DE4343225A1 - Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung - Google Patents
Verfahren zur zerstörungsfreien WerkstoffprüfungInfo
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Description
Die Erfindung betriffi ein Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, wie es beispiels
weise aus der SU 947 738 bekannt ist.
Die (Um-)Magnetisierung eines Werkstoffes erfolgt durch das Ablaufen unterschiedlicher
elementarer (mikroskopischer) Magnetisierungsvorgänge. In Eisenwerkstoffen treten drei
unterschiedliche elementare Magnetisierungsvorgänge auf. Dies sind:
1. 180°-Bloch-Wände
2. 90°-Bloch-Wände
3. Drehprozesse.
2. 90°-Bloch-Wände
3. Drehprozesse.
Nach der Phasentheorie von Träuble in Seeger, A.: Moderne Probleme der Metallphysik, Bd.
2, Springer, Berlin 1996, verläuft der Magnetisierungsvorgang durch eine systematische
Abfolge dieser Elementarvorgänge.
Bekannte Meßverfahren zum Beobachten von Magnetisierungsvorgängen sind beispiels
weise die magnetische Hysterese-Kurve (B-H-Kurve) und das magnetische Barkhausenrau
schen.
Die einfachste Art des Aufbringens einer mechanischen Spannung an den Prüfling ist es, ihn
in eine Spannvorrichtung einzubauen.
Werden nun Messungen mit den obengenannten Meßverfahren an einem Prüfling durchge
führt, der in eine Spannvorrichtung eingebaut ist, so kann die lastspannungsinduzierte Ver
änderung bestimmt werden.
Sowohl für die B-H-Kurve als auch für das magnetische Barkhausenrauschen werden bei Va
riation der Lastspannung signifikante Veränderungen festgestellt.
Der grundlegende physikalische Effekt, der die Wechselwirkung zwischen magnetischen
und mechanischen Vorgängen beschreibt, ist die Magnetostriktion. Sie besagt daß die
Länge eines Ferromagneten von seiner Magnetisierung abhängt.
Der hierzu inverse Effekt wird als magnetomechanischer Effekt, manchmal auch als inverser
magnetostriktiver Effekt, bezeichnet (Cullitya B.D.: Introduction to Magnetic Materials. Adi
son-Wesley Reading, Mass. 1972). Man versteht hierunter die Erscheinung, daß die Magne
tisierung eines Ferromagneten durch Dehnungen oder mechanische Spannungen beeinflußt
wird.
Wie aus Lehrbüchern bekannt ist, können mechanische Spannungen oder Dehnungen nur
magnetostriktive Ummagnetisierungsvorgänge beeinflussen. Das sind solche Magnetisie
rungsvorgänge, bei denen die Magnetisierungsänderung zu einer Längenänderung der ma
gnetischen Domäne führt. In Eisenwerkstoffen sind dies 90°-Bloch-Wände und Drehpro
zesse.
Magnetostriktive Längenänderungen können beispielsweise mit Hilfe eines Dehnungsmeß
streifens beobachtet werden. Bei zyklischer Magnetisierung werden im gesamten Feldstär
kebereich magnetostriktive Längenänderungen registriert. Nur im Bereich der Koerzitivfeld
stärke Hc wird keine Längenänderung beobachtet. Entsprechend der Phasentheorie nach
Träuble verläuft die Magnetisierungsänderung bei Hc über die Bewegung von 180°-Bloch-
Wänden. Sie sind nicht magnetostriktiv und folglich tritt keine magnetostriktive Längenände
rung auf.
In technischen Stählen wird das Maximum des magnetischen Barkhausenrauschens im Be
reich der Koerzitivfeldstärke Hc gemessen. Trotzdem (hier verläuft die Ummagnetisierung
über 180°-Bloch-Wände) zeigt das Maximum des magnetischen Barkhausenrauschens eine
große Spannungsabhängigkeit. Dies liegt darin begründet, daß die Bewegung von 180°
Bloch-Wänden nicht isoliert betrachtet werden kann, sondern von der Bewegung von 90°.
Bloch-Wänden beeinflußt wird.
Das magnetische Barkhausenrauschen gibt folglich eine Information über die Ummagneti
sierung durch 90°-Bloch-Wände und 180°-Bloch-Wände. Eine Trennung der beiden elemen
taren Ummagnetisierungsvorgänge ist hierbei nicht möglich.
Wie erläutert, werden durch die mechanische Anregung sowohl 90°-Bloch-Wände als auch
indirekt über die Ummagnetisierungsvorgänge 180°-Bloch-Wände beeinflußt. Die Ultra
schallanregung nach der SU 947 738 bewirkt eine Änderung des Barkhausen-Rauschmeß
signals (90°- und 180°-Bloch-Wände), wobei aber eine getrennte Auswertung von 90°-Bloch-
Wänden und 180°-Bloch-Wänden nicht möglich ist. Dies ist ein entscheidender Nachteil, da
die beiden Bloch-Wand-Typen unterschiedliche Informationen über die Mikrostruktur, d. h.
die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs, besitzen bzw. ergeben.
