Ανάπτυξη ηλεκτρομαγνητικών τεχνικών μη καταστροφικών δοκιμών σε μαγνητικά μεταλλικά υλικά

Abstract

Changes in the stress state of the material during the action of external force or after a certain mechanical history, result in microstructural alterations, with the most important being the generation and propagation of dislocations which form areas of different dislocation density that may consist possible crack starting points. The generated stress field is directly related to the characteristics of the minor magnetic hysteresis loops, from the linear area of the magnetization curve to the saturated magnetic loop, in quasi-static measurement conditions. The same effect is represented to the Barkhausen noise, a phenomena that reflects to the number of the irreversible magnetic events during the magnetization procedure. Consequently, it is possible to correlate the changes of the magnetic properties with the degree of deformation, taking account the known initial magnetic anisotropy of the magnetic material, and estimate non destructively the probability of material failure. The measurements of magnetic hysteresis loops were realized in an hysteresiograph which was designed and developed in the laboratory. The set up is based on the principle of the closed magnetic circuit, where the receiving coil is winded in the material to be measured and the excitation is realized through a coil surrounding either to the material to be measured or to the core (Π shape) that is used to close the magnetic circuit. Experimental procedure in the measurement of magnetic hysteresis loop and Barkhausen noise as a function of the plastic deformation of the specimens is divided in to measurements under uni-axial stress (on-line) and in to measurements after unloading the specimens. Moreover concerning the set up arrangement it is sub-divided to the case that the excitation is taking place with the use of an electromagnet (in the Barkhausen noise this is a point measurements) and to the case that this is accomplish through a surrounding coil. As a material for testing it has been chosen a steel of very low carbon content (Armco steel) which after scanning electron microscopy proved to contain also a small percentage of precipitates (some steel carbides). After initial magnetic softening of the material (1-5 MPa), we observe a tendency of the material to a further magnetic softening almost until the yield proof strength at 170-175 MPa, and then a reversal to magnetic hardening. This behavior is expected according to the magnetic theory and is explained, for the positive magnetostrictive materials, by a change of block wall orientation from 90° to 180°, which have higher mobility in elastic region of the stress-strain diagram. The magnetoelastic energy is responsible for this behavior which can be considered as an effective field. Changes of the Barkhausen noise signal and its parameters are affected more by the value of external load and no tof the degree of deformation. Moreover it is pointed that for deformation above 0,7% (respective stress equals 175 MPa) the slope of count data divides the diagram in two different reasons as the case of coercive field in magnetic hysteresis loop. Moreover, it is demonstrated that point measurements can give information about the local distribution of material stresses. It is a fact that the methods presented in this thesis can be used complementary in order to assure, under specific circumstances, the real representation of the magnetic state of the material which is related to the mechanical behavior and determines the possibility of safe usage in constructions.

