Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Die Qualität von Feinblechbauteilen wird maßgeblich durch physikalische und geometrische Eigenschaften der Bauteile bestimmt. Der Analyse dieser Qalitätsmerkmale kommt somit eine besondere Bedeutung bei der Optimierung und überwachung des Fertigungsprozesses zu.
Die lokal vorliegenden Volumeneigenschaften des Materials beeinflussen die erzielbare Qualität im Umformprozess wesentlich. Streckziehfähigkeit, Tiefziehbarkeit und Anisotropie sind dabei ausschlaggebende Eigenschaften. Um Aussagen über die Qualität der Bauteile machen zu können, ist daher eine überwachung der Materialeigenschaften nach der Bearbeitung erforderlich. Angestrebt wird eine prozessnahe zerstörungsfreie 100% Prüfung. Am Institut für Fertigungstechnik und Spanende Werkzeugmaschinen werden zur Detektion von Materialveränderungen durch Bearbeitungsprozesse mikromagnetische Verfahren erfolgreich eingesetzt.
Das Messprinzip des verwendeten mikromagnetischen Sensors basiert auf dem Barkhausenrauschen. Die magnetische Struktur der Werkstoffe wird von den Materialeigenschaften beeinflusst. Kristallitgrenzen und andere Inhomogenitäten wie Versetzungen, Fremdatome und Einschlüsse behindern die Bewegung der sogenannten Bloch-Wände. Das Ablösen der Wände von Inhomogenitäten führt zu Sprüngen in der Magnetisierung, dem sogenannten Barkhausenrauschen. Mit einer Spule auf der Oberfläche des Bleches können diese ruckartigen Bewegungen der Bloch-Wände in Form kurzer elektrischer Impulse registriert werden. Die Anzahl, Höhe und Intensität der Impulse ist dabei material- und zustandsabhängig. Aus der Amplitude der Einhüllenden des entstehenden Rauschbündels können beispielsweise Rückschlüsse auf die mechanischen Spannungen im Blech gezogen werden [1].
Der für die Prüfung von Blechbauteilen im SFB Fertigen in Feinblech (SFB 362) aufgebaute Messplatz ist in Bild 1 zu sehen. Bild 2 zeigt die physikalische Messkette des Systems. In einem Computer wird das erregende Signal generiert. üblicherweise werden sinusförmige Erregerspannungen genutzt, aber auch Sägezahn oder Spannungsrampen kommen zum Einsatz. Mit der so generierten Spannung wird die Erregerspule beaufschlagt. Diese induziert das erregende Feld in dem zu untersuchenden Material. Im ferromagnetischen Material kommt es dadurch zur Neuausrichtung der magnetischen Momente einzelner Bereiche des Stoffes. Diese Neuausrichtung führt zu einer Veränderung des magnetischen Flusses an der Oberfläche des zu untersuchenden Werkstoffes. Der Werkstoff wandelt also das erregende Magnetfeld in ein resultierendes Streufeld. Die Veränderung im Streufeld können mit Hilfe einer zweiten Spule detektiert werden. Die zweite Spule wirkt in dieser Messkette differenzierend hinsichtlich des erzeugten Feldes. Es wird bei diesem Messaufbau also nicht die Hysterese direkt aufgenommen, sondern vielmehr die Steigung der Hysterese. Dieses Vorgehen reduziert insbesondere den erforderlichen Hardwareaufwand für die Messungen. A/D-Wandler mit einer 8-Bit Auflösung können für die Messungen verwendet werden, da jeder Barkhausensprung dann in einem 256 Stufen umfassenden Raster quantifiziert werden kann. Bei einer gleichen Auflösung des A/D-Wandlers würde bei einer direkten Vermessung der Hystereseschleife ebenfalls eine Stufung von 256 Schritten auftreten, wobei zu beachten ist, dass der abzudeckende Wertebereich um Faktor 109 größer ist.. Eine solche grobe Rasterung würde dann jedoch zu einem nicht aussagekräftigen Signal führen.