Aus der Literatur Smith, G.W., Birchak, J.R.: J.Appl. Phys. 39 (1968), 2311 und Smith, G.W.,
Birchak, J.R.: J.Appl. Phys. 40 (1969), 5174 ist weiterhin bekannt, daß magnetostriktive Ma
gnetisierungsvorgänge, also 90°-Bloch-Wände und Drehprozesse, von den im Material vor
handenen inneren Spannungen behindert werden. Die Amplitude der inneren Spannungen
liegt in technischen Werkstoffen im Bereich von etwa 1 MPa und größer. Daher werden mit
der in der SU 947 738 beschriebenen Prüftechnik keine rein magnetostriktiven Ummagneti
sierungsvorgänge ausgelöst, da Ultraschallwellen zur mechanischen Anregung des Prüf
lings verwendet werden, die nur Spannungsamplituden von ca. 0,01 bis 0,1 MPa erzeugen.
Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren dahingehend auszubilden, daß nur die Längs
magnetostriktion in Werkstücken berührungsfrei untersucht werden kann.
Erfindungsgemäß wird dies durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Aus
gestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Überraschend hat sich gezeigt, daß es genügt, das Werkstück mechanisch mit Schallwellen
zu beaufschlagen, was im einfachsten Fall über einen mechanischen Stößel, mit dem pe
riodisch Schallwellen bis etwa 10 kHz auf das Werkstück übertragen werden, erfolgen kann,
und das Magnetfeld zu messen.
Gem. Anspruch 2 sind auch Anregungsformen mittels Laser möglich.
Besonders gute Resultate werden erzielt, wenn gemäß Anspruch 3 Schallwellenimpulse in
das Werkstück eingeleitet werden.
Insbesondere das akustische Barkhausen-Rauschen ergibt nur einen sehr kleinen Meßef
fekt, ist jedoch sehr störanfällig in Bezug auf Störgeräusche aus der Umgebung oder me
chanische Erschütterung.
Das neue Verfahren hat gegenüber dem akustischen Barkhausenrauschen und der magne
tostriktiven Messung mit Dehnungsmeßstreifen insbesondere den Vorteil, daß die Signale,
z. B. von magnetostriktiven Ummagnetisierungsvorgängen, sehr einfach, z. B. mit Luftspulen,
Tonbandköpfen etc., berührungsfrei empfangen werden können.
Weiterhin kann bei homogener Magneffeldanströmung des Werkstücks aus der gleichge
richteten und geglätteten Meßkurve die Koerzitivfeldstärke Hc abgeleitet werden.
Im folgenden soll kurz das erfindungsgemäße Verfahren erläutert werden, wobei die Ein
fachheit des Verfahrens für sich spricht.
Abb. 1 zeigt das Blockschaltbild der Meßeinrichtung, Abb. 1a eine Variante der
Meßeinrichtung.
Das zu untersuchende ferromagnetische Werkstück (1) wird durch einen Elektromagneten
(3), der mit einem bipolaren Netzgerät (4) und einem Funktionsgenerator (5) verbunden ist,
periodisch magnetisiert. Auf der Oberfläche des Werkstücks befindet sich mittig zwischen
den Polen des Elektromagneten (3) ein Hallelement (2) zur H-Feldmessung und ein indukti
ver Aufnehmer (2) (z. B. eine Luftspule). Die mechanische Anregung der Probe erfolgt z. B.
mittels eines Stößels eines elektrischen Schwingerregers (6), der von einem Funktionsgene
rator (8) über einen Verstärker (7) angesteuert wird.
Das ferromagnetische Werkstück wird mit einer magnetischen Erregerfrequenz fMag, die frei
wählbar ist und z. B. bei fMag = 0.01-20 Hz liegt zyklisch ummagnetisiert. Der Stößel des
elektrischen Schwingerregers schlägt periodisch mit einer Frequenz fMech, die der magneti
schen Erregerfrequenz fMag angepaßt ist und deutlich größer (fMech 10 fMag) als diese
ist, auf dem Wertstück auf. Durch diese mechanische Erregung wird eine im Werkstück sich
ausbreitende Schallwelle erzeugt.
Diese Schallwelle wechselwirkt mit magnetostriktiven Bloch-Wänden und Drehprozessen.
Durch diese Zusatzanregung werden Ummagnetisierungsvorgänge ausgelöst, die mit dem
induktiven Aufnehmer nachgewiesen werden. Die von dem induktiven Aufnehmer empfan
genen Signale werden verstärkt (9-11) und in einem breiten Frequenzband (0.1 kHz-1
kHz) schmalbandig analysiert. Nach einer Gleichrichtung und Tiefpaßfilterung (12) werden
diese Signale z. B. auf einem XY-Schreiber (14) in Abhängigkeit von der gemessenen Ma
gnetfeldstärke (13) dargestellt.
Gemäß Abb. 1 erfolgt die Anregung durch den Stößel seitlich am Werkstück, Abb.
