Dołącz do czytelników
Brak wyników

ABC magnetycznych metod diagnostyki stanu elementów konstrukcji stalowych

Artykuł | 11 grudnia 2020 | NR 5
0 85

Kontynuujemy cykl tekstów poświęconych innowacyjnym metodom diagnostyki magnetycznej. W pierwszym artykule [1] twierdziliśmy, że przyszłość diagnostyki magnetycznej to badania „prenatalne”, gdyż umożliwiają one szybką i skuteczną detekcję czynników sprzyjających zarodkowaniu i rozwojowi mikro- i makronieciągłości, zanim takowe wystąpią. Czynnikami takimi są niewątpliwie naprężenie rozciągające oraz postępująca w trakcie eksploatacji degradacja mikrostruktury.

Wiemy już, choćby po przeczytaniu wspomnianej publikacji, że stan naprężenia można mierzyć, wykorzystując efekt Barkhausena, degradację wykrywać za pomocą emisji magnetoakustycznej oraz prądów wirowych, a nieciągłości można „zobaczyć”, analizując rozkład przestrzenny magnetycznego pola rozproszonego. Należy teraz tę wiedzę ogólną podbudować informacją o podstawach fizycznych proponowanych metod. Niniejszy artykuł zawiera właśnie informacje, które są konieczne dla wyjaśnienia zasad i mechanizmów działania tych metod. Skrótowiec ABC to synonim wiadomości prostych, ale i niezbędnych. Zapraszam zatem na przyspieszony kurs eksternistyczny dociekliwych Czytelników „Służb Utrzymania Ruchu”.

Słowa zachęty

Proponowane tu innowacyjne metody diagnostyki (wykrywające nieciągłości czy pozwalające wyznaczyć stan naprężenia i zmiany w mikrostrukturze) zaliczyć trzeba do jednej rodziny magnetycznych metod diagnozowania stanu elementów konstrukcji. Dotychczasowe doświadczenia zdobyte podczas opracowywania i testowania tych metod upoważnią autora do stwierdzenia, że mają one potencjał rozwoju, są ewidentnie użyteczne i tym samym powinny być powszechnie stosowane w kompleksowej diagnostyce. Poza sporem jest zatem twierdzenie, że kadra SUR powinna dobrze poznać zasady działania owych innowacyjnych metod i być gotowa do ich skutecznego stosowania. Wszystkie one bazują na zjawiskach związanych z procesem magnesowania.

Należy przypuszczać, że powszechna jest znajomość wśród kadry utrzymania ruchu metody detekcji nieciągłości za pomocą techniki „magnetyczno-proszkowej”. Polega ona na wytwarzaniu „wskazań” nieciągłości w formie linii utworzonych przez cząstki tlenku żelaza skupionych na powierzchni elementu stalowego w strefie nieciągłości. Zakładam też, że Czytelnik potrafi opisać związek przyczynowo-skutkowy między np. faktem powstania „wskazania” a geometrią wady i stanem namagnesowania badanego elementu. Jeśli tak jest, można przypuszczać, że niniejszy materiał będzie traktowany jako literatura uzupełniająca wiedzę Czytelnika w zakresie nowych sposobów detekcji wad (np. metoda pomiaru magnetycznego pola rozproszonego) czy metody pomiaru naprężeń i stopnia degradacji. Jeśli nie – zachęcam do zapoznania się z podanymi niżej informacjami o zjawiskach fizycznych, które są wykorzystywane jako podstawa nowych metod diagnostyki magnetycznej. Wszystkie te zjawiska są oczywiście ściśle związane z procesem magnesowania – ferromagnetyką.

Struktura domenowa

Właściwości magnetyczne elementu konstrukcji ze stali ferrytycznej są bardzo specyficzne i istotnie niezgodne z prawami fizyki klasycznej. Poznanie tych właściwości to pierwszy krok na drodze do wiedzy o efektach, które są wykorzystywane w proponowanych metodach diagnostyki magnetycznej. Jakie są więc te właściwości, które trzeba na wstępie poznać? W kolejności ważności pierwsze miejsce należy przyznać wyjątkowym właściwościom elementarnej komórki kryształu ferrytu. Schemat tej struktury pokazano na rys. 1. Atomy żelaza (ilustrowane przez kule) tworzą prostopadłościan objętościowo centrowany (żółta kula). Każdy z atomów wykazuje właściwości magnetyczne (zilustrowane strzałkami). Atomy żelaza generują pole magnetyczne takie samo, jak generuje pętla z prądem. Strzałka przedstawia wielkość fizyczną określaną jako moment magnetyczny (oznaczany jest zazwyczaj literą grecką μ). Momenty magnetyczne wszystkich atomów w komórce są takie same. I tu kończy się fizyka klasyczna, gdyż momenty te są wszystkie równoległe do siebie i do tego zorientowane w przestrzeni w kierunku <100>, choć powinny być (zgodnie z prawami fizyki klasycznej) rozmieszczone w przestrzeni chaotycznie. Równoległe do siebie uporządkowanie momentów magnetycznych to podstawowa i najbardziej charakterystyczna cecha ferromagnetyzmu. Druga ważna właściwość momentów magnetycznych dotyczy silnego przywiązania kierunku wektorów momentów magnetycznych do kierunku <100>. Formalnie zjawisko to opisuje się, wprowadzając pojęcie energii anizotropii magnetokrystalicznej. Jest ona minimalna dla ferrytu wówczas, gdy momenty są równoległe do kierunku <100>. Trzeba użyć bardzo silnego zewnętrznego pola magnetycznego, aby nastąpiło odchylenie momentów od kierunku <100> (z zachowaniem ich wzajemnej równoległości) w kierunku pola magnetycznego. Trzecia właściwość komórki ferrytu (ważna dla wyjaśnienia właściwości magnetosprężystych stali) dotyczy anizotropii stałych sieciowych. Komórka elementarna jest rozciągnięta nieco w kierunku równoległym do kierunku momentów magnetycznych (stała Dr) oraz trochę ściśnięta odpowiednio w kierunku prostopadłym (stała Dp): Dr > Dp. Względne różnice tych stałych sieciowych są relatywnie bardzo małe, rzędu λ = 10*10-6, przy czym względne oddalenie atomów jest ok. dwukrotnie większe od względnego zbliżenia atomów. Dlaczego fragment stali ferromagnetycznej, złożony z wielu ziaren nie jest maksymalnie namagnesowany? Dzieje się tak, ponieważ monokryształy ferrytu dzielą się na obszary (domeny magnetyczne), w których momenty magnetyczne różnią się kierunkami, tworząc wir magnetyzacji.

 

Rys. 1. Komórka elementarna ferrytu

 

Rys. 2. Schemat struktury domenowej monokryształu

 

Taką strukturę domen magnetycznych tworzących wir pokazuje rys. 2. Strzałki przedstawiają teraz wektory magnetyzacji M wewnątrz domen. Miarą magnetyzacji M jest gęstość objętościowa momentów magnetycznych μ. Trzeba podkreślić, że wektory magnetyzacji są równoległe do kierunku <100> i spełniony jest warunek minimum energii magnetokrystalicznej. Każda z domen jest oczywiście namagnesowana do nasycenia, ale wypadkowe namagnesowanie zespołu tych czterech domen jest równe zeru. Domeny są odseparowane od siebie przez granice domen (GD). Wyróżnia się (i to pokazano na rys. 2) dwa rodzaje GD: typu 180° oraz typu 90°. Wskazane liczby to kąty pomiędzy wektorami magnetyzacji w sąsiadujących domenach. Zazwyczaj w monokrysztale ferrytu tworzą się dwie lub trzy takie zamknięte struktury domenowe. Anizotropia stałych sieciowych prowadzi do „konfliktu odkształceń” między domenami namagnesowanymi pod kątem 90°. Mechanizm powstania tego konfliktu ilustruje rys. 3. Pokazano na nim linią przerywaną odkształcenia sąsiadujących ze sobą domen rozdzielonych granicą 90°. Odkształcenia λy i λz zmieniają się wzdłuż kierunku y (oś pionowa) i kierunku x (oś pozioma), jako skutek składania opisanych wyżej odkształceń komórek elementarnych. Uwaga – skala pokazanych na tym rysunku odkształceń sieci jest o kilka rzędów zwiększona.

 

Rys. 3. Odkształcenie domen rozdzielonych granicą typu 90°

 

Specyficzna asymetria stałych sieciowych względem kierunku magnetyzacji domeny skutkuje tym, że naprężenia zewnętrzne zmieniają magnetyczną strukturę domenową ferrytu. Zmiany te są pokazane schematycznie na rys. 4.

Stan a to stan nienaprężony. Naprężenia ściskające Ϭc (stan b) powodują wzrost objętości domen namagnesowanych w kierunku prostopadłym do osi naprężeń ściskających oraz malenie objętości domen namagnesowanych w kierunku równoległym do osi naprężeń. Zmiany odwrotne co do charakteru wywołują natomiast naprężenia rozciągające Ϭr (stan c): wzrasta objętość domen namagnesowanych równolegle do osi naprężeń oraz maleje objętość domen namagnesowanych prostopadle. Fakt, że wymuszone naprężeniem zmiany struktury magnetycznej zależą od kierunku, a nie od zwrotu magnetyzacji skutkuje tym, że nap...

Dalsza część jest dostępna dla użytkowników z wykupionym planem

Przypisy