Abb 1: Mikromagnetischer Messplatz mit xy-Tisch.
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Das so erzeugte Signal wird mit Hilfe eines Verstärkers und eines A/D Wandlers wieder in den Computer zurückgegeben. Im Rechner erfolgt die weitere Verarbeitung des Messsignals.
Wesentlich für die Nutzung magnetischer Verfahren zur Materialcharakterisierung ist das Verständnis der Zusammenhänge zwischen diesen beiden Feldern. Die Schwierigkeit in der Anwendung liegt darin, dass die Abbildung zwischen dem erregenden und dem Streufeld bislang noch nicht allgemeingültig bekannt ist. üblicherweise werden die Messwerte mit den Materialeigenschaften über Korrelationspolynome niedrigen Grades verknüpft.
Abb 2: Schema der physikalischen Messkette des mikromagnetischen Messsystems.
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Das Messprinzip des verwendeten mikromagnetischen Sensors basiert auf der Tatsache, dass die magnetische Struktur ferromagnetischer Materialien von den makroskopischen Materialeigenschaften abhängen. Der zur Analyse genutzte Effekt ist als Barkhausenrauschen bekannt. Die Anzahl, Höhe und Intensität der Impulse ist dabei material- und zustandsabhängig [2,3]. Aus der Amplitude der Einhüllenden des entstehenden Rauschbündels können Rückschlüsse beispielsweise auf die mechanischen Spannungen im Blech gezogen werden [4,5].
Bild 3 soll die auf mikroskopischer Ebene ablaufenden Vorgänge verdeutlichen. Die einzelnen Körner des Gefüges besitzen unterschiedliche Kristallorientierungen. Die magnetischen Momente innerhalb dieser Körner würden sich ohne äußere Einflüsse entlang der leicht zu magnetisierenden Kristallachsen ausrichten. In der hier untersuchten ferritischen Struktur sind die {100} Netzebenen die leicht zu magnetisierenden Richtungen. Diese sind in dem Bild als Quadrate schematisch dargestellt. Wird nun ein äußeres Magnetfeld angelegt, wirkt ein Drehmoment auf die magnetischen Momente. Liegen die leicht zu magnetisierenden Kristallachsen in Richtung des äußeren Feldes, werden sich die magnetischen Momente nach einer Aktivierung spontan in die Richtung des äußeren Feldes drehen. Es kommt zu einem sogenannten Umklappprozess. Liegen jedoch die schwer zu magnetisierenden Kristallschsen in Richtung des äußeren Feldes, nimmt mit zunehmendem äußeren Feld lediglich das Drehmoment zu. Es kommt zu einer kontinuierlichen Drehung der Magnetisierung, einem sogenannten Drehprozess. Die Bereichsgrenzen der Weissschen Bezirke sind prinzipiell unabhängig von der Kornstruktur des Materials, orientieren sich aber an den Korngrenzen. Ferner wird die Blochwandbewegung und die Ausrichtung der magnetischen Bezirke durch Einschlüsse und insbesondere durch Versetzungen aber auch durch Eigenspannungen beeinflußt.
Abb 3: Zusammenhang zwischen Gefügeparametern und magnetischen Momenten.
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Das Barkhausenrauschen ist aufgrund dieser Sensitivität des Messverfahrens auf wesentliche Materialeigenschaften für eine zerstörungsfreie Prozessüberwachung gut geeignet. Angestrebt wird dabei immer ein Vergleich zu zerstörend ermittelten Materialkenngrößen.
Es existieren bereits zahlreiche Untersuchungen, in denen einzelne Bearbeitungszustände mit Größen des magnetischen Barkhausenrauschens korreliert werden. Tiitto zeigte, dass der von ihm definierte magnetische Parameter eine stabile Größe ist, mit der über eine Korrelationsfunktion verschiedene Bearbeitungszustände erkannt werden können [2]. Mit solch einer Korrelation kann jedoch noch nicht auf unterschiedliche Materialeigenschaften geschlossen werden. Um dies zu ermöglichen, muß das Barkhausenrauschsignal detaillierter betrachtet werden. Bild 4 zeigt die Verteilung verschiedener Messgrößen eines kommerziell verfügbaren Barkhausenmesssystems. Die zugrundeliegenden Messungen wurden unter identischen Versuchsbedingungen an derselben Probe durchgeführt. Die mittlere quadratische Abweichung (RMS) des Rauschsignals wie auch der Maximalwert der einhüllenden Kurve des Rauschbündels (Pmax) sind näherungsweise normalverteilt. Demgegenüber zeigen andere Größen wie die Position des Maximums der Einhüllenden Kurve (Dt) wie auch das Maximum der Impulshöhenverteilung (Imax) keine Normalverteilung. Die Art der Verteilung hat nun Einfluß auf die Aussagefähigkeit des Messprozesses. Durch Mittelwertbildung kann die zufällige Schwankung des Messprozesses reduziert werden. Im Falle einer Normalverteilung lässt sich der verbleibende Fehler berechnen.
Abb 4: Statistik des Messprozesses.
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Für den praktischen Einsatz bietet sich die Verwendung des magnetischen Parameters nach Tiitto an. Das Messsystem ist auf eine kontinuierliche Messung der Größe ausgelegt. Geräte intern wird zudem eine zusätzliche Mittelwertbildung durchgeführt, so dass für den Anwender ein stabiler Messwert zur Verfügung steht.
Bild 5 zeigt die Messgröße "magnetischer Parameter" aufgetragen über der Dehnung. Die Untersuchungen wurden an Flachzugproben aus dem Material DC 05 durchgeführt. Das Material wurde senkrecht zur Walzrichtung des Bleches gedehnt. Die Dehnung wurde mit einer Zugprüfmaschine S100/ZD Dynamess in die Probe eingebracht und außerhalb der Zugprüfmaschine mikromagnetisch vermessen.
Die in das Material eingebrachte Dehnung führt bis 20% Dehnung zu keiner wesentlichen änderung des magnetischen Parameters. Auffallend ist, dass der magnetische Parameter bei geringen Dehnungen sowohl in Walzrichtung (0°) als auch senkrecht dazu (90°) den gleichen Wert hat. Bei der Bewertung der Messergebnisse ist insbesondere zu beachten, dass aufgrund des vorangegangenen Walzprozesses anisotrope Materialeigenschaften vorliegen, die insbesondere durch eine kristallographische Textur hervorgerufen werden. In dem hier betrachteten Fall müssen sich also die Einflußgrößen derart mit der Verformung ändern, dass es zu einer gegenseitigen Kompensation hinsichtlich der Auswirkungen auf die Messgröße kommt. Erst ab einer Dehnung von 25% unterscheiden sich der parallele und senkrechte Wert deutlich voneinander. Der untersuchte Stahl erreicht an dieser Stelle seine Gleichmaßdehnung im Flachzugversuch. Das mikromagnetische Messverfahren bietet damit die Möglichkeit, ein Erreichen des Formänderungsvermögens des Werkstoffes zu erkennen. Für eine Verallgemeinerung dieser Aussage auf andere Werkstoffe sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich.
Abb 5: Veränderung des magnetischen Parameters mit zunehmender Dehnung.
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Die gegenseitige überlagerung verschiedener Veränderungen im Material führt zu einem schwer zu interpretierenden mikromagnetischen Signalverlauf. Die beispielsweise oft genutzte Abhängigkeit des Barkhausenrauschens von den Eigenspannungen wird durch weitere Materialveränderungen beeinflußt. Zur Zeit wird intensiv an neuen Auswerteansätzen geforscht, die es ermöglichen, Eigenspannungen und andere Materialkenngrößen mit Hilