V11_EigSp(Magnetic)_SS17

Vorlesung
Eigenspannungen in Bauteilen und
Werkstoffen
0. Inhalt/Organisatorisches
Inhalt:
1. Eigenspannungen (Ursachen, Auswirkungen, Einteilung, Messung, Beispiele, …) (1)
2. Grundlagen der Elastizitätstheorie (tensorielle Eigenschaften von Kristallen) (2)
3. Röntgenographische Verfahren (3-9)
a) Messanordnungen (3)
b) Bestimmung der Dehnungen (4)
c) Beugungsverfahren – Euler-Wiege (5)
d) Beugungsverfahren – Auswertung (6)
e) Beugungsverfahren – streifender Einfall (7)
f) Vom Dehnungstensor zum Spannungstensor - Anisotropie (8)
g) Fehler bei der Spannungsbestimmung (9)
4. nicht-röntgenographische Verfahren (10-11)
a) Stokes-Gleichung (10)
b) Ultraschalltechnik (11)
5. Fragestunde (12)
Literatur:
Noyan, Cohen,
Hauk,
Welzel
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11. Mikromagnetische Techniken zur Eigenspannungsmessung
- Physikalische Grundlagen
- Einfluss von Spannungen auf magnetische Eigenschaften in
ferromagetischen Materialien
- Hysteresekurven, Suszeptibilitäten, Permeabilitäten,
Koerzitivfeldstärke, Magnetostriktion, etc.
- typischerweise wird eine Hysteresekurve (vollständige
Ummangnetisierung) aufgenommen um aus deren Verlauf Parameter
mit Bezug zum Spannungszustand zu extrahieren
- Effekte beruhen zumeist auf der Interaktion von Strukturdefekten und
intrinsischen (Eigen-)Spannungen mit Bloch-Wänden
(Mikromegntische Eigenschaften)
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11. Mikromagnetische Techniken zur Eigenspannungsmessung
- Physikalische Grundlagen
- Bloch-Wände 1. Art:
- begrenzen magnetische Domänen, wobei die magnetostriktiven
Eigenspannungen angrenzender Domänen in der Bloch-Wand
nicht verschwinden
- haben ein großes Wechselwirkungsvolumen
- die Bewegung einer solchen Bloch-Wand verändert die innere
(elastische) Energiedichte (z.B. durch ein äußeres Magnetfeld)
- direkte Wechselwirkung zwischen Bloch-Wand und
Makroeigenspannungen
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11. Mikromagnetische Techniken zur Eigenspannungsmessung
- Physikalische Grundlagen
- Bloch-Wände 2. Art:
- erzeugen Eigenspannungen nur innerhalb der Bloch-Wand
- separieren Gebiete gleicher Magnetostriktion, daher verursacht
deren Bewegung keine Änderung der inneren Energie
- keine Wechselwirkung zwischen Bloch-Wand 2. Art und
Makroeigenspannungen
- interagieren nur mit starken Spannungsgradienten in der
Größenordnung der Bloch-Wanddicke, wie. z.B. die
Spannungsfelder von Versetzungen
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11. Mikromagnetische Techniken zur Eigenspannungsmessung
- Messstrategien
- Ziel ist die Bestimmung mikromagnetischer Parameter auf Basis
makroskopischer magnetischer und magnetostriktiver Kenngrößen
- zur Quantifizierung:
- definierte Probengeometrie
- konstantes Magnetfeld über gesamte Probe (Eintauchen in Magnetfeld)
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11. Mikromagnetische Techniken zur Eigenspannungsmessung
- Messstrategien
- Ziel ist die Bestimmung mikromagnetischer Parameter auf Basis
makroskopischer magnetischer und magnetostriktiver Kenngrößen
- Verfahren ähnlich der Ultraschallmessung: Ankoppeln eines
Magnetfeldes mittels Signalgebers und Messen mittels Empfänger
- es werden verschiedende Prozesse angeregt, welche unabhängige
physikalische Informationen tragen
- mehrere Parameter können gleichzeitig bestimmt werden
- Störeinflüsse minimieren, da verschiedene Signalquellen
(Prozesse) angeregt werden
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11. Mikromagnetische Techniken zur Eigenspannungsmessung
- Messstrategien
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11. Mikromagnetische Techniken zur Eigenspannungsmessung
- Wann werden welche Prozesse angeregt?
polykristalliner Ferromagnet
-
BW2-Bewegung: Ummagnetisierung nahe Hc
BW1-Bewegung bei hohen Magnetfeldstärken
Rotation: nachdem Blochwanddichte gesättigt
ist und sinkt
-
Eigenspannungen: BW1, RP
- wirken magnetostriktiv
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11. Mikromagnetische Techniken zur Eigenspannungsmessung
- Messsignale und deren Informationsgehalt
- magnetisches/akustisches Barkhausen-Signal
(maximale Amplitude  Größe und Richtung der Eigenspannungen)
- Wirbelstromverfahrenmessung
- Permeabilitätsmessung
- zeitabhängige Magnetfeldstärke
- (dynamische) Magnetostriktion
- Haupteinflussgrößen auf die Messsignale:
- Hauptspannungskomponenten  BW1, RP
- Mikroeigenspannungen
- Temperatur
- Mikrostruktur
- Setup der Messung, Anregungsfrequenz, Anregungsspannung, analysierter
Frequenzbereich)
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11. Mikromagnetische Techniken zur Eigenspannungsmessung
- Barkhausen-Rauschen: = magnetischer Barkhausen-Effekt
- Anstieg der magnetischen Flussdichte bei
Erhöhung der magnetischen Feldstärke
(Hysteresekurve) ist nicht kontinuierlich
- Stufen korrespondieren mit
- dem Verschieben der Bloch-Wände
(Pinning an Gitterbaufehlern,
Suszeptibilität)
= horizontale Sprünge, reversibel
- Umklappen ganzer Weiß‘scher
Bezirke
= vertikale Sprünge, irreversibel
- akustischer Nachweis über ein Rauschen
diskontinuierliche Änderungen der Magnetisierung von ferromagnetischen
Werkstoffen in einem sich stetig ändernden magnetischen Feld
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11. Mikromagnetische Techniken zur Eigenspannungsmessung
- Barkhausen-Rauschen: = magnetischer Barkhausen-Effekt
- Amplitude des BarkhausenRauschens korrespondiert mit dem
mikromagnetischen Vorgängen im
Werkstoff
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11. Mikromagnetische Techniken zur Eigenspannungsmessung
- Barkhausen-Rauschen: = magnetischer Barkhausen-Effekt
- Amplitude des BarkhausenRauschens korrespondiert mit dem
mikromagnetischen Vorgängen im
Werkstoff
- Signal hat Sensitivität bzgl. der
Ausrichtung der Bloch-Wände,
welche wiederum durch
Eigenspannungen beeinflußt wird
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11. Mikromagnetische Techniken zur Eigenspannungsmessung
- Hauptspannungen
- werden durch Bewegung von BW1 abgebaut (Reduzierung der inneren Energie)
- magnetische Domänen ordnen sich parallel oder senkrecht zum Spannungsfeld
an (parallele und antiparallele Anordnung nicht unterscheidbar)
- wenn ein Magnetfeld ein Spannungsfeld überlagert, ordnen sich die
magnetischen Momente entlang der wirkenden Spannung an
- bei Zugspannungen: Richtung leichter Magnetisierbarkeit
- bei Druckspannungen: Richtung schlechter Magnetisierbarkeit
- spannungsinduzierten magnetischen Anisotropie:  Bestimmung der
Hauptspannungsachsen (bei Rotation des Anregungsfeldes)
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11. Mikromagnetische Techniken zur Eigenspannungsmessung
- Makroeigenspannungen
- magnetische Domänen (Weißsche Bezirke) < Korngröße
- wenn Makroeigenspannungen vorliegen, erfahren die die Blochwände nur das
Spannungsfeld im „Einkristall“
 Mikroeigenspannungen sind für Anordnung der Blochwände verantwortlich
- oftmals sind die Änderungen bei der
Messung von Eigenspannungen nichtlinear: Abhilfe durch Messung mehrerer
Parameter
Magnetostriktion in Fe
Wechsel von pos zu neg durch
zunehmenden Einfluss von (111)-BW
und (110)-BW gegenüber (100)-BW
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11. Mikromagnetische Techniken zur Eigenspannungsmessung
- Einflüsse der Mikrostruktur
- BW1 werden durch Strukturdefekte gepinnt
- hohe EIgenspannungen un Subkörnern verringern die BW1-Dichte
- starke H-Felder werden zur Ummangnetisierung benötigt
(geringe Sensitivität, lineares Verhalten der magn. Parameter mit H)
- rekristallisierte Ferromagneten sind sehr spannungssensitiv
(hohe Sensitivität, häufig nicht-lineares Verhalten)
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11. Mikromagnetische Techniken zur Eigenspannungsmessung
- Barkhausen-Rauschen vs. Härte
nicht linear
(rekristallisiert)
~ linear
(stark deformiert)
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11. Mikromagnetische Techniken zur Eigenspannungsmessung
- Einfluss der Temperatur
- Bloch-Wand-Anordnung bzw. lokale Magnetisierung werden durch magnetische
Kristallanisotropie vorgegeben
- Anisotropie ist temperaturabhängig (Curie-Temperatur)
- Spannungssensitivität steigt mit steigender Temperatur
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11. Mikromagnetische Techniken zur Eigenspannungsmessung
- Messungen und deren Auswertung
- keine standardisierten Verfahren
- Design der Messeinrichtung richtet sich nach Nutzerbedürfnissen (variable
Charakteristiken der Sensoren)
- keine standardisierten Auswerteroutinen
-
Kalibrierung
Zug- oder Druckversuch, Röntgenbeugung
Kombination mit Ultraschallmethoden
simultane Messung mehrerer magnetischer Parameter
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11. Mikromagnetische Techniken zur Eigenspannungsmessung
- typische Messanordnung zur Aufnahme des Barkhausen-Rauschens
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11. Mikromagnetische Techniken zur Eigenspannungsmessung
- typisches Kalibrationsexperiment:
- typisches Messergebnis
a,b,c,d … Kalibrationsparameter
Pmax … max. Barkausen-Amplitude
Imax … max. Impulszahl vs. Amplitude
Dt … Peak shift
𝜎𝐵𝑁 = 𝑎𝑃𝑚𝑎𝑥 + 𝑏Δ𝑡 + 𝑐𝐼𝑚𝑎𝑥 + 𝑑
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11. Mikromagnetische Techniken zur Eigenspannungsmessung
- Beispiele
(laserbehandelte Stahloberfläche)
- erzeugt Eigenspannungen unter der Oberfläche
- erzeugt Phasenumwandlung an der Oberfläche (Martensitbildung)
 mehrere Signale müssen genutzt werden
- Kalibration: Biegeversuch mit gehärteten und ungehärteten Proben
- Datenanpassung über NLSF (multidimensionale Anpassungsfunktionen)
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11. Mikromagnetische Techniken zur Eigenspannungsmessung
- Beispiele
(laserbehandelte Stahloberfläche)
- erzeugt Eigenspannungen unter der Oberfläche
- erzeugt Phasenumwandlung an der Oberfläche (Martensitbildung)
 mehrere Signale müssen genutzt werden
(Barkhausen-Rauschen+tangentiale Feldstärke+Permeabilität+ Wirbelstromparameter:
gleichzeitig messen  Eigenspannung+Härte+Hartetiefe)
-
Abweichungen:
- unterschiedliche
Eindringtiefen
- Beträge mehrachsiger
Spannungszustände
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11. Mikromagnetische Techniken zur Eigenspannungsmessung
- Beispiele
(kugelgestrahlte Stahloberfläche)
- Nachweis von Eigenspannungen II. Art mittels mikomagnetischer Methoden
Röntgenbeugung + Ätzen
Barkhausen-Rauschen
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11. Mikromagnetische Techniken zur Eigenspannungsmessung
- hochortsaufgelöste Bestimmung von mikromagnetische Parametern
- derzeit: kleinste Auflösung: ca. 10 µm
- erforderlich sind miniaturisierte Messköpfe
- zieht eine hochpräzise Positionierung nach sich, um z.B. die Bewegung von
Bloch-Wänden detektieren zu können (~ 1 µm)
- Oberfläche kann abgerastert werden (ortsaufgelöste Messungen)
Laserspot-induzierte
Eigenspannungen
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11. Mikromagnetische Techniken zur Eigenspannungsmessung
- typische Anwendungsempfehlungen
- außer Eigenspannungen auch Mikrostrukturparameter und Spannungen
messbar
- Kalibrierung ist essentiell für die Quantifizierung
- Beeinflussung des Messsignal durch el.-magn. und akustische Störungen
- kein standardisiertes Verfahren (spezielle Messanordnungen)
- schnelles und kontaktloses Verfahren ermöglicht in-line ParameterProzesskontrolle
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