1a zeigt eine Variante der Anordnung, wobei der Stößel (3) durch eine Öffnung im Auf
nehmer (2) das Werkstück (1) beaufschlagt.
Die Mängel nach der SU 947 738 können durch die Verwendung der Magneffeldmessung
mit beseitigt werden. Dadurch ist es möglich, die von der mechanischen Anregung ausgelö
sten Ummagnetisierungsvorgänge als Funktion der Magneffeldstärke aufzuzeichnen. Ent
sprechend der Phasentheorie von Träuble können die 90°- und 180°-Bloch-Wände unter
schiedlichen H-Feldbereichen zugeordnet werden.
Die weiterhin erfindungsgemäß verwendete mechanische Anregung erzeugt Spannungsam
plituden von einigen MPa und größer. Die Spannungsamplituden sind damit groß genug,
um magnetostriktive Magnetisierungsvorgänge trotz der Behinderung durch die inneren
Spannungen auszulösen.
Ein Ausführungsbeispiel einer Messung zeigt Abb. 2. Die Meßkurve 1 zeigt das Meßsignal
für das magnetische Barkhausen-Rauschen. Die Meßkurve 2 erhält man nach dem
Einschalten der mechanischen Schwingungsanregung. Man erkennt, daß im Bereich des
maximalen Barkhausen-Rauschens (Hc) nur eine sehr geringe Signalanhebung zu erkennen
ist. Dies ist verständlich, da die Ummagnetisierung in diesem H-Feldbereich über die
Bewegung von 180°-Bloch-Wänden erfolgt. In den benachbarten H-Feldbereichen wird eine
starke
Signalanhebung registriert. Hier läuft die Ummagnetisierung entsprechend der Phasentheo
rie von Träuble ausschließlich über die magnetostriktiven 90°-Bloch-Wände. Dies erklärt die
deutliche Signalanhebung.
Durch das Messen der Magneffeldstärke und das Auftragen der Meßsignale als Funktion der
Magneffeldstärke ist es möglich, den Einfluß der mechanischen Anregung auf die 90°-Bloch-
Wände und die 180°-Bloch-Wände getrennt zu ermitteln.
Das so registrierte Meßsignal ist proportional der Steigung der Längsmagnetostriktionskurve
(Längsmagnetostriktion als Funktion der Magneffeldstärke), es weist daher rein magneto
striktive Ummagnetisierungsvorgänge nach.
In Abb. 3 ist dargestellt, wie sich das im Frequenzband 0,1-1 kHz aufgenommene
Meßsignal bei Gefügeänderungen desselben Werkstückes systematisch verändert. Ausge
hend von einem martensitischen Gefüge ergibt sich mit zunehmender Anlaßzeit eine konti
nuierliche Meßsignalveränderung.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es, wie man aus Abb. 3 ersieht, möglich,
verschiedene Gefüge zu charakterisieren und bei dem fertig produzierten Werkstück eventu
elle Fehler durch falsche Wärmebehandlung zu erkennen.
Abb. 4a zeigt die Meßkurve des magnetomechanischen Effektes. Die Signale, die vom
induktiven Aufnehmer registriert werden, wurden auf den Analysierfrequenzbereich von 0,1-
1 kHz begrenzt. Die mechanische Anregungsfrequenz fmech betrug 100 Hz und die
Magnetisierungsfrequenz fmag betrug 0,05 Hz.
Abb. 4 zeigt die Kurve die man durch Integration, unter Berücksichtigung der Vorzei
chen, des Meßsignals in Abb. 4a erhält. Da das Meßsignal in Abb. 4a durch Gleichrichtung
aus dem hochfrequenten Meßsignal entsteht, geht die Information über das Vorzeichen ver
loren. Diese Information muß für die Integration berücksichtigt werden.
Vergleicht man die Signalkurve aus Abb. 4b mit der Meßkurve der Längsmagnetostriktion in
Abb. 4c (gemessen mit einem Dehnungsmeßstreifen), so ergibt sich eine weitgehende
Übereinstimmung der Signalkurven. Man erkennt, daß die Längsmagnetostriktion mit dieser
Versuchstechnik berührungsfrei gemessen werden kann.
Ebenso ist die Bestimmung von Eigenspannungen mit Hilfe des Verfahrens möglich.
Bei gehärteten Werkstücken kann man mit Hilfe dieses neuen Verfahrens die Randhärtetiefe
bestimmen.
Claims (5)
1. Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, wobei ein ferromagnetisches
Werkstück in einem periodischen Magnetfeld magnetisiert wird und das Meßsignal
der Ummagnetisierungsvorgänge induktiv gemessen wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Werkstück periodisch mittels eines mechanischen Erregers mit Schallwellen
bis etwa 10 kHz beaufschlagt wird und gleichzeitig das Magnetfeld gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schallwellen mittels eines Lasers in dem Werkstück erzeugt werden.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schallwellen impulsförmig angeregt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die lmpulsbreite und lmpulshöhe steuerbar ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Meßsignal unter Berücksichtigung der Vorzeichen vor der Gleichrichtung
des Meßsignals integriert wird.
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