Vorlesung Eigenspannungen in Bauteilen und Werkstoffen

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1 Vorlesung Eigenspannungen in Bauteilen und Werkstoffen

2 0. Inhalt/Organisatorisches
Eigenspannungen (Ursachen, Auswirkungen, Einteilung, Messung, Beispiele, …) (1) Grundlagen der Elastizitätstheorie (tensorielle Eigenschaften von Kristallen) (2) Röntgenographische Verfahren (3-9) Messanordnungen (3) Bestimmung der Dehnungen (4) Beugungsverfahren – Euler-Wiege (5) Beugungsverfahren – Auswertung (6) Beugungsverfahren – streifender Einfall (7) Vom Dehnungstensor zum Spannungstensor - Anisotropie (8) Fehler bei der Spannungsbestimmung (9) nicht-röntgenographische Verfahren (10-11) Stokes-Gleichung (10) Ultraschalltechnik (11) Fragestunde (12) Literatur: Noyan, Cohen, Hauk, Welzel

3 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)

4 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

5 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

6 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)

7 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

8 11. Mikromagnetische Techniken zur Eigenspannungsmessung
Messstrategien

9 11. Mikromagnetische Techniken zur Eigenspannungsmessung
Wann werden welche Prozesse angeregt? BW2-Bewegung: Ummagnetisierung nahe Hc BW1-Bewegung bei hohen Magnetfeldstärken Rotation: nachdem Blochwanddichte gesättigt ist und sinkt Eigenspannungen: BW1, RP wirken magnetostriktiv polykristalliner Ferromagnet

10 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)

11 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

12 11. Mikromagnetische Techniken zur Eigenspannungsmessung
Barkhausen-Rauschen: = magnetischer Barkhausen-Effekt Amplitude des Barkhausen-Rauschens korrespondiert mit dem mikromagnetischen Vorgängen im Werkstoff

13 11. Mikromagnetische Techniken zur Eigenspannungsmessung
Barkhausen-Rauschen: = magnetischer Barkhausen-Effekt Amplitude des Barkhausen-Rauschens korrespondiert mit dem mikromagnetischen Vorgängen im Werkstoff Signal hat Sensitivität bzgl. der Ausrichtung der Bloch-Wände, welche wiederum durch Eigenspannungen beeinflußt wird

14 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)

15 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 nicht-linear: 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

16 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)

17 11. Mikromagnetische Techniken zur Eigenspannungsmessung
Barkhausen-Rauschen vs. Härte nicht linear (rekristallisiert) ~ linear (stark deformiert)

18 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

19 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

20 11. Mikromagnetische Techniken zur Eigenspannungsmessung
typische Messanordnung zur Aufnahme des Barkhausen-Rauschens

21 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 𝜎 𝐵𝑁 =𝑎 𝑃 𝑚𝑎𝑥 +𝑏Δ𝑡+𝑐 𝐼 𝑚𝑎𝑥 +𝑑

22 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)

23 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

24 11. Mikromagnetische Techniken zur Eigenspannungsmessung
Beispiele (kugelgestrahlte Stahloberfläche) Nachweis von Eigenspannungen II. Art mittels mikomagnetischer Methoden Röntgenbeugung + Ätzen Barkhausen-Rauschen

25 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

26 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 Parameter-Prozesskontrolle