Συσχέτιση μαγνητικών και μηχανικών ιδιοτήτων με μικροδομή σε συγκολλήσεις φερρομαγνητικών χαλύβων

Abstract

Non-destructive testing - NDT is used to describe methods, which can be applied to a construction or a test specimen, without compromising the usefulness of the material. Most of the non-destructive methods evaluate an intrinsic property of the material. The increasing applications of non-destructive testing on industrial scale intensify the effort to bring the existing methods in given quality standards. Therefore, a suitable sensor for non-destructive testing should be able to identify those parameters, which are crucial in detecting possible faults or defects.Compared to other non destructive methods, testing by magnetic sensors has a distinct advantage, which is common only in destructive testing methods: the intrinsic magnetic properties are affected by the same microstructural parameters and present a similar sensitivity to the existence of residual stresses within a material as mechanical properties do. However, magnetic techniques are applicable only to ferromagnetic materials.Although there are many scientific articles describing the correlation of magnetic and mechanical properties, there are only few reports describing the determination of residual stresses via magnetic techniques. In addition, reports on predictions of the spatial distribution of the residual stresses in welded ferromagnetic samples are rather limited.The scope of the present dissertation was to correlate the microstructural features with both mechanical and magnetic properties in ferromagnetic welded steels, as well as to investigate the proper selection criteria for developing a suitable methodology for the accurate determination of residual stresses existing in welded parts.Magnetic non-destructive testing took place by the use of two magnetic non-destructive techniques: by the measurement of the magnetic Barkhausen noise and by the evaluation of the magnetic hysteresis loop parameters. All magnetic parameters were then correlated to microstructural characteristics, such as the volume fraction of the dominant phase and of microstructural constituents, the grains’ morphology, the distribution of the average grain size and the dislocations’ density. The results were commented on the basis of the response of mechanical properties, such as hardness, yield strength, ultimate tensile stress and elongation. The collection of such data had, of course, a catalytic importance to the effective and efficient characterization of welded samples in a non-destructive manner.Finally, the spatial distribution of residual stresses in welded metal parts by both non-destructive magnetic methods and two diffraction methods was determined. The conduction of magnetic measurements required an initial calibration of ferromagnetic steels. Based on the examined volume of the sample, all methods used were divided into two large categories: the first one was related to the determination of surface residual stress, whereas the second one was related to bulk residual stress determination.Τhe first category included the magnetic Barkhausen noise and the X-ray diffraction measurements, while the second one included the magnetic permeability and the neutron diffraction data.

Ο όρος «μη-καταστροφικές δοκιμές» (non-destructive testing, NDT) χρησιμοποιείται για να περιγράψει μεθόδους δοκιμών, που μπορούν να εφαρμοστούν σε μια κατασκευή ή ένα υπό εξέταση δοκίμιο, χωρίς να διακυβεύεται η χρησιμότητα του υλικού. Οι περισσότερες μη-καταστροφικές μέθοδοι είναι έμμεσες, καθώς μετρούν μια εγγενή ιδιότητα του υλικού. Οι όλο και αυξανόμενες απαιτήσεις εφαρμογής των μη καταστροφικών ελέγχων σε βιομηχανική κλίμακα, εντείνει την προσπάθεια συμμόρφωσης των υπαρχουσών μεθόδων σε δεδομένες προδιαγραφές ποιότητας. Αυτό σημαίνει, ότι οι αισθητήρες μη καταστροφικού ελέγχου απαιτείται να έχουν τη δυνατότητα να προσδιορίσουν εκείνες τις παραμέτρους, που θα τους καταστήσουν ικανούς να εντοπίσουν τυχόν αστοχίες ή ατέλειες. Σε σχέση με τις υπόλοιπες μη καταστροφικές μεθόδους ελέγχου, ο έλεγχος μέσω μαγνητικών αισθητήρων έχει ένα διακριτό πλεονέκτημα, το οποίο απαντά μόνο σε καταστροφικές δοκιμές: οι εγγενείς μαγνητικές ιδιότητες επηρεάζονται από τις ίδιες μικροδομικές παραμέτρους και μάλιστα, είναι το ίδιο ευαίσθητες με τις μηχανικές ιδιότητες στην παρουσία παραμενουσών τάσεων στο υλικό. Ωστόσο, οι μαγνητικές τεχνικές εφαρμόζονται μόνο σε σιδηρομαγνητικά υλικά.Αν και υπάρχει πλήθος δημοσιευμένων άρθρων που περιγράφει τη συσχέτιση των μαγνητικών και των μηχανικών ιδιοτήτων, υπάρχουν ελάχιστες αναφορές που να περιγράφουν τον προσδιορισμό των παραμενουσών τάσεων με τις μαγνητικές τεχνικές. Μάλιστα, η πρόβλεψη της χωρικής κατανομής των παραμενουσών τάσεων σε συγκολλημένα δείγματα σιδηρομαγνητικών χαλύβων είναι περιορισμένη. Η διατριβή αυτή στοχεύει στη συσχέτιση των μικροδομικών χαρακτηριστικών με τις μηχανικές και μαγνητικές ιδιότητες σε συγκολλημένους χάλυβες με σιδηρομαγνητική συμπεριφορά, καθώς επίσης και στη διερεύνηση της επιλογής της κατάλληλης μεθοδολογίας για την πρόβλεψη του τασικού πεδίου που αναπτύσσονταν στα συγκολλημένα μέρη. Ο μαγνητικός μη καταστροφικός έλεγχος πραγματοποιήθηκε μέσω της χρήσης δύο μαγνητικών μη-καταστροφικών τεχνικών: της μέτρησης του μαγνητικού θορύβου Barkhausen και της μέτρησης των μαγνητικών παραμέτρων του βρόχου υστέρησης. Λαμβάνοντας όλες τις μαγνητικές παραμέτρους πραγματοποιήθηκε η συσχέτισή τους με μικροδομικά χαρακτηριστικά όπως, το κλάσμα όγκου συμμετοχής των κυρίαρχων φάσεων και των μικροδομικών συστατικών, η μορφολογία των κόκκων, η κατανομή του μέσου μεγέθους των κόκκων, η γωνία αναντιστοιχίας, η πυκνότητα των διαταραχών. Στη συνέχεια, τα παραπάνω συμπεράσματα σχολιάστηκαν με βάση την απόκριση των μηχανικών ιδιοτήτων, όπως η σκληρότητα, το όριο διαρροής, η μέγιστη εφελκυστική τάση θραύσης και η επιμήκυνση. Η συλλογή όλων αυτών των πληροφοριών έχει καταλυτική σημασία στον αποτελεσματικό και επαρκή χαρακτηρισμό των συγκολλημένων δειγμάτων, με μη καταστροφικό τρόπο.Τέλος, προσδιορίστηκε η χωρική κατανομή των παραμενουσών τάσεων στα συγκολλημένα μεταλλικά μέρη, με τη χρήση των δύο μαγνητικών μη καταστροφικών μεθόδων και δύο μεθόδων περίθλασης. Για την πραγματοποίηση των μαγνητικών μετρήσεων απαιτούνταν πρώτα η κατάλληλη βαθμονόμηση των σιδηρομαγνητικών χαλύβων. Οι συνολικά τέσσερις μέθοδοι που επιλέχθηκαν, ομαδοποιούνταν σε δύο κατηγορίες, με βάση των όγκο της δειγματοληψίας: η πρώτη αναφέρεται στον επιφανειακών προσδιορισμό των τάσεων, ενώ η δεύτερη στον μονολιθικό. Οι μετρήσεις στην πρώτη κατηγορία πραγματοποιήθηκαν με τη μαγνητική μέθοδο του θορύβου Barkhausen και της περιθλασιμετρίας ακτίνων X, ενώ στη δεύτερη με τη μέθοδο της διαφορικής μαγνητικής διαπερατότητας και της περίθλασης νετρονίων.