Műszerügyi és Méréstechnikai Közlemények 66. szám

A roncsolásmentes vizsgálati eljárások alkalmazásában az elmúlt évtizedben új irányzat figyelhető meg. Míg korábban ezen eljárásokat csak az anyaghibák felderítésére, illetve anyagkeveredésnél használták, újabban fokozottan jelentkezik igény az anyagszerkezet és feszültségállapot roncsolásmentes vizsgálatára is. Így került a figyelem előterébe a mágneses Barkhausen-zaj mérésén alapuló eljárás. Ezen mérési eljáráson alapuló vizsgálatok és műszerek fejlesztésére alakult meg 1991-ben a METALELEKTRO Kft.. A cikkben az elmúlt évek során végzett vizsgálatok eredményein keresztül mutatjuk be a mérési eljárás alkalmazásának területeit.

2. A VIZSGÁLATI ELJÁRÁS

Ferromágneses anyagok átmágnesezésekor a mágneses tér változása során az átmágneseződés nem folyamatosan, hanem sok apró ugrással megy végbe. Ezek az ugrásszerű átfordulások egy megfelelően elhelyezett külső mérőtekercsben elektromos feszültségváltozásokat hoznak létre. Ezeket a nagyfrekvenciás elektromágneses és akusztikus válaszjeleket nevezik mágneses, illetve akusztikus Barkhausen-zajnak (MBN, ill. ABN). Ezen zajok nagysága, és számos jellemzője függ az anyag szerkezetének a tökéletestől való eltérésétől és/vagy a vizsgált anyagrészre ható mechanikai feszültségtől [1]. A MBN döntően a vizsgált anyag felső, néhány tized mm vastag rétegéből származik.

Az MBN mérésére szolgáló mérőberendezések mérőfejből és központi egységből állnak. A METALELEKTRO Kft. általános célú mérőberendezései hagyományos és számítógép vezérlésű, laboratóriumi és terepen végzett mérések céljára alkalmas kivitelben egyaránt készülnek. A különböző átmágnesezési frekvenciák lehetővé teszik a mozgatott mérőfejjel végzett méréseket is. Elektronika gondoskodik arról, hogy a vizsgált anyagrészre ható mágneses tér nagysága független legyen a mérőfej és az anyag közötti légréstől, ily módon lehetővé téve a vizsgálatokat festett vagy rozsdás felületeknél is. Szűrők szolgálnak arra, hogy a vizsgálat mélységét 0.05 - 0.8 mm között megválaszthassuk. Az MBN-nek nemcsak középértéke mérhető, de a jelalak jellemzése is lehetséges, ami különösen anyagszerkezet vizsgálatnál előnyös [2]. Az általános célú műszerek mellett egyedi célra készülékeket is kifejlesztettünk. Ezen készülékek részben szabadalmaztatás alatt álló eljárásokat alkalmaznak. A készülékek alkalmazását különböző kiegészítők könnyítik meg: útjeladók, mérőfejmozgatók. Mérőhelyváltóval közel egyidejű mérések végezhetők akár 26 mérőfejjel is (1. ábra).

1. ábra. A STRESSTEST 20.01 Q számítógéppel egybeépített általános célú MBN mérőműszer (a) és különböző általános és különleges mérőfejek (b)

3. ANYAGSZERKEZET VIZSGÁLAT MBN MÉRÉSÉVEL

A ferromágneses anyagok mágneses szerkezete és az átlagos szemcseméret között olyan kapcsolat van, mely alkalmassá teszi a mérési eljárást az átlagos szemcseméret meghatározására. A mágneses szerkezetet (doméneket) megkötő karbidok és grafit szemcsék a kiválással keményedő anyagok, illetve öntvények minősítésére adtak lehetőséget. A vizsgálati eljárás érdekes alkalmazási területének bizonyult a ferromágneses fázisok változásával járó fázisátalakulások egyidejűleg történő mérése.

A hagyományos szerkezeti anyagok mellett az anyagtudomány fejlődésével megjelenő újabb anyagok, így a fémüvegek, vékonyrétegek és nanokristályos anyagok vizsgálatában is eredményesen alkalmazható eljárásnak bizonyult az MBN mérése. A vizsgálatot a Debreceni Egyetem (volt KLTE) Szilárdtestfizikai Tanszék munkatársaival közösen végeztük (2. ábra) [3]. Gyakorlati szempontból különös jelentőséggel bír a vasúti sínek futófelületének vizsgálata, melynek során MBN méréssel a hullámos kopás kialakulását tanulmányozzuk [14].

2. ábra. Összefüggés az MBN és a gerjesztő tér nagysága között a szemcseméret függvényében

4. MECHANIKAI FESZÜLTSÉG VIZSGÁLATA MBN MÉRÉSÉVEL

Új acélszerkezeteknél a szerkezethez használt anyagból készült próbatesten kéttengelyű feszültség állapotban laboratóriumi kalibráló méréssel a szokásos módon határozható meg a zaj feszültség függése [4]. Ezt követően a szerkezet bármely pontjában két, egymásra merőleges irányban végzett mérés eredményéből számítással meghatározhatók a síkbeli főfeszültségek.

Számos esetben azonban nincs lehetőség próbatest készítésére, pl. régi hidaknál. Ezért kidolgoztunk egy eljárást a vizsgálandó szerkezeten is elvégezhető helyszíni kalibrálásra. Ennek lényege, hogy a szerkezetben pl. próbaterheléssel feszültség változást hozunk létre, melynek nagyságát a kiszemelt szerkezeti elemen pl. nyúlásmérő bélyeggel mérjük. Ugyanott elvégezve az MBN mérését előállíthatjuk a kalibrációs görbét.

Változó keresztmetszetű anyagok különböző helyeinek eltérő sebességű hűléséből származó maradó-feszültségekre példa a vasúti sín gyártási maradófeszültségének meghatározása. Alkalmaztuk az eljárást pl. gyorshűtéssel előállított amorf ötvözetek, a fémüvegek gyártási maradófeszültségeinek meghatározására is [6].

A hegesztési eljárás megválasztása alapvetően befolyásolja a szerkezet hegesztési maradó feszültségét. Nagy méretű mintadarabokon végeztünk X, V és I varratú próbahegesztéseket, melyeknél tanulmányoztuk a heganyag lerakási sorrendjének hatását a feszültségállapotra, és az eredmények alapján választottuk ki a legjobb hegesztési eljárást [7].

A gépiparban alkalmazott felületalakító eljárások - esztergálás, köszörülés - mellett a felületkeményítő eljárások, mint a görgőzés, sörétezés, indukciós edzés, lézeres átolvasztás stb. feszültség-hatását is vizsgáltuk. Ezen vizsgálatok a fenti eljárások minőségellenőrzésére alkalmas ellenőrző módszerek kidolgozásához vezettek.

Plazmaszórásnál a felszórt kerámia réteg feszültségére, ezzel a bevonat minőségére, a hordozó ferromágneses alapanyagon végzett mérésből lehetett következtetéseket levonni (3. ábra) [8]. A vizsgálatokat a BME Gépipari Technológia Tanszékével közösen fejlesztett számítógéppel vezérelt letapogató rendszerrel végeztük.

Az MBN mérésével természetesen lehetőség van külső erőkből származó feszültségek és feszültség változások meghatározására is. Lehetőség van egyes gyártási folyamatok hatásának vizsgálatára: a mérési eljárással például egy Duna-híd különböző építési és szerelési lépéseinek feszültségállapotát lehetett tanulmányozni [9].

A rácsos tartó rúdjában ébredő erő meghatározása a szerkezet erőegyensúlyának ismerete szempontjából fontos. Kidolgoztunk egy olyan vizsgálati eljárást, mely a rácsos tartó gyártási és szerelési sajátfeszültségeit kiküszöbölve a rúdban ébredő erő meghatározására alkalmas. Különböző életkorú és igénybevételű rácsszerkezeteken jelenleg is folytatunk olyan vizsgálatokat, amelyek célja e szerkezetek erőegyensúlyának időbeni változásának megfigyelése [5].

4. ábra. A RailScan készülék mérés közben

4.3.3. Hézagnélküli vágányok semleges hőmérsékletének mérése: RailScan

Hézagnélküli vágányokban a korlátolt hőtágulás (dilatáció) miatt a semleges hőmérséklettől eltérő hőmérsékleteken akár a biztonságot is veszélyeztető feszültségek is keletkezhetnek.

A Magyar Államvasutak Rt-el közösen kidolgozott mérési eljárás a korábbi módszerektől eltérően forgalom alatti pályán is elvégezhető. Az összehasonlító mérések az eljárás kellő pontosságát igazolták (4. ábra) [5]. A RailScan műszerek alkalmazását ma már számos európai vasút bevezette.

4.4 Feszültségcsökkentő eljárások vizsgálata

Több esetben alkalmaztuk az MBN vizsgálati módszert különböző maradófeszültségek csökkentésére szolgáló eljárások hatásának ellenőrzésére például csővezetékeken, tartályokon [7].

5. ábra. Összefüggés a RailScan és a MÁV Rt. (roncsolásos) semlegeshőmérséklet (Tn) mérései között

5. ÁLLAPOTVIZSGÁLAT: FÁRADÁS ÉS TERMIKUS ÖREGEDÉS VIZSGÁLATA

A vizsgálati eljárás legtöbbet ígérő területe a fáradási folyamat vizsgálata, a várható élettartam meghatározása. Fizikai alapja, hogy egy adott igénybevételnek leginkább megfelelő alkatrész jellemző mikroszerkezettel és maradófeszültség állapottal rendelkezik. Újkori állapotában végzett mérések ezért összefüggnek a várható élettartammal, míg a fárasztás folyamata a végbemenő szerkezetváltozások (hibák számának növekedése) és feszültség változások miatt válik mérhetővé.

Ciklikus fárasztás során a MBN változása két folyamat eredménye: egyrészt a növekvő számú hibák miatt nő a MBN feszültségérzékenysége, másrészt változik a maradófeszültség állapot.
Az igénybevétel során meginduló mikrofolyások, képlékeny alakváltozások hatnak az MBN-re. Fáradásos töréshez vezető folyamat az MBN eloszlás változásának mérésével nyomonkövethető, a törés előtti állapotra jellemző MBN eloszlás megfelelő kísérletsorozattal határozható meg (6. ábra).

6. ábra. Diesel motor főtengely csapjának törése és a törés környezetében kijelölt mérési mátrix, valamint a MBN eloszlás

A MTA Atomenergia Kutató Intézetével közösen reaktor anyagokon végeztünk vizsgálatokat. Ezek eredményei mind sugárkárosodásra mind termikus fáradásra a mérési eljárás alkalmazásának lehetőségét vetítik előre [10] [15]. A repülőgépek hajtóművében alkalmazott INCO anyagokon végzett mesterséges öregedés vizsgálatok MBN mérési eredményei kiválóan alkalmazhatónak bizonyultak a tényleges alkatrészek vizsgálatánál is [13] .

6. KÜLÖNLEGES ALKALMAZÁSI TERÜLETEK

A Közlekedéstudományi Intézettel együttműködve dolgoztuk ki nagyszilárdságú feszítőcsavarok orsóerejének a csavarkapcsolat megbontását nem igénylő mérési eljárását. A csavarfej feszültségállapotának vizsgálatán alapuló eljárás az idővel változó súrlódási együtthatótól független mérési módja az orsóerőnek (7. ábra) [11].
	7. ábra. Jellegzetes összefüggés a csavarfejen mért MBN értékek és az orsóerő között

A gépjárművek alvázszám-hamisítás vizsgálatára fejlesztettük ki 1994-ben az ORFK szakmai támogatásával a VINTEST eljárást. A vizsgálat részben azon alapul, hogy az alvázszámok hamisítása az alvázszámot hordozó lemez mechanikai-feszültségállapotának megváltoztatásával jár [12]. A hamisításra az MBN mérése alapján működő VINTEST készülék mérési eredményéből következtet a szakértő. Az eljárás a gépjárművek eredetiségvizsgálatának bevezetésével széles alkalmazási körre talált.

A vizsgálati eljárás viszonylag egyszerű, gyors és gazdaságos jellege kínálja a lehetőséget az oktatásban való alkalmazásra. A METÁLELEKTRO Kft. 1992-ben a célnak megfelelően egyszerűsített kivitelű készüléket hozott forgalomba. A készülék számos kísérlet bemutatására alkalmas, a zaj hallhatóvá tételével pedig az eredeti, 1917-es Barkhausen kísérlethez tértünk vissza.

A különböző feszültségek vizsgálatán túl további jelenségekhez - mágnességtan, anyagszerkezet - vizsgálatára is alkalmas a STUDENT oktatási készlet. A felhasználókat saját kísérleteik megtervezéséhez műszerkönyv segíti.

7. ÖSSZEFOGLALÁS

Az MBN mérése az anyag- és feszültségvizsgálat széles körében kínál eredményes alkalmazási lehetőségeket. Mind a kutatásban egyes folyamatok jobb megismerésére, mind az iparban a minőségellenőrzésre, és újabban az oktatásban számíthatunk az eljárás elterjedésére annak roncsolásmentes, gyors, gazdaságos jellege miatt.

A METALELEKTRO Kft. együttműködve az egyes szakterületek hazai és külföldi kutatóintézeteivel és szakembereivel az MBN mérés műszereinek és vizsgálati eljárásainak fejlesztésével kíván a várható feladatoknak megfelelni. A cégnél kidolgozott számos újítás, megvalósult ötlet és a cégnél alkalmazott, ISO 9001 szabványnak megfelelő minőségbiztosítás együtt eredményezi a műszerek széles piacon történő versenyképességét, Európában és tengeren túl egyaránt.

[1] Posgay György: Mechanikai feszültség vizsgálata mágneses Barkhausen-zaj mérésével, Anyagvizsgálók lapja, I. évf. 1. sz. 1991 pp. 26-28

[2] Posgay György: A Barkhausen-zaj komplex vizsgálata, Anyagvizsgálók lapja, II. évf. 2. sz. 1992 pp. 57-59

[3] Daróczi, L., Beke, D.L., Posgay, G, Yhow, G.F., Bakker, H.: Production and Magnetic Properties of Nanocrystalline Fe and Ni, Nanostructured Materials 2, 515 (1993).

[4] Posgay György, Dr. Imre Lajos: Barkhausen-zaj mérésen alapuló feszültségvizsgálat alkalmazása hidaknál és nagy acélszerkezeteknél, Közlekedésépítés- és Mélyépítéstudományi Szemle XLI.évf. 1991. 3. szám, pp. 104-109

[5] METALELEKTRO Kft., MÁV Rt.: Eljárás tartókban ébredő erők, így hézagnélküli vágányok semleges hőmérsékletének roncsolásmentes meghatározása, szabadalmi eljárás alatt

[6] Posgay, G., Kiss,S., Tóth, F.I., Popovics, L.: Experiments on Barkhausen Noise in Fe-Co Based Metallic Glasses, Digests of the International Symposium on Magnetismof Amorphous Materials, Balatonszéplak 30/09-04/10 1985 pp. 38-39

[7] Posgay , G. et al.: `Examination of residual stress in welded structures by measuring Barkhausen noise` OIAZ, Vol. 135, No. 7-8. (1990) pp. 363-366

[8] Molnár P., Dr Takács J., Dr Buza G., Posgay Gy.: Nondestructive method for investigation of plasma sprayed coatings, 6ECNDT Nice 94 , Tome 2, pp. 1225-1227, 1994

[9] Posgay, Gy., Imre, L.: Stress examination of bridges using Barkhausen noise measurement, 6th ECNDT Nice, Tome 1, pp. 297-301, 1994

[10] Gillemot, F., Oszwald, F., and Posgay, G.,: Mechanical and Nondestructive Testing of Irradiated Half Charpy Specimens, Radiation Embrittlement of Nuclear Reactor Pressure Vessel Steels, ASTM STP 1170, 1993, pp. 209-217

[11] Imre,L., Posgay,G.: A Magnetic Method for Testing of High Strenght Bolts, Proc. of International Bridge Conference, Warsaw, 1994

[12] Posgay,G., Molnár,P., Molnár,G., Varga,F., Pesz,J.: 769, Barkhausen Noise Measurement in the Criminology, 12^th Danubia-Adria Symposium on Experimental Methods in Solid Mechanics, 05-07/10, 1995, Sopron, pp. 137-138

[13] Pirfo, S., Posgay, G., Gillemot, F., Uri, G. Evaluation Ageing of Aircraft Parts by non-destructive Testing, CI Hungarian Days of Aeronautical Sciences, Budapest, Hungary. June 5-7, 1996.

[14] Takács, N., Posgay, G., Beke, D., Harasztosi, L., Molnár, P., Comparison between the Magnetic Properties of Ball Milled Nanocristalline Perlitic Steel and the Running Surface of Rails in High Speed Railway Tracks, 15^th World Conference on Non-Destructive Testing Róma – 15-21 October 2000 (elfogadva)