Vad är Barkhausenbrus?
Barkhausenbrus (BN) kallas en elektromagnetisk signal, som genereras i ett ferromagnetiskt material på grund av ett externt magnetiskt fält.
BN-signalen ökar när dragspänningarna ökar och/eller hårdheten minskar.
Det fysikaliska fenomenet Barkhausenbrus beskrevs första gången 1919 av professor Heinrich Barkhausen, vid universitetet i Dresden. Metoden fick dock uppmärksamhet för industriella tillämpningar först i början av 1980-talet tack
vare Dr Seppo Tiitto och Dr Kirsti Tiitto, som då grundade företaget Stresstech.
Professor Barkhausen lindade en spole omkring ett rundjärn och anslöt ändarna på spolen till en högtalare. Han magnetiserade sedan rundjärnet med en magnetstav. Han hörde då ’clicks’ i högtalaren. Det visade sig vara spänningspulser
som alstrades när rundjärnet magnetiserades.
Se även
http://en.wikipedia.org/wiki/Barkhausen_effect
Idag är Barkhausen en erkänd oförstörande provningsmetod för materialkarakterisering och kontroll av slipprocesser och värmebehandling.
Barkhausenbruset (BN) genereras då man applicerar ett externt magnetfält på ett ferromagnetiskt material, t.ex. vanligt stål. Ferromagnetiska material består av magnetiska domäner som är åtskilda från varandra genom domänväggar.
De magnetiska domänerna är slumpmässigt orienterade vilket gör att den totala nettomagnetiseringen av materialet är noll. Om materialet utsätts för ett magnetfält riktar de magnetiska domänerna in sig i det externa magnetfältets riktning.
Under det pålagda magnetfältet rör sig domänväggarna fram och tillbaka eftersom domänen på ena sidan av väggen ökar sin storlek medan domänen på motsatt sida av väggen krymper. Domänen som har en riktning närmast det pålagda magnetfältet
ökar sin storlek på bekostnad av de andra domänerna som har olika orienteringar än för det pålagda magnetfältet. Allt efter som magnetfältet ökar kommer man till en punkt där materialet mättas. Vid mättnad blir alla magnetiska domäner
parallella med det pålagda magnetfältet.
När det pålagda magnetfältet minskar och går mot noll igen försöker de magnetiska domänerna också att gå tillbaka till sina ursprungliga inriktningar. Dock hindras de av s.k. pinning sites, som kan vara t.ex. utskiljningar, korngränser,
inneslutningar, dislokationer och små volymer av andra faser, som saktar ner domänväggens rörelse. Under domänväggsrörelsen används domänväggsenergin för att övervinna dessa pinning sites. På grund av energiförbrukningen vid varje
pinning site, så bildas diskreta förändringar i magnetiseringen av materialet. Även om det pålagda magnetfältet förändras smidigt, är dessa så kallade Barkhausen-hopp orsaken till en diskontinuitet som tydligt kan ses i hysteres-kurvan.
Förändringarna i magnetiseringen inducerar elektriska pulser som genererar en brusliknande elektromagnetisk signal som vi kallar Barkhausen-brus. Det kallas ”brus” på grund av ljudet som hördes från högtalaren som användes i professor
Barkhausens ursprungliga experiment.
Barkhausenbrus är ett ytnära fenomen som ger information om ytan och området mycket nära under ytan. En BN-signal har ett ganska brett effektspektrum som börjar från den pålagda magnetiseringsfrekvensen på kanske 100 Hz, upp till över
2 MHz i de flesta ferromagnetiska material. Det effektiva djupet för signalgenomträngningen är mellan 0,01 mm och 1 mm. BN-signalen dämpas på grund av den s.k. skin-effekten som orsakas av motsatta virvelströmmar som induceras av
det pålagda magnetiska fältet. En uppskattning av penetrationsdjupet för magnetfält kan beräknas med hjälp av följande formel:
där δ betecknar penetrationsdjupet, μ representerar den magnetiska permeabiliteten, σ den elektriska ledningsförmågan och ƒ betecknar frekvensen för magnetfältet.
Två viktiga materialegenskaper kommer att påverka intensiteten hos BN-signalen.
Den ena är närvaron och fördelningen av elastiska spänningar som kommer att påverka hur domäner väljer och låser sig i sin normala magnetiseringsriktning. Detta fenomen med elastiska egenskaper som interagerar med domänstruktur och
materialets magnetiska egenskaper kallas en ”magnetoelastisk interaktion.” Som ett resultat av magnetoelastisk interaktion kommer kompressionsspänningar att minska intensiteten i Barkhausenbruset medan dragspänningarna ökar intensiteten.
Detta gäller i material med positiv magnetisk anisotropi (järn, de flesta stål och kobolt). Detta faktum kan utnyttjas så att nivån av restspänningar kan bestämmas genom att mäta intensiteten av Barkhausenbrus. Mätningen kan också
definiera riktningen för huvudspänningarna.
Den andra viktiga materialegenskap som påverkar Barkhausenbrus är provets mikrostruktur. Enkelt uttryckt, materialets hårdhet. BN-intensiteten minskar kontinuerligt i mikrostrukturer som kännetecknas av ökad hårdhet. På detta sätt
ger BN-mätningar information om materialets hårdhet. Provets mikrostruktur påverkar också formen på signalutgången. Som ett exempel har hårda magnetiska material bredare och mjuka magnetiska material har smalare BN-signalform (Peak
width). Kännetecknande för BN-signalen är amplitud-, topp- och breddformer som påverkas av mikrostrukturen i provet och det applicerade magnetiseringsfältet.
Barkhausenbrusmätning kräver:
• Ett analysinstrument som genererar pålagt magnetfält och analysrear BN-signalen (Rollscan)
• En BN-sensor utvecklad för komponenten som ska testas
• Någon form av fixtur för att applicera sensorn på provobjektet
• Programvara för datainsamling (ViewScan) och analys (MicroScan).
Under mätningen applicerar sensorn det pålagda magnetfältet och plockar samtidigt upp den inducerade BN-signalen och överför den till instrumentet. Programvaran samlar in och presenterar mätvärdena samt kan ge statistik i realtid.
Fixturen (i enklaste fall, den mänskliga handen) säkerställer att sensorn har god kontakt med provobjektet och ger reproducerbara mätningar.
Många processer såsom bearbetning (svarvning, fräsning, borrning, slipning), eller kallbearbetning (kulbombning, laserpening, autofrettage) och ythärdning (sätthärdning, nitrering eller induktionshärdning) ger som resultat en förändring
av både spänning och mikrostruktur och kan lätt analyseras med Barkhausen. Andra dynamiska processer såsom krypning och utmattning innebär också förändringar i restspänningar och mikrostruktur och kan också övervakas med Barkhausen.
Praktiska tillämpningar av Barkhausen-metoden kan delas upp i tre kategorier:
• Kontroll av restspänningar
• kontroll av hårdhet
• Utvärdering av ytdefekter
BN-signalen ger ett svar på restspänningsnivån hos proverna. Dragspänning ökar amplituden på BN-signalen och tryckspänning minskar amplituden på BN-signalen.
Kallbearbetningsprocesser som används för att skapa komplexa tryckrestspänningar i ytskiktet kan karakteriseras med Barkhausenbrus. Som ett exempel så används BN-signalen för att utvärdera effektiviteten i shot peening-processen och
förbättra kvalitetskontrollen. Med Barkhausen kan man kontrollera täckning och enhetlighet i shot peening-processen.
Mätning av absoluta restspänningar med Barkhausen-brus är inte en enkel tillämpning eftersom Barkhausen-bruset inte direkt ger några MPa-värden för bestämning av spänningstillstånd. Men med en kalibreringsprocess kan det göras framgångsrikt
och icke-destruktivt.
Utvärdering av svetsspänningar är en annan praktisk tillämpning av Barkhausen.
Barkhausen kan också användas för utvärdering av materialets hårdhet. Mjuka material ökar amplituden på BN-signalen och hårda material minskar amplituden. Barkhausen kan alltså skilja mjuka och hårda komponenter från varandra i en
produktionslinje efter t.ex. en härdprocess. Mäthastigheten är hög, vilket gör det enkelt matcha produktionshastigheterna för de flesta tillverkningslinjer, dvs hårdhetskontroll i realtid.
Detektering av slipskador och kontroll av slipningsprocessen
Slipbränning är ett vanligt namn för de termomekaniska skador som kan uppstå på ytan under slipningsprocesser. Slipbränningar kan orsaka lokala missfärgningar på ytan och anlöper eller återhärdar ytskikten. När temperaturen vid slipprocessen
hamnar i det anlöpningsområdet men under austenitiseringstemperaturen (Ac3) så kommer uppvärmningen resultera i mjukt material som kallas överanlöpt martensit (OTM). Bildandet av OTM ger en anlöpt slipbränning vilket skapar dragspänningstillstånd
och minskar hårdheten på ytan. När temperaturen är över austenitiseringstemperaturen (Ac3) så bildas den oanlöpt martensit (UTM) på ytskiktet på den slipade komponenten. UTM-skiktet är mycket hårdare än omgivningen, har höga tryckspänningar,
är känsligt för mikrosprickor och sprödare än omgivande områden i ytskiktet på komponenten. Bildandet av det hårda skiktet av martensit (UTM) kallas återhärdningsbränning.
Överanlöpt martensit (OTM) ger en hög BN-signal (låg hårdhet och dragspänningar) medan oanlöpt martensit (UTM) ger en mycket låg BN-signal (hög hårdhet och tryckspänningar). Eftersom både spänningar och hårdhet samverkar så är det
enkelt att särskilja mellan de olika typerna av slipbränningar.
Slipningsprocesser kan övervakas och optimeras genom att kontrollera de slipade detaljerna med Barkhausen. Det är enkelt att upptäcka slipskador som uppstår på grund av skivslitage, fel matningshastighet, skivhastighet, kylning och
andra parametrar.