Οι μεταβολές της εντατικής κατάστασης κατα τη διάρκεια επιβολής εξωτερικής τάσης ή μετά από ένα δεδομένο ιστορικό φόρτισης του υλικού μεταφράζεται σε μικροδομικές αλλαγές με πιο καθοριστική την δημιουργία και τη διάδοση διαταραχών σε όλο τον όγκο και την εμφάνιση περιοχών συγκέντρωσης διαταραχών που αποτελούν πιθανά σημεία έναρξης ρωγμών. Η διαμορφωθείσα κατάσταση του πεδίου των τάσεων σχετίζεται άμεσα με τα χαρακτηριστικά των ελασσόνων βρόχων μαγνητικής υστέρησης, από την γραμμική περιοχή μαγνήτισης έως τον μέγιστο βρόχο, σε στατικές ή καλύτερα οιωνοί-στατικές συνθήκες μέτρησης. Ανάλογη επίδραση υφίσταται και ο θόρυβος Barkhausen που απεικονίζει ουσιαστικά τον αριθμό των μη αντιστρεπτών μαγνητικών συμβάντων κατά τη διαδικασία τεχνητής μαγνήτισης. Έτσι είναι δυνατή η συσχέτιση της μεταβολής των μαγνητικών ιδιοτήτων με την παρομόρφωση, με δεδομένη την αρχική μαγνητική ανισοτροπία του μαγνητικού υλικού και κατά συνέπεια είναι δυνατή η έμμεση, μη καταστροφική, ένδειξη της προδιάθεσης του να αστοχήσει. Οι μετρήσεις των μαγνητικών βρόχων υστέρησης πραγματοποιήθηκαν σε υστερησιογράφο που σχεδιάστηκe και αναπτύχθηκε στο εργαστήριο. Η διάταξη στηρίζεται στην αρχή του κλειστού μαγνητικού κυκλώματος, όπου το πηνίο λήψης είναι τυλιγμένο γύρω από το προς μέτρηση υλικό ενώ η διέγερση επιβάλλεται από πηνίο που περιβάλλει είτε το ίδιο το προς μέτρηση δείγμα, είτε τον πυρήνα που χρησιμεύει στο να κλείνει το μαγνητικό κύκλωμα. Η πειραματική διαδικασία στην μέτρηση των βρόχων υστέρησης και του θορύβου Barkhausen συναρτήσει της πλαστικής παραμόρφωσης των δοκιμίων διαχωρίζεται σε μετρήσεις δοκιμίων υπό μονοαξονική φόρτιση (on-line μετρήσεις) και σε μετρήσεις δοκιμίων μετά την μονοαξονική τους φόρτιση (off-line μετρήσεις), ενώ συναρτήσει της πειραματικής διάταξης στην περίπτωση διέγερσης με ηλεκτρομαγνήτη (για την περίπτωση του θορύβου η μέτρηση αυτή είναι σημειακή) και αντίστοιχα με διέγερση αξονικού πηνίου. Επιλέχτηκε ως υλικό των δοκιμών ο χάλυβας πολύ χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα Armco ο οποίος, όπως φαίνεται και απο την εξέταση στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, χαρακτηρίζεται απο την παρουσία μικρού ποσοστού κατακρημνισμάτων. Εκτός από την αρχική μαλάκωση του υλικού στα 1-5 MPa, στην συνέχεια παρατηρείται μια τάση του υλικού να μαλακώσει περαιτέρω μαγνητικά μέχρι περίπου το ελαστικό όριο των 170-175 MPa και στην συνέχεια μια τάση να σκληραίνει. Αυτή η απόκριση συμφωνεί με την μαγνητική θεωρία και εξηγείται, στο θετικά μαγνητοσυστολικό υλικό, με την αλλαγή προσανατολισμού των μαγνητικών τοιχωμάτων από τοιχώματα 90° σε τοιχώματα 180° που είναι πιο ευκίνητα στην ελαστική περιοχή της φόρτισης. Η μαγνητοελαστική ενέργεια είναι υπεύθυνη γι’ αυτή την συμπεριφορά και την προσφορά ενός θετικού φαινόμενου πεδίου. H μεταβολή του σήματος Barkhausen και των παραμέτρων του επηρεάζεται περισσότερο από την τιμή του εξωτερικού φορτίου και λιγότερο από την παραμόρφωση. Επίσης παρατηρείται ότι για παραμόρφωση μεγαλύτερη από 0.7% (που αντιστοιχεί σε τάση ~175 MPa) η κλίση της απόκρισης αλλάζει, χωρίζοντας ουσιαστικά τα διαγράμματα σε δύο διαφορετικές περιοχές, όπως και στην περίπτωση του συνεκτικού πεδίου του βρόχου υστέρησης. Επιπλέον, σημειακές μετρήσεις αποδεικνύεται ότι δίνουν πληροφορίες για την τοπική κατανομή των τάσεων στο υλικό. Είναι γεγονός ότι οι μέθοδοι που παρουσιάζονται στη διατριβή μπορούν κατα περίπτωση να λειτουργήσουν συμπληρωματικά εξασφαλίζοντας αντικειμενικότερη χαρτογράφηση της μαγνητικής κατάστασης του υλικού και αντιστοίχισης τους με τη μηχανική του συμπεριφορά από την οποία εξαρτάται η δυνατότητα χρήσης του στις κατασκευές.