Dołącz do czytelników
Brak wyników

Zalety magnetycznej metody pomiaru naprężeń w elementach stalowych

Artykuł | 11 grudnia 2020 | NR 5
0 506

Artykuł przedstawia magnetyczną metodę pomiaru naprężeń wykorzystującą efekt Barkhausena. Naszym zdaniem pozytywna opinia na jej temat może być wyrobiona jedynie na podstawie analizy porównawczej jej wad i zalet z właściwościami innych, dostępnych na rynku nieniszczących metod pomiaru naprężeń. Twierdzimy, że ta metoda umożliwia szybką i skuteczną detekcję naprężeń własnych oraz pochodzących od obciążeń mechanicznych we właściwie wszystkich ważnych przypadkach technicznych. Czy proponowana metoda jest lepsza od innych? Mamy nadzieję, że lektura niniejszego tekstu przekona Czytelnika, że tak. Pozytywna opinia Czytelników „Służb Utrzymania Ruchu” zwiększa naszą szansę na wprowadzenie tej metody do praktyki przemysłowej. Chcielibyśmy na taką opinię zasłużyć.

Naprężenia własne – czyli jakie?

Mianem naprężenia własne określa się wszystkie naprężenia występujące w materiale konstrukcyjnym niepoddanym działaniu sił zewnętrznych. Zgodnie z prawami mechaniki suma wektorowa naprężeń własnych w całym materiale musi się zerować. W przypadku stali (materiał polikrystaliczny) zasadne jest wyróżnienie i klasyfikowanie naprężeń własnych ze względu na zasięg ich występowania w porównaniu z wymiarami ziarna. Defekty struktury wewnątrz ziarna (dyslokacje, wydzielenia) wytwarzają naprężenia krótkozasięgowe i nieskoordynowane przestrzennie. Tego typu naprężenia można określić jako naprężenia III rodzaju (ϬIII) lub jako mikronaprężenia. Wewnątrz ziarna może występować naprężenie stałe co do poziomu w całym ziarnie i jednakowo zorientowane przestrzennie w danym ziarnie. Takie naprężenia nazywa się naprężeniami II rodzaju (ϬII). Takie naprężenie spowodowane jest akomodacją wymiarów ziaren podczas procesu krzepnięcia, a także powstawaniem materiału wielofazowego. Trzeci typ naprężeń to naprężenia zorientowane przestrzennie i występujące w obszarze znacznie większym niż rozmiar pojedynczego ziarna. Są to naprężenia I rodzaju (ϬI), zwane też makronaprężeniami. Powstają podczas właściwie wszystkich obróbek mechanicznych (szlifowanie, piaskowanie), cieplnych (hartowanie, spawanie) i cieplno-mechanicznych (deformacja plastyczna), a także obróbki chemicznej i cieplno-chemicznej warstwy wierzchniej (natryskiwanie, napylanie). W przypadku naprężeń I rodzaju należy brać pod uwagę i kierunek ich działania, i zmianę poziomu w głąb materiału (rozkład naprężeń po głębokości).

Jakie metody są dostępne na rynku?

Proponowane aktualnie nieniszczące metody oceny poziomu naprężeń własnych wykorzystują w swej istocie specyficzny dla danej metody efekt zmiany wybranej wielkości fizycznej wywołany zmianą odległości między atomami. Należałoby tu zatem mówić o nich jako o metodach pomiaru odkształceń względnych. Nie są to tym samym metody, które ujawniają bezpośrednio poziom naprężeń lokalnych, a poziom naprężeń wylicza się, stosując znane związki między odkształceniem i naprężeniem z uwzględnieniem stałych sprężystości.

Oferowane aktualnie na rynku badań nieniszczących metody pomiaru naprężeń własnych można zaliczyć do trzech rodzajów: 1) metoda dyfrakcji promieniowania przenikliwego z wykorzystaniem promieni rentgenowskich (XRD); 2) metoda wykorzystującą fale ultradźwiękowe (UT); 3) metoda magnetyczna wykorzystująca efekt Barkhausena (EB). Poziom naprężeń własnych w elementach konstrukcji może być również wyznaczany, ale w sposób quasi-nieniszczący, za pomocą czwartej z kolei metody, zwanej metodą Mathara (MM) albo metodą otworkową. Przyjrzyjmy się im bliżej.

1. Metoda dyfrakcji promieni X (XRD)

Pomiar naprężeń metodą dyfrakcji promieni rentgenowskich (promienie X) bazuje na liniowym związku między położeniem piku dyfrakcyjnego w dziedzinie kąta Θ (kąt pomiędzy kierunkiem wiązki padającej promieni X i powierzchnią badaną) a stałą sieciową a (odległość między płaszczyznami atomów reemitujących promienie X). Zmiana stałej sieciowej odkształconego kryształu bezpośrednio wiąże się ze względnym odkształceniem ε, a miarą tego odkształcenia jest zmiana kąta Θ położenia piku dyfrakcyjnego (w przypadku naprężeń I rodzaju) oraz poszerzeniem tego piku (w przypadku naprężeń II i III rodzaju). Badanie naprężeń I rodzaju wykonuje się głównie, korzystając z tzw. metody sin2ψ. Polega ona na pomiarze stałej sieciowej a dla różnych nachyleń lampy rentgenowskiej względem powierzchni. Miarę tego nachylenia stanowi kąt ψ pomiędzy osią symetrii wiązki padającej i wiązki odbitej a normalną do badanej powierzchni. Kierunek płaszczyzny padania promieni X (kąt φ) względem osi próbki odpowiada kierunkowi badania odkształceń stałej sieciowej. Poziom naprężeń wyznacza się z nachylenia wykresu zależności ε od wartości zmiennej sin2ψ. Pomiar rozkładu kątowego odkształcenia ε(φ) możliwy jest poprzez powtarzanie badań metodą sin2ψ dla różnych kątów φ. Jest to metoda ilościowa, która nie wymaga kalibracji. Konieczna jest jednak znajomość rentgenowskich stałych sieciowych komórek elementarnych w stanie nienaprężonym, a także stałych sprężystości dla danej fazy materiału. Wielkości te, dla precyzyjnych pomiarów oraz w przypadku materiałów anizotropowych powinny zostać wyznaczone eksperymentalnie.

Pomiar naprężenia jest uśredniany z objętości materiału, w którą wnika promieniowanie rentgenowskie, a efektywna głębokość wnikania promieniowania rentgenowskiego zależy od składu chemicznego materiału, długości fali użytego promieniowania (lampy rentgenowskiej) i kąta Θ i wynosi od kilku do kilkudziesięciu μm. Z tego względu metoda dyfrakcji promieni X dostarcza informacji o stanie naprężeń własnych w warstwie ściśle przypowierzchniowej. Badanie rozkładu naprężeń w funkcji głębokości możliwe jest po stopniowym usuwaniu warstw. Przy typowym stosowaniu metody promieni rentgenowskich zakłada się, iż materiał jest izotropowy,a rozmiary ziarna są znacząco mniejsze od przekroju wiązki promieni rentgenowskich. Ponadto wymaga się, aby nie było gradientu naprężeń ani w kierunku grubości materiału (na odcinku rzędu głębokości wnikania), ani w płaszczyźnie badanej na odcinku porównywalnym z szerokością wiązki (ok. 4 mm). Łączny czas badania obejmujący przygotowanie powierzchni oraz ustawienie aparatu i rejestrację pików dyfrakcyjnych z rozdzielczością na poziomie 0,01° czyni tę metodę relatywnie czasochłonną: czas pomiaru dla jednego punktu szacuje się na ok. kilkadziesiąt minut. Przyjmuje się, że błąd względny pomiaru naprężeń własnych tą metodą wynosi ±(5-15)%.

2. Metoda ultradźwiękowa (UT)

Ultradźwiękowe metody pomiaru naprężeń bazują na zależności prędkości fal ultradźwiękowych od modułów sprężystości i fakcie, że wartości modułów ulegają zmianie w polikrystalicznym materiale odkształconym sprężyście. W opisie prędkości fal dźwiękowych w odkształconym ciele stałym stosuje się tzw. nieliniową teorię sprężystości. Wynikają z niej wyrażenia na zmianę prędkość fali w funkcji naprężenia (stan jednoosiowy) uwzględniające polaryzację fali, a także kierunek propagacji fali względem osi naprężenia. Uproszczone, użyteczne dla praktyki przemysłowej wzory opisują względną zmianę prędkości jako proporcjonalną do naprężenia. Największe zmiany dotyczą fali podłużnej poruszającej się w kierunku osi naprężeń. W tym przypadku naprężenie na poziomie 100 MPa (wywołując odkształcenie względne na poziomie ε= 0,5·10-3) zwiększa prędkość takiej fali o ok. 0,1%.

Metoda ultradźwiękowa pozwala na wyznaczenie wartości uśrednionej z objętości penetrowanej przez falę dźwiękową. Oczywiste jest także i to, że za pomocą tej metody można wyznaczać tylko naprężenia I rodzaju. Specyficzną cechą (zaletą) techniki ultradźwiękowej jest możliwość pomiaru naprężeń zarówno w warstwie powierzchniowej, jak i w objętości materiału. W pierwszym przypadku stosowane są fale powierzchniowe, a w drugim rejestrowany jest czas przyjścia fali odbitej od przeciwległej powierzchni. W przypadku pomiarów bezwzględnych prędkości fali należy wyznaczyć precyzyjnie odległość między sondą nadawczą i odbiorczą, a także uwzględnić znaczący wpływ temperatury na wartość prędkości oraz niejednorodność własności sprężystych i teksturę materiałów. Przyrost temperatury o 10°C zwiększa prędkość fali podłużnej w stali o ok. 0,2%, a to odpowiada występowaniu naprężeń na poziomie ok. 200 MPa. Stwierdzić trzeba, iż takie niekorzystne właściwości propagacji fal ultradźwiękowych są przyczyną trudności w badaniu naprężeń materiałów technicznych, szczególnie w przypadku wyst...

Dalsza część jest dostępna dla użytkowników z wykupionym planem

Przypisy