Ανάπτυξη ηλεκτρομαγνητικών τεχνικών μη καταστροφικών δοκιμών σε μαγνητικά μεταλλικά υλικά
Authors: Κοσμάς Κωνσταντίνος 
Published: January 2014

Οι μεταβολές της εντατικής κατάστασης κατα τη διάρκεια επιβολής εξωτερικής τάσης ή μετά από ένα δεδομένο ιστορικό φόρτισης του υλικού μεταφράζεται σε μικροδομικές αλλαγές με πιο καθοριστική την δημιουργία και τη διάδοση διαταραχών σε όλο τον όγκο και την εμφάνιση περιοχών συγκέντρωσης διαταραχών που αποτελούν πιθανά σημεία έναρξης ρωγμών. Η διαμορφωθείσα κατάσταση του πεδίου των τάσεων σχετίζεται άμεσα με τα χαρακτηριστικά των ελασσόνων βρόχων μαγνητικής υστέρησης, από την γραμμική περιοχή μαγνήτισης έως τον μέγιστο βρόχο, σε στατικές ή καλύτερα οιωνοί-στατικές συνθήκες μέτρησης. Ανάλογη επίδραση υφίσταται και ο θόρυβος Barkhausen που απεικονίζει ουσιαστικά τον αριθμό των μη αντιστρεπτών μαγνητικών συμβάντων κατά τη διαδικασία τεχνητής μαγνήτισης. Έτσι είναι δυνατή η συσχέτιση της μεταβολής των μαγνητικών ιδιοτήτων με την παρομόρφωση, με δεδομένη την αρχική μαγνητική ανισοτροπία του μαγνητικού υλικού και κατά συνέπεια είναι δυνατή η έμμεση, μη καταστροφική, ένδειξη της προδιάθεσης του να αστοχήσει. Οι μετρήσεις των μαγνητικών βρόχων υστέρησης πραγματοποιήθηκαν σε υστερησιογράφο που σχεδιάστηκe και αναπτύχθηκε στο εργαστήριο. Η διάταξη στηρίζεται στην αρχή του κλειστού μαγνητικού κυκλώματος, όπου το πηνίο λήψης είναι τυλιγμένο γύρω από το προς μέτρηση υλικό ενώ η διέγερση επιβάλλεται από πηνίο που περιβάλλει είτε το ίδιο το προς μέτρηση δείγμα, είτε τον πυρήνα που χρησιμεύει στο να κλείνει το μαγνητικό κύκλωμα. Η πειραματική διαδικασία στην μέτρηση των βρόχων υστέρησης και του θορύβου Barkhausen συναρτήσει της πλαστικής παραμόρφωσης των δοκιμίων διαχωρίζεται σε μετρήσεις δοκιμίων υπό μονοαξονική φόρτιση (on-line μετρήσεις) και σε μετρήσεις δοκιμίων μετά την μονοαξονική τους φόρτιση (off-line μετρήσεις), ενώ συναρτήσει της πειραματικής διάταξης στην περίπτωση διέγερσης με ηλεκτρομαγνήτη (για την περίπτωση του θορύβου η μέτρηση αυτή είναι σημειακή) και αντίστοιχα με διέγερση αξονικού πηνίου. Επιλέχτηκε ως υλικό των δοκιμών ο χάλυβας πολύ χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα Armco ο οποίος, όπως φαίνεται και απο την εξέταση στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, χαρακτηρίζεται απο την παρουσία μικρού ποσοστού κατακρημνισμάτων. Εκτός από την αρχική μαλάκωση του υλικού στα 1-5 MPa, στην συνέχεια παρατηρείται μια τάση του υλικού να μαλακώσει περαιτέρω μαγνητικά μέχρι περίπου το ελαστικό όριο των 170-175 MPa και στην συνέχεια μια τάση να σκληραίνει. Αυτή η απόκριση συμφωνεί με την μαγνητική θεωρία και εξηγείται, στο θετικά μαγνητοσυστολικό υλικό, με την αλλαγή προσανατολισμού των μαγνητικών τοιχωμάτων από τοιχώματα 90° σε τοιχώματα 180° που είναι πιο ευκίνητα στην ελαστική περιοχή της φόρτισης. Η μαγνητοελαστική ενέργεια είναι υπεύθυνη γι’ αυτή την συμπεριφορά και την προσφορά ενός θετικού φαινόμενου πεδίου. H μεταβολή του σήματος Barkhausen και των παραμέτρων του επηρεάζεται περισσότερο από την τιμή του εξωτερικού φορτίου και λιγότερο από την παραμόρφωση. Επίσης παρατηρείται ότι για παραμόρφωση μεγαλύτερη από 0.7% (που αντιστοιχεί σε τάση ~175 MPa) η κλίση της απόκρισης αλλάζει, χωρίζοντας ουσιαστικά τα διαγράμματα σε δύο διαφορετικές περιοχές, όπως και στην περίπτωση του συνεκτικού πεδίου του βρόχου υστέρησης. Επιπλέον, σημειακές μετρήσεις αποδεικνύεται ότι δίνουν πληροφορίες για την τοπική κατανομή των τάσεων στο υλικό. Είναι γεγονός ότι οι μέθοδοι που παρουσιάζονται στη διατριβή μπορούν κατα περίπτωση να λειτουργήσουν συμπληρωματικά εξασφαλίζοντας αντικειμενικότερη χαρτογράφηση της μαγνητικής κατάστασης του υλικού και αντιστοίχισης τους με τη μηχανική του συμπεριφορά από την οποία εξαρτάται η δυνατότητα χρήσης του στις κατασκευές.