DE4343225C2 - Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, wie es bei­ spielsweise aus der SU 934354 oder PCT WO 83/01836 bekannt ist.

Die (Um-) Magnetisierung eines Werkstoffes erfolgt durch das Ablaufen unterschiedli­ cher elementarer (mikroskopischer) Magnetisierungsvorgänge. In Eisenwerkstoffen tre­ ten drei unterschiedliche elementare Magnetisierungsvorgänge auf. Dies sind:

• 1. 180°-Bloch-Wände
• 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 systemati­ sche Abfolge dieser Elementarvorgänge.

Bekannte Meßverfahren zum Beobachten von Magnetisierungsvorgängen sind beispiels­ weise die magnetische Hysterese-Kurve (B-H-Kurve) und das magnetische Barkhausen­ rauschen.

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 durch­ geführt, der in eine Spannvorrichtung eingebaut ist, so kann die lastspannungsinduzierte Veränderung 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 (Cullity, 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 H_c wird keine Längenänderung beobachtet. Entsprechend der Phasentheorie nach Träuble verläuft die Magnetisierungsänderung bei H_c 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 H_c 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 Ummagne­ tisierung durch 90°-Bloch-Wände und 180°-Bloch-Wände. Eine Trennung der beiden elementaren 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 Ultraschallanregung nach der SU 947 738 bewirkt eine Änderung des Barkhausen- Rauschmeßsignals (90°- und 180°-Bloch-Wände), wobei aber eine getrennte Auswer­ tung von 90°-Bloch-Wänden und 180°-Bloch-Wänden nicht möglich ist. Dies ist ein entscheidender Nachteil, da die beiden Bloch-Wand-Typen unterschiedliche Informatio­ nen über die Mikrostruktur, d. h. die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs, besit­ zen 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 magne­ tostriktive Magnetisierungsvorgänge, also 90°-Bloch-Wände und Drehprozesse, von den im Material vorhandenen inneren Spannungen behindert werden. Die Amplitude der in­ neren Spannungen liegt in technischen Werkstoffen im Bereich von etwa 1 MPa und größer. Daher werden mit der in der SU 934354 bzw. PCT WO 83/01836 beschriebe­ nen Prüftechnik keine rein magnetostriktiven Ummagnetisierungsvorgänge ausgelöst, da Ultraschallwellen zur mechanischen Anregung des Prüflings verwendet werden, die nur Spannungsamplituden von ca. 0,01 bis 0,1 MPa erzeugen.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren dahingehend auszubilden, daß eine ge­ trennte Auswertung der Ummagnetisierung durch 90° und 180°-Bloch-Wände in Werk­ stücken berührungsfrei ermöglicht wird.

Erfindungsgemäß wird dies durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Überraschend hat sich gezeigt, daß es genügt, das Werkstück periodisch mit Schallwel­ len bis etwa 10 kHz, und mit Spannungsamplituden über 1 MPa zu beaufschlagen.

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 Magnetfeldanströmung des Werkstücks aus der gleichge­ richteten und geglätteten Meßkurve die Koerzitivfeldstärke H_c 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 f_Mag, die frei wählbar ist und z. B. bei f_Mag = 0.01-20 Hz liegt, zyklisch ummagnetisiert. Der Stößel des elektrischen Schwingerregers schlägt periodisch mit einer Frequenz f_Mech, die der magneti­ schen Erregerfrequenz f_Mag angepaßt ist und deutlich größer (f_Mech 10 f_Mag) 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, Abbil­ dung 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 947738 können durch die Verwendung der Magnetfeldmessung mit beseitigt werden. Dadurch ist es möglich, die von der mechanischen Anregung ausgelö­ sten Ummagnetisierungsvorgänge als Funktion der Magnetfeldstärke 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 (H_c) 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 Magnetfeldstärke und das Auftragen der Meßsignale als Funktion der Magnetfeldstärke 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 Magnetfeldstärke), 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 f_mech betrug 100 Hz und die Magnetisierungsfrequenz f_mag 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 Meßsi­ gnal der Ummagnetisierungsvorgänge induktiv gemessen wird, und das Werk­ stück periodisch mittels eines mechanischen Erregers mit Schallwellen beauf­ schlagt wird und gleichzeitig das Magnetfeld gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung der den 90°- und 180°-Bloch-Wanddrehungen zugeordneten Meßsignale Schallwellen bis etwa 10 kHz mit Spannungsamplituden über 1 MPa erzeugt werden.

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 Impulsbreite und Impulshöhe steuerbar ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal unter Berücksichtigung der Vorzeichen vor der Gleichrichtung des Meßsignals integriert wird.