Pobierz

Solidification of Metals and Alloys,
Year 2000, Volume 2, Book No. 44
Krzepnięcie Metali i Stopów,
Rok 2000, Rocznik 2, Nr 44
PAN – Katowice PL ISSN 0208-9386
70/44
NOWE ZASTOSOWANIA EFEKTU BARKHAUSENA DO
WYZNACZANIA STANU NAPRĘŻEŃ W WARSTWIE
WIERZCHNIEJ ODLEWÓW I CZĘŚCI MASZYN
K. POMORSKI 1
Compex
J. KUBICKI2; A. DROTLEW3
Politechnika Szczecińska
STRESZCZENIE
Praca dotyczy zastosowań efektu Barkhausena do identyfikacji stanu naprężeń
w materiałach ferromagnetycznych. Opisano zasadę działania aparatury pomiarowej, oraz
prototypowego urządzenia wyznaczającego kierunki naprężeń głównych. Przedstawiono
wyniki badań rozkładu wartości skutecznej napięcia szumu Barkhausena dla pewnych
aplikacji przemysłowych w układzie współrzędnych biegunowych, oraz omówiono
możliwości jej zastosowania w metaloznawstwie.
1.
WSTĘP
W przemyśle odlewniczym znany jest efekt powstawania naprężeń własnych
w wyniku hamowania swobodnego skurczu odlewów. Wypadkowy stan występujących
naprężeń w odlewach może być sumą czynników mechanicznych, cieplnych i
strukturalnych materiału. Szybkie i dokładne określenie powstałych naprężeń w procesie
technologicznym tworzyw ferromagnetycznych umożliwia zastosowanie metody
wykorzystującej magnetyczne zjawisko Barkhausena.
1
Dr inż.; e-mail: [email protected].
Dr hab. inż.; e-mail: [email protected].
3
Dr inż.; e-mail: [email protected].
2
516
Materiał ferromagnetyczny zbudowany jest z niewielkich obszarów spontanicznie
namagnesowanych do nasycenia, tzw. obszarów Weissa lub domen magnetycznych
ograniczonych ścianami Blocha. Bez oddziaływania zewnętrznego pola magnetycznego
wypadkowa momentów magnetycznych wszystkich domen jest równa zeru. Zewnętrzne
pole magnetyczne prowadzi do uporządkowania położenia domen w taki sposób, aby
wektory namagnesowania poszczególnych domen ustawiły się równolegle do kierunku pola
magnetycznego. Przemieszczanie się ścian Blocha i obrót domen ograniczane jest przez
defekty struktury krystalicznej, wtrącenia niemetaliczne, niejednorodności składu
chemicznego materiału, itp. Dla przezwyciężenia tych ograniczeń należy domenom
dostarczyć odpowiedniej ilości energii za pośrednictwem zewnętrznego pola
magnetycznego. Przy dalszym zwiększaniu natężenia pola, granice domeny (ściany Blocha)
po uzyskaniu odpowiedniej energii pokonują te przeszkody i przemieszczają się dalej bez
dalszego wzrostu energii pola. Ruch domen odbywa się skokowo, a nie w sposób ciągły.
Nieodwracalne (skokowe) zmiany położenia domen magnetycznych powodują lokalne
zakłócenia indukcji
magnetycznej w jej otoczeniu. W pobliżu powierzchni
przemagnesowywanego ferromagnetyka (do głębokości około 80µm) zakłócenia te mogą
być rejestrowane w formie impulsów napięcia indukowanego w przetworniku pomiarowym,
zbliżonym do jego powierzchni. Suma poszczególnych impulsów elementarnych daje tzw.
szum magnetyczny(szum Barkhausena). Nieregularna siła elektromotoryczna indukowana w
przetworniku, po wzmocnieniu we wzmacniaczu może być słyszalna w głośniku jako
pojedyncze trzaski albo szum. Zjawisko to, odkryte przez Henricha Barkhausena w roku
1917 zostało opisane po raz pierwszy w 1919 r. [1]. Przeprowadzone przez Barkhausena
doświadczenie przedstawione jest schematycznie na rys.1.
Rys.1. Doświadczenie Barkhausena: magnes trwały, 2 - badana próbka, 3 - uzwojenie pomiarowe, 4 wzmacniacz, 5 - głośnik
Fig.1. Barkhausen's experiment: 1 - magnet, 2 - tested sample, 3 - measuring insulation, 4 -amplifier, 5
- loud speaker
Doświadczalnie stwierdzono występowanie korelacji pomiędzy pewnymi
wielkościami fizycznymi a parametrami szumu Barkhausena m.in. naprężeniami
mechanicznymi i odkształceniami materiału [3].
Ze względu na złożoność procesu magnesowania, próby tworzenia modeli
matematycznych wiążących wpływ naprężeń na zmiany parametrów szumu Barkhausena
517
dotychczas nie dały zadawalających wyników. Dlatego metoda opiera się na skalowaniu
wybranego parametru szumu Barkhausena dla określonych (badanych) gatunków
materiałów ferromagnetycznych.
Do najczęściej stosowanej miary szumów Barkhausena należy liczba impulsów w
jednej lub większej liczbie paczek impulsów i wartość skuteczna napięcia szumów. Za
stosowaniem pierwszej miary przemawia argument mniejszego rozrzutu wyników
i mniejsza zależność wyników od odległości pomiędzy głowicą pomiarową a badanym
materiałem, natomiast za stosowaniem miary wartości skutecznej szumu Barkhausena
przemawia znacznie szybszy cykl pomiarowy, jednak kosztem nieco mniejszej dokładności
pomiaru [2].
2.
APARATURA POMIAROWA
Do pomiaru parametrów szumu Barkhausena używane są specjalne głowice
pomiarowe, zawierające zintegrowane w jednej obudowie jarzmo magnesujące wraz z
uzwojeniem, przetwornik pomiarowy i dodatkowe elementy kontrolujące warunki
magnesowania. Głowica połączona jest z układem zasilającym ,zaś sygnał pomiarowy po
przejściu przez filtr poddawany jest dalszej obróbce (rys.2).
Rys.2. Schemat blokowy zestawu pomiarowego: 1 - głowica pomiarowa, 2 - pomiar pola
magnetycznego, 3 - układ prądu magnesujacego, 4 - kontrolowany zasilacz prądowy, 5 układ sterowania silnikiem krokowym, 6 - przedwzmacniacz, 7 -system filtrów, 8 –
wzmacniacz, 9 - normalizator impulsów, 10 - licznik impulsów, 11 - układ pomiaru wartości
RMS napięcia Barkhausena, 12 - komputer
Fig.2. Block diagram of measuring set: 1 - measuring head, 2 - measuring circuit of magnetizing field,
3 - magnetizing current control circuit, 4 - controllablecurrent source, 5 – step-motor control
circuit, 6 - slotted line of Barkhausen-noise, 7 - system of filters, 8 – amplifier, 9 - impulse
standarizer, 10 - impulse counter, 11 - measuring system of RMS value of Barkhausen voltage,
12-computer
W aplikacjach tej metody kluczową rolę odgrywa konstrukcja głowicy pomiarowej.
W pomiarach przemysłowych stosuje się powierzchnię czynną sensora 1do10 mm,
natomiast w dziedzinie mikroskopii magnetycznej rozdzielczość jest <10 µm. W zależności
od potrzeb stosuje się napęd głowicy w płaszczyźnie dwuosiowej xy lub pomiarową
518
głowicę obrotową umożliwiająca szybkie wyznaczenie kierunku naprężeń głównych w
układzie współrzędnych biegunowych. Do badań przedstawionych w niniejszej pracy użyto
głowicy napędzanej silnikiem krokowym z przekładnią o przełożeniu 1:1200.Umożliwiało
to przestawienia głowicy o bardzo mały kąt (wielokrotność nastawienia kąta 0,0015° w
stosunku do położenia początkowego). Takie rozwiązanie umożliwia precyzyjne
wyznaczanie położenia ekstremów zdejmowanej krzywej.
3.
WYNIKI BADAŃ
3.1. Badanie odlewu
Do badań wybrano odlew koła z ZL200 wykonany ok.1 miesiąca przed pomiarami.
Jego powierzchnia była czyszczona w sposób standardowy. Wymiary odlewu, miejsca
pomiaru oraz zamieszczone wyniki pokazano na rys. 3 i 4. Pomiary wykonano na płaskiej
części odlewu po jego obu stronach, gdzie 0° w układzie współrzędnych biegunowych
skierowane było do osi geometrycznej koła. Pomiary wykonano wzdłuż promienia mając do
dyspozycji płaska przestrzeń pomiarową o długości ok.130 mm, przy piaście, wieńcu i
pośrodku linii promienia.
Rys. 3 przedstawia rozkład naprężeń wyznaczonych po stronie koła z różnymi
grubościami ścianek. Wykres E obrazuje zwiększona wartość szumu Barkhausena w
pobliżu wieńca koła, natomiast w wykresie G ekstremum występuje w obrębie piasty koła.
Wykres F zbliżony jest kształtem do wykresów B,C i D mierzonych po przeciwnej płaskiej
stronie odlewu. Wykresy B,C i D uzyskane w wyniku pomiarów płaskiej powierzchni
odlewu (rys.4), mają kształt zbliżony do regularnych kół co świadczy o równomiernym
niskim stanie naprężeń pod tą powierzchnią.
E
F
G
U,[mV]
90
200
120
60
150
150
100
30
50
0
180
0
50
100
210
330
150
200
240
300
270
Rys. 3. Wykres biegunowy wartości skutecznej napięcia Barkhusena mierzonego na odlewie koła Ew okolicy wieńca, F- w okolicy pośredniej, G - w okolicy piasty
Fig. 3. Polar plot of RMS value of Barkhausen noise voltage on the mould of the wheel; E-near the
location of the wheel, F-in indirect position, G-near the location of the nave of the wheel
519
B
C
D
U,[mV]
90
200
120
60
150
150
100
30
50
0
180
0
50
100
210
330
150
240
200
300
270
Rys. 4. Wykres biegunowy wartości skutecznej napięcia Barkhausena mierzonego na płaskiej stronie
odlewu koła. B - w okolicy wieńca, C- w położeniu pośrednim, D-w pobliżu piasty
Fig. 4. Polar plot of RMS value of Barkhausen noise voltage measured on the flat side of the mould of
the wheel. B-near the location of the felloe of the wheel; C-in indirect position; D-in the
vicinity of the wheel
H
I
U,[mV]
90
200
120
150
100
0
100
60
30
180
0
210
200
330
240
300
270
Rys. 5. Biegunowy wartości skutecznej napięcia Barkhausena mierzony w okolicy lewego
środkowego słupka samochodów: nowego fabrycznie -I, po naprawie powypadkowej -H
Fig. 5. The polar plot of the RMS value of Barkhausen-noise voltage measured on the left middle part
of the car: I-a new car, H-repaired car
3.2. Badanie karoserii samochodu
Na wykresie (rys.5) przedstawiono wyniki pomiaru rozkładu naprężeń na powierzchni
dachu pojazdu marki FORD FIESTA. Podczas pomiarów badano auto fabrycznie nowe
(wykres I) i auto używane o przebiegu 10.000km po naprawie powypadkowej tyłu
pojazdu(wykres H). Mimo, iż dach nie był uszkodzony, pomiary naprężeń wykonane na
jego powierzchni wykazały niesymetryczny rozkład naprężeń, wywołany dokonaną
520
naprawą. Widoczne jest przesunięcie o około 25° ekstremum naprężeń rozciągających od
kierunku 0° - 180° (kierunek jazdy).
4.
WNIOSKI
Przedstawione wyniki pomiarów wskazują na dużą czułość proponowanej metody
pomiarowej pozwalającej na wyznaczenie kierunków głównych odkształceń i naprężeń w
płaskim stanie naprężeń. Znając bezwzględną wartość naprężeń głównych możemy
w prosty sposób wyznaczyć współczynnik anizotropii materiału. Metoda ta umożliwia
szybkie, precyzyjne i nieniszczące określenie poziomu powstających naprężeń w odlewach
podczas procesu produkcyjnego. Umożliwia też sprawdzenie prawidłowości
przeprowadzenia obróbki cieplnej. Rozszerzenie aparatury o kartę analizatora szumu
Barkhausena umożliwia analizę mikrostruktury powierzchni oraz wyznaczenie innych
wielkości fizycznych.
LITERATURA
[1] Barkhausen H.G.: Zwei mit Hilfe der neuen Verstaerker entdeckte Erscheinungen.
Z.Phys.,2,20, 1919.
[2] Piech T.: Der Barkhausen-Effekt bei technischen Anwendungen. DGZfP- Verlag,
Berlin, 1997
[3] Pomorski K.A.: Próba wykorzystania magnetycznego efektu Barkhausena do
wyznaczania składowych stanu naprężeń w warstwie wierzchniej materiałów
konstrukcyjnych. Praca doktorska. Szczecin 1996.
NEW EMPLOYMENTS OF THE BARKHAUSEN`S EFFECT FOR RECORDING
STRESSES IN EXTERNAL LAYERS OF MOULDS AND PARTS OF THE
MACHINES
SUMMARY
This paper concerns the adoptions of the Barkhausen's effect for the identification of
stresses in ferromagnetic materials. The operational processes of the measuring apparatus
and the action of the prototypical instrument, which calculates the directions of the
predominant stresses, are presented below. The results of the investigations for the
distribution of the RMS value of Barkhausen noise voltage for certain industrial applications
are illustrated in the polar plot. The possibilities of the employment of this method in
metallography are also described below.
Reviewed by prof. Stanisław Pietrowski
521