von einer Aufnehmcrspule umfaßten Nickeldraht und die mikroskopische und integrale Längenänderung des Drahtes mittels eines Piezokristall?». Die integrale Längenänderung entspricht der bekannten Längsmagnetostriktion, die im Falle des Nickels negativ ist. Bei hoher Auflösung der Längenänderung des Drahtes kann man auch mikroskopische Längenänderung beobachten, deren Ursache magnetostriktiv aktive Bloch-Wandbewegungen sind.

Diese Messung kann aber nur an dünnen Drähten in direkter Weise durchgeführt werden, solange einzelne Bloeh-Wand-Sprünge den größten Teil des Drahtquer Schnittes erfassen und so zu einer deutlichen Längenänderung beitragen und damit das Aufnehmersystem verstimmen können.

Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens werden sowohl oberflächennahe Zustände als auch Materialzuslände im Innern des Prüfobjektes bezüglich ihres Informationsinhaltes gleich abgebildet, da die induzier-

Mi ten Ultraschallemissionssignale in dem in Betracht kommenden Frequenzbereich kaum bedampft sind. Die induzierten Ultraschullcmissionssignalc sind im Gegensatz zu den elektromagnetischen Barkhausen-Ereignissen im Frequenzbereich 0— 5 MHz und bei Ausbrei

b5 tungswegen von $ 100 mm praktisch ungedämpft. Hieraus resultiert die große Analvsentiefe des Verfahrens. Die Abbildung von Malerialzuständen. /. Ii. Ver set/.ungsdichien, Ermüdungserscheinungen. Aussehe

dungsverteilungen, Duktil/Spröde, in Meßgrößen der induzierten Uitraschallemissionssignale ist dabei unabhängig von der Prüftiefe.

Durch Variation der Erregerfrequenz und/oder Betrages der Erregerfeidstärke kann die Eindringtiefe, bis zu der akustischen Signale emittiert werden, variiert werden. Durch geeignete akustische Aufnehmer (fokussicrende Prüfköpfe) können Ultraschallemissionssignale selektiv aus bestimmten Volumenelementen empfangen werden.

Die induzierten Ultraschallemissionssignale stellen eine vom magnetischen Rauschen unabhängige Meßgröße dar. Dies ist begründet in den unterschiedlichen mikro-physikalischen Prozessen, die das magnetische Barkhausen-Rauschen und die induzierten Ultraschallemissionssignale erzeugen. Nach der Phasentheorie von Trauble (Mod. Probleme el. Metallphysik/Hrsg.: A. Seeger/Springer Verlag 1966) kann die Hysteresekurve im Hinblick auf die ablaufenden mikromagnetischen Prozesse in unterschiedliche Bereiche aufgeteilt werden:

a) Im stellen Bereich der Hysteresekurve — meistens in der Umgebung von Hc — sind leicht bewegliche Bloch-Wände (vor allem I80°-Bloch-Wände) am Ummagnetisierungsprozeß beteiligt. Dieser Hystcrescabschnitt zeichnet sich durch große Barkhausen-Ereignisse (genauer: Barkhausen-Sprunggruppen) aus und liefert den Hauptbeitrag für die meßbaren magnetischen Barkhausen-Ereignisse.

b) In den »Kniebercichen« der Hysteresekurve treten neben Wandverschicbungen auch Drehprozesse auf. Die Wandverschiebungsprozesse werden jetzt von schwerer beweglichen Bloch-Wänden (z. b.

90"-Bloch-Wände) übernommen, bei denen die direkt benachbarten Domänen hinsichtlich ihrer Energiedichte und magneiostriktivcn Eigenschaften keine äquivalenten Bereiche darstellen (•~180°ßW/ Diese Unimagnetisierungsprozesse kommen somit vor allem für die Erzeugung von Schallemissionssignalen in Krage. Die eigenen experimentellen Ergebnisse zeigen, daß diese Signale vor allem in den oben beschriebenen Kniebereichen auftreten.

Aufgrund der unterschiedlichen Wechsclwirkungspro- 4-, /esse der Bloch-Wändc in den einzelnen Hystercscabschniticn stellen also die induzierten Uitraschallemissionssignale eine vom magnetischen Rauschen unabhängige Meßgröße dar, und dies in streng physikalischem Sinne.

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild des Mcßsystcms des Verfahrens. Ein durch ein bipolares Netzgerät und einen Funktionsgenerator gesteuerter Elektromagnet erzeugt beim Durchsteuern der Hysteresekurve im w untersuchenden Werkstoff indu/icrie Ultraschallcmissionssignale und magnetische Barkhausen-Signale. Diese Signale werden von zwei getrennten Aufnehmersystemen empfangen und weiterverarbeitet.

Die induzierten Ultraschullemissionssignale werden mit einem piezoelektrischen Schallemissionsaufnehmcr, t> <> der im Frequenzbereich 100—200 kHz maximale Empfindlichkeit aufweist, aufgenommen. Die Signale werden anschließend brcitbandig verstärkt und verschiedenen \11su erteeinheiien zugeführ (/. B. [{ffekiivweribildung. l-ret|uenzanalyse. Inipulslmlienanalyse). In den vorlie- t>'> L'enden Messungen wurde der Kffektivwcri der induzierten I Ntraschallemissionssignale über dem Erregerleid //.,aulgetragenf.Y Y-Schreiber).

Die magnetischen Barkhausen-Signale werden in an sich bekannter Weise mit einem elektromagnetischen Aufnehmer aufgenommen und anschließend analog den induzierten Ultraschallemissionssignalen, jedoch in einem Frequenzbereich / < 100 kHz, verarbeitet

Auf den F i g. 2 bis 4 sind Ergebnisse von Eichmessungen induzierter Ultraschallemissionssignale dargestellt; sie umfassen beispielsweise sowohl Spannungsmessungen als auch Messungen an drei unterschiedlichen Gefügezuständen. Mit diesen Eichkurven werden dann die Meßkurven unbekannter Proben verglichen.

Spannungsmessungen/Eigenspannungsmessungen
(F ig. 2)

Lastspannungen als auch Eigenspannungen erster Art beeinflussen über die magnetomechanische Wechselwirkung direkt die magnetische Domänenstruktur. Die mikrophysikalischen Veränderungen bilden sich dabei deutlich bei induzierten Ultraschallemissionssignalen ab. Dies ist für unterschiedliche Zugspannung

0<

mm'

<210

an einem Blech der Stahlgüte 22 NiMoCr 37 dargestellt. H., ist die durch einen Elektromagnet erzeugte Feldstärke: Ucii der Effektivwert der durch einen akustischen Aufnehmer aufgenommenen Ultraschallemissionssignale.

Die F i g. 2 zeigt die Abhängigkeit der induzierten Ultraschallemissionssignale im elastischen Spannungs-Dehnungs-Bereich. Man sieht, daß die Meßamplitude mit wachsender Zugspannung abnimmt. Liegt ein und derselbe Gefügezustand vor, so kann in diesem Fall, bei sonst gleichen Erreger- und Probengeometrien, eine Spannungsanalyse durchgeführt werden. Aus der Messung F i g. 2 kann nämlich der Betrag des ersten oder zweiten Maximums als Eichkurve verwendet werden. Damit wäre bei den angeführten Randbedingungen (Gefüge, Geometrie) eine quantitative Spannungsanalyse durchführbar.

Ändern sich die Abmessungen der zu untersuchenden Probe, so wird sich auch das nutzbare akustische Meßsignal ändern (Anteil an freien und geführten Wellen, keine ebene Anströmung des Probenabschnittes).

Beim gegenwärtigen Wissensstand wäre bei unverändertem Gefügezustand folgende Vorgehensweise sinnvoll:

— Es soll eine ausgedehnte Oberfläche auf Eigenspannungen untersucht werden:

a) Absolutwerte müssen durch ein eingeführtes zerstörendes Meßverhalten (DMS-Technik) aufgenommen werden.

b) Wird nun die Erregerfeldstärke/-Frequenz so gewählt, daß das erfaßte Volumen vergleichbar dem des zerstörenden Prüfverfahrens ist, können beide Meßgrößen verglichen werden.

c) Die ermittelten Referenzpunkte seien M\ und Mi (F i g. 3 rechts). Hätte die Meßkurve bei geänderter Probengeometrie die entsprechende Form wie die Eichkurvc (F i g. 3 rechts), so wären die übrigen Meßergebnisse durch die beiden zerstörend aufgenommenen Referenzpunkte festgelegt und eine quantitative Analyse möglich.

— lsi dies nicht der Fall, muß eine Eichmcssung bei

gleicher Geometrie vorgenommen werden.

— Ist der Unterschied in den Spannungsbeträgen ( 5 !00 N/mm⁷) gering, so hält sich der Fehler, wie er durch eine lineare Extrapolation zwischen den Referenzpunkten zustande kommt, ebenfalls in s Grenzen.

— Ändert sich zusätzlich das Gefüge (siehe unlen und folgende Seite, Absatz a, b).

Bei zusätzlicher Nutzung des magnetischen Barkhausen-Effektes wird die Aussage bezüglich der oberflächennahen Spannungszustände noch eindeutiger (Anregung Ha parallel und senkrecht zur Hauptspannungsrichtung).

In F i g. 3 sind Messungen des magnetischen Barkhausen-Effektes und der induzierten Ultraschallemissionssignale an einem Blech der Güte 22 NiMoCr 37 gegenübergestellt. Über der Zugspannung in N/mm² ist dabei das auf den spannungsfreien Zustand normierte Meßsignal aufgetragen. Als zusätzliche Variable ist die Riehtung des Erregerfeldes /■/., in bezug auf das eingeprägte Spannungsfeld (7+ eingetragen.

Im Gegensalz zur Meßgröße der induzierten Ultraschallemissionssignale, die in beiden Fällen (H || und H J.) abnimmt, zeigt der magnetische Barkhausen-Effekt eine starke Richtungsabhängigkeit. Damit sind mit dem magnetischen Barkhausen-Effekt Hauptspannungsrichtungen leicht feststellbar.

In Fig.4 sind die Effektivwerte der induzierten Ultraschallemissionssignale für drei näher beschriebene jo Werkstoffzustände dargestellt; in Fig.5 die entsprechenden Messungen unter Ausnutzung des magnetischen Barkhausen-Effektes.

a) Probe 1 liegt im vergüteten Zustand vor. Das Vergütungsgefüge besteht nach dieser Behandlung überwiegend aus einer Zwischenstufe mit kleinen Anteilen von Ferrit und Martensit. Das Zwischensiufengefüge besteht aus einem Ferritgitter mit mehr oder weniger feinverteilten FciC-Ausscheidüngen (Größenordnung μιη). Diesem Zustand entspricht auch das Blech in Fig. 2.

b) Probe 2, Überhitzungszyklus 13: Nach Überhitzung 13 (siehe F i g. 4 links oben) besteht das Gefüge je nach Schmelzenzusammensetzung aus etwa as 50—80% Martensit und entsprechenden Anteilen einer unteren Zwischenstufe. Der Martensit ist z. T. selbst angelassen. Insgesamt ist das Gefüge jedoch wesentlich härter als die Probe 1.

Der Ausscheidungszustand besteht überwiegend >o aus feinen FejC-Ausscheidungen (<1 nrn). Im angelassenen Martensit findet man feine nadelige Fe2-jC-Ausscheidungen (- 02 μπι).

c) Probe 3, Überhitzungszyklus 13 und 610°C/6 h.
Infolge der Anlaßbehandlung des überhitzten Gefügezustandes werden Resteigenspannungen abgebaut und wie bei Probe 1 die Härte durch Einformung und Vergröberung der Ausscheidungen verringert Der Ausscheidungszustand geht wieder in Richtung Ausgangsmaterial. t>o

Die in Fig.4 und 5 dargestellten Untersuchungen werden bei konstant gehaltenen Randbedingungen durchgeführt (Aussteuerung, Erregerfrequenz, Probengeometrie, ...). Die Einhüllenden der Meßkurven sind μ um die Hystereseöffnung (positiver und negativer Hystereseast) voneinander getrennt und zeigen einen charakteristischen Kurvenverlauf.

Man entnimmt der A b b. 4, daß Probe 1 am siärksk-n rauscht, während Probe 2 kaum Ullraschallemissionssignale cr/eugl. Nach der für Probe 3 beschriebenen Wärmebehandlung nähert sich die Probe 3 dem ursprünglichen Zustand der Probe I wieder an.

Bezogen auf das Maximum ergibt sich für die iiidu zierten UHraschallemissionssignnle die Probenreihenfolge 1—3 — 2. im Falle des magnetischen ßarkhuuscn-Rauschcns die Probenrcihcnfolge I — 2 — 3. Hieraus crgibl sich bereits eine eindeutige Charakterisierung di-r drei untersuchten Gelügc/ustände, weil sich die drei Werksioflzuslände in unterschiedlicher Weise (siehe ■/.. B. Reihenfolge der Maxima) abbilden.

Neben den Beträgen der Maxima können weitere Informationen aus dem Kurvenverlauf zur Charakterisierung des Gefügezustandes herangezogen werden, wie z. B. die Lage der Maxima, Probe 2 besitzt die größte Koer/itivfcldstärke: dies ist aus Fig. 5 über die hier verwendete Barkhausen-Meßgröße ersichtlich.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur zerstörungsfreien Feststellung von Werkstoffzuständen, bei dem in einer Probe ein quasi-stationäres Wechselfeld induktiv registrierbare magnetische Barkhausen-Signale erzeugt, d s durch gekennzeichnet, daß die durch die als magnetischer Barkhausen-Effekt bezeichneten irreversiblen Ummagnetisierungsprozesse in der Probe induzierten Ultraschallemissionssignale gemessen werden.

2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallemissionssignale gleichzeitig mit dem magnetischen Barkhausen-Effekt gemessen werden.

3. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindringtiefe, bis zu der die Ultraschallemissionssignale emittiert werden, in Abhängigkeit von der Frequenz und/oder von dem Betrag der Feldstärke des Wechselfeldes geändert wird.

4. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Anwendung zur mechanischen Spannungsanalyse.