Rozdział 7 magnetyczne metody badania napręŻEŃ Przedmiot I cel badań

Zjawiska magnetosprężyste i ich wykorzystanie w nieniszczących badaniach materiałów B. Augustyniak

Rozdział 7

MAGNETYCZNE METODY BADANIA NAPRĘŻEŃ

7.1. Przedmiot i cel badań

Rozdział ten jest poświęcony przedstawieniu wyników badań nad opracowaniem magnetycznej metody badań naprężeń pierwszego rodzaju z wykorzystaniem polowego efektu Barkhausena. Określenie poziomu naprężeń w elementach konstrukcji stalowych stanowi od wielu lat jedno z podstawowych zadań diagnostyki stanu urządzeń. Jako „naprężenia” rozumie się w takich badaniach naprężenia, których zasięg wielokrotnie przekracza rozmiary ziarn polikrystalicznego materiału, z którego jest wykonane badane urządzenie. Zgodnie z przyjętą w rozdziale 3.2.1 klasyfikacją naprężeń, poszukuje się zatem nieniszczącej metody pomiaru naprężeń „I rodzaju”.

Impulsem do rozpoczęcia badań nad wykorzystaniem polowego efektu Barkhausena stanowiły kontakty z Instytutem Mechaniki Precyzyjnej w Warszawie, w którym poszukiwano w latach 90. nieniszczącej metody pomiaru naprężeń użytecznej w krajowym przemyśle. Autor podjął samodzielne badania nad tym zagadnieniem we współpracy z Wydziałem Mechanicznym PG i Southwest Research Institute w San Antonio. Początkowa część tych badań, dotycząca pomiaru naprężeń w złączach spawanych, została sfinansowana przez Komitet Badań Naukowych [2]. Badania te miały trzy cele: 1) opracowanie optymalnej metodyki wyznaczania naprężeń z wykorzystaniem właściwości tego efektu poprzez wybór wielkości mierzonej i sposobu jej pomiaru 2) poznanie i modelowanie wpływu naprężeń na proces magnesowania, a w szczególności na natężenie polowego efektu Barkhausena, 3) weryfikację opracowanych metod w badaniach naprężeń w warunkach laboratoryjnych oraz w warunkach przemysłowych.

7.2. Przegląd magnetycznych metod badania naprężeń

Cechą wspólną metod magnetycznych wyznaczania naprężeń jest to, iż badany materiał jest poddany działaniu zmiennego (lub stałego) pola magnetycznego, a poziom naprężeń wyznaczany jest na podstawie zmiany wybranej wielkości fizycznej względem jej wartości dla stanu nienaprężonego [3, 119]. Prezentowany tu podział metod magnetycznych pomiaru naprężeń na trzy grupy podkreśla związek badanych wielkości z procesem magnesowania. Nazwy grup odnoszą się do efektu wykorzystywanego a nazwa metody dotyczy głównie mierzonej wielkości fizycznej [16]. Proponowane grupy i zaliczone do nich metody są wymienione w tablicy 7.1.

7.2.1. Metody dotyczące pomiaru własności pętli histerezy

Pomiar parametrów pętli histerezy

Pomiar w warunkach przemysłowych wpływu naprężeń na własności pętli histerezy badanego materiału jest zadaniem bardzo trudnym techniczne i realizowalnym dla elemen-tów, które dają się jednorodnie magnesować, i wtedy gdy można określić zmianę strumienia indukcji magnetycznej. Takimi elementami są np. pręty lub liny. W przypadku badania własności magnetycznych, a w szczególności pomiaru pętli histerezy magnetycznej B(H), wymagane jest jednorodne namagnesowanie materiału badanego. Taki stan uzyskuje się w stopniu zadowalającym jedynie w warunkach laboratoryjnych. Stąd wiele doniesień dotyczy tylko wyników prac laboratoryjnych. Przykładowo, w szczególności badano wpływ naprężeń na przenikalność magnetyczną [4, 5], na pole koercji [88]. Kompleksowe badania zmian wielu parametrów pętli histerezy magnetycznej wykonał Devin, podejmując próby pomiaru naprężeń w szynach kolejowych [42].

Tablica 7.1

Magnetyczne metody badań naprężeń

Lp.	Grupa/Nazwa	Metoda
1	własności pętli histerezy	pomiar parametrów pętli histerezy pomiar składowych harmonicznych pomiar anizotropii namagnesowania
2	efekty dotyczące procesu histerezy magnetycznej	pomiar polowego efektu Barkhausena pomiar emisji magneto-akustycznej
3	wielkości pośrednio związane ze stanem namagnesowania	pomiar zmiany prędkości fal ultradźwiękowych pomiar natężenia magnetycznego pola rozproszonego pomiar natężenia prądów wirowych metody potencjalnie użyteczne

Należy podkreślić, iż w warunkach przemysłowych do magnesowania fragmentu konstrukcji można zastosować elektromagnes jarzmowy typu C i wnioskować o stanie namagnesowania materiału na podstawie całkowania sygnału napięciowego U indukowanego w cewce kontrolnej nawiniętej na rdzeń tego elektromagnesu. Uzyskiwana z analizy napięcia U pętla histerezy nawet przy małych szybkościach magnesowania jest tylko w niewielkiej części uzależniona od własności magnetycznych badanego materiału [119]. Można jednak analizować jedynie względne zmiany parametrów określających własności takiej pętli i odnosić je  po kalibracji w warunkach laboratoryjnych  do poziomu naprężeń. Przenośny układ pomiarowy do badań parametrów pętli histerezy opracowano w AMES Laboratory [94]. Brak jest doniesień o praktycznym zastosowaniu tego aparatu dla wyznaczania naprężeń w warunkach przemysłowych. Stosowanie typowego elektromagnesu jarzmowego o płasko zakończonych biegunach jest niewskazane przy badaniu powierzchni zakrzywionych, gdyż powstająca przerwa powietrzna zmniejsza natężenie strumienia indukcji magnetycznej w obwodzie [46]. Problem ten rozwiązano ostatnio w Politechnice Gdańskiej, stosując elektromagnes jarzmowy złożony z ruchomych płyt, którego bieguny dopasowują się do krzywizny powierzchni [25]. Stosowany jest także elektromagnes z biegunami utworzonymi z ruchomych prętów o przekroju prostokątnym [22]. Są to rozwiązania konkurencyjne wobec tego, jakie proponował np. Jiles [59].

Pomiar składowych harmonicznych

Widmo częstotliwościowe sygnału napięciowego indukowanego w cewce otaczającej magnesowany materiał lub doń zbliżonej zawiera harmoniczne, przy czym głównie są to harmoniczne nieparzyste. Metoda opracowana przez Kwuna i Burkhardta w SwRI (San Antonio) polega na analizie napięcia indukowanego w cewce zbliżonej do materiału magne-sowanego za pomocą elektromagnesu otwartego [80  82]. W metodzie tej stosuje się czę-stotliwości magnesowania rzędu 10 Hz. Zmiany sygnału wyjściowego w funkcji naprężeń z zakresu sprężystego zmieniają się w granicach 40% względem stanu nienaprężonego w zakresie naprężeń do około 50% granicy plastyczności. Autorzy, stosując tę metodę do badania różnych obiektów (szyn [35]) twierdzą, iż jest ona przydatna do szybkiej i zautomatyzowanej diagnostyki stanu naprężeń, a zmiana częstotliwości magnesowania umożliwia ocenę zmiany naprężeń w funkcji głębokości w zakresie do kilku mm.

Pomiar anizotropii magnesowania

W metodzie pomiaru anizotropii magnesowania wykorzystuje się zmianę natężenia pola magnetycznego tuż przy powierzchni magnesowanego materiału wymuszoną działaniem naprężeń o osiach nierównoległych do kierunku magnesowania [119]. Do detekcji anizotropii rozkładu natężenia tego pola stosuje się zazwyczaj układ cewek połączonych przeciwsobnie. Cewki te, umieszczone symetrycznie względem osi łączącej bieguny magnesu jarzmowego magnesującego materiał, są prostopadłe do powierzchni [73], lub równoległe do powierzchni [83]. Naprężenia w zakresie sprężystym powodują zmianę sygnału wyjściowego o około 10 % [3]. Ze względu na istotny wpływ anizotropii krystalograficznej na sygnał napięciowy, dla zwiększenia czułości detekcji naprężeń stosuje się sygnał różnicowy dla dwóch kierunków wzajemnie prostopadłych. Metoda analizy anizotropii magnesowania była wykorzystywana np. do badania naprężeń w szynach kolejowych, a także do badania naprężeń wokół spoin [3].

7.2.2. Badanie efektów dotyczących histerezy magnetycznej

Efekty tu wymienione, dotyczące histerezy magnetycznej, są zgrupowane ze względu na sposób detekcji zjawiska histerezy magnetycznej. Wymienić tu należy dwie podstawowe grupy. W grupie pierwszej następuje detekcja sygnałów elektromagnetycznych, a więc chodzi tu o wykorzystanie polowego efektu Barkhausena (HBE). Do drugiej grupy zalicza się tu metodę wykorzystującą efekt emisji magnetoakustycznej (EMA).

Pomiar polowego efektu Barkhausena

Pierwsze próby dotyczące zastosowania polowego efektu Barkhausena (HEB) dla oceny naprężeń podejmował, według Jilesa [58], Leep w 1967 i później Kharitonov; stwierdzili oni wywołaną naprężeniem zmianę liczby impulsów HEB dla niklu, permalloy’u i stali krzemowej [69]. Rudyak i inni badali zmianę kształtu impulsów HEB dla naprężeń rozciągających [110]. Za prekursora zastosowania HEB dla badań nieniszczących należy uznać zapewne Pasleya [95]. W latach 70. ukazało się kilkanaście prac dotyczących badań podstawowych nad wpływem naprężeń osiowych i rozwijają się badania nad wykorzysta-niem HEB dla badań naprężeń w Finlandii [146, 148] i w USA (SwRI w San Antonio) [86]. W tym czasie publikowane są pierwsze przeglądy zawierające informacje o zastosowaniu HEB do pomiaru naprężeń [87, 138]. W latach 80. ukazało się około 100 prac dotyczących wpływu naprężeń i publikowane są wyniki badań porównawczych z innymi metodami oceny poziomu naprężeń jednoosiowych [111, 112]. Badane są też przypadki, gdy pole jest niewspółosiowe z kierunkiem naprężenia [78], zajęto się również stanem naprężeń dwuosiowych [84, 141]. W latach 90. kontynuowane są badania dotyczące i naprężeń jedno-osiowych (około 80 prac), w tym naprężeń w kierunku prostopadłym do powierzchni [49], i naprężeń dwuosiowych (14 prac). W tej dekadzie powstają pierwsze modele opisujące ilościowo wpływ naprężeń na natężenie HEB. Dla przypadku wpływu naprężeń jednoosiowych na natężenie HEB, pierwsza jest zapewne praca Sablika i Kwuna [126].

Opis wpływu naprężeń dwuosiowych na natężenie efektu Barkhausena stanowił cel badań podjętych przez autora wraz z Sablikiem. Wyniki tych badań zostały przedstawione w 1998 roku [131]. Ta praca opisuje też po raz pierwszy przypadek najbardziej ogólny – to znaczy pomiar HEB dla dowolnego kąta między polem magnetycznym a kierunkiem osi głównych naprężeń.

Efekt Barkhausena, jako podstawa magnetycznej metody oceny naprężeń, jest zapewne najpowszechniej wykorzystywany dla oceny naprężeń w wielu działach przemysłu. Jednym z najczęstszych zastosowań wydaje się pomiar naprężeń pozostających w złączach spawanych [66]. Były też mierzone naprężenia w linach [74, 104, 140], a także w wałach [93].

Pomiarem naprężeń wynikających z obróbki mechanicznej są zainteresowani producenci elementów maszyn (łożysk [41], wałów [67], przekładni [10]). Pomiar natężenia HEB jest używany do oceny naprężeń własnych powstałych także po deformacji plastycznej. Podstawowe badania nad tym zagadnieniem rozpoczęto na przełomie lat siedemdziesiątych i osiemdziesiątych w Finlandii [142, 145, 147], a w latach 90. we Francji [36].

Pomiar emisji magnetoakustycznej

Badania nad zjawiskiem emisji magnetoakustycznej generowanej podczas magnesowania dla potrzeb badań nieniszczących zostały zapoczątkowane na przełomie lat 70. i 80. [92]. Praktycznie niewielkie tłumienie fal akustycznych w stali  w porównaniu falą elektromagnetyczną sygnału polowego efektu Barkhausena, czyni efekt magnetoakustyczny potencjalnie bardzo użytecznym w badaniach naprężeń wewnątrz materiału. Zależność od naprężeń natężenia emisji nie jest jednak monotoniczna. Wyniki badań wpływu naprężeń jednoosiowych dla stali [76], świadczą o tym, iż natężenie emisji magnetoakustycznej maleje przy rozciąganiu i osiąga maksimum przy ściskaniu. Analogiczny charakter zależności, choć odwrotnie w sensie znaku naprężeń, stwierdzono dla niklu w [76]. Niedogodność tę można zapewne zminimalizować, wykonując np. pomiary w wielu kierunkach, jak sugerują w [90]. Ta niemonotoniczna zależność od naprężeń ograniczyła zapewne badania nad wykorzystaniem tego zjawiska.

7.2.3. Metody z pomiarem wielkości pośrednio związanych z magnesowaniem

Do tej grupy nieniszczących metod badań naprężeń należy zaliczyć metody, w których mierzy się nie własności magnetyczne, a inne wielkości fizyczne, które mają związek pośredni z tymi własnościami. Do tej grupy zaliczyć można dwie metody: metodę pomiaru prędkości fal ultradźwiękowych oraz metodę pomiaru natężenia pola magnetycznego rozproszonego wokół naprężonego materiału.

Pomiar prędkości fal ultradźwiękowych

W metodzie tej wykorzystuje się efekt zmiany prędkości fal ultradźwiękowych pod wpływem pola magnetycznego, przy czym wielkość i charakter tych zmian zależy od po-ziomu naprężeń oraz rodzaju fali, kierunku propagacji i kierunku polaryzacji względem i pola magnetycznego i osi głównych naprężeń [119]. Metoda została wprowadzona do grupy metod badań nieniszczących przez Kwuna na początku lat 80. [77]. Mała wartość zmiany prędkości dźwięku wymaga pomiaru prędkości ultradźwięku z dokładnością rzędu 10^5. Konieczność zapewnienia znacznego poziomu namagnesowania obiektu wymusza stosowa-nie dużych elektromagnesów, a to obniża walory użytkowe metody. Według Kwuna – za pomocą swej aparatury uzyskuje on błąd oceny naprężeń na poziomie ±40 MPa. Znacząco mniejsza czułość metody dla naprężeń rozciągających w przypadku fal podłużnych niż dla ściskających jest częściowo eliminowana przez użycie fal poprzecznych. Metodę stosowano do badania naprężeń wokół spoiny typu T [79]. Zastosowano tu fale akustyczne o częstości f  10 MHz podłużne w kierunku prostopadłym do płyt. Wynik zinterpretowano, korzystając z funkcji skalowania dla naprężeń jednoosiowych, jako skutek wystąpienia w tym punkcie naprężeń ściskających na poziomie σ =  (180 ± 40) MPa.

Pomiar natężenia magnetycznego pola rozproszonego

Naprężenie współosiowe z polem magnetycznym może spowodować zmianę makro-skopowego namagnesowania poprzez opisany proces przesuwania granic domen magne-tycznych. Jest to tak zwany efekt H   [32]. Jiles dowodzi w [61], iż znak zmiany nama-gnesowania zależy od stanu namagnesowania materiału względem stanu anhisterezowego. Zastosowanie naprężenia dowolnego znaku zmienia stan namagnesowania w kierunku stanu anhisterezowego, co skutkuje zmianą namagnesowania o znaku wynikającym z różnicy między pierwotnym namagnesowaniem a stanem anhisterezowym. Zmiany namagnesowania są maksymalne przy pierwszym naprężaniu. Badania laboratoryjne i modelowanie tego efektu mają znaczenie badań podstawowych, ale ukierunkowanych na potrzeby badań nieniszczących [60, 124]. Tego typu badania pola rozproszonego zostały rozpoczęte przez Kanadyjczyków dla rurociągów [8, 9]. Lokalne zmiany natężenia pola rozproszonego w okolicy spoin były interpretowane jako wywołane działaniem naprężeń. Publikowane wyniki badań grupy Athertona wskazują na to, że pomiar tego efektu może być wykorzystany do diagnostyki stanu urządzeń wielkogabarytowych, takich jak np. rurociągu. W Europie Dubow proponuje diagnozować stan instalacji przemysłowych (rurociągi, zbiorniki) i elementów konstrukcji (łopaty turbin), mierząc pole magnetyczne rozproszone (składową normalną) [45]. Dubow określa lokalne zmiany pola rozproszonego jako tak zwany efekt „pamięci magnetycznej metalu” i twierdzi, iż obszary, wokół których występuje to pole, są miejscami koncentracji naprężeń. Te kontrowersyjne tezy są weryfikowane [40].

Metoda prądów wirowych

Metoda prądów wirowych jest stosowana głównie do detekcji wad. W Instytucie Mechaniki Precyzyjnej w Warszawie skonstruowano głowice wiroprądowe określane jako „kierunkowe”, które umożliwiają detekcję poziomu naprężeń, ale i określenie ich kierunku [47]. Autorzy tego opracowania donoszą o pozytywnych wynikach badań naprężeń w elementach konstrukcji poddanej procedurze spawania i podają swe wyniki z dokładnością do około 1 MPa w przedziale wartości aż do około 200 MPa. Twierdzą też, iż możliwe są pomiary naprężeń w funkcji głębokości (od 30 μm do ponad około 200 μm) poprzez zmianę częstotliwości prądu płynącego przez wzbudnik. Tak dobre parametry tej metody przekraczają znacząco parametry innych metod pomiaru naprężeń i można przypuszczać, iż nastąpi niebawem weryfikacja podanych rezultatów.

7.2.4. Metody potencjalnie użyteczne

Do tej grupy zaliczono metody, które są w trakcie wstępnych opracowań, albo – co jest również istotne  nie ma jeszcze warunków do ich stosowania w warunkach przemysło-wych. Takie cechy ma metoda, która została zaproponowana już w latach 60., a polega na pomiarze impedancji cewki otaczającej naprężony materiał. Sablik i Jiles opracowali model dotyczący tej metody [113]. Autorzy oceniają dokładność metody na około ± 20 MPa. Kolejną w tej grupie jest metoda polegająca na badaniu spadku w czasie napięcia między dwoma punktami powierzchni stali, przez którą płynie impulsowy prąd, a stal jest magne-sowana za pomocą magnesu jarzmowego [54]. W tej grupie należy umieścić też metodę polegającą na pomiarze pętli histerezy magnetostrykcji. Pomiar magnetostrykcji wymaga stosowania tensometru, to zaś stanowi istotne ograniczenie dla praktycznego wykorzystania takiej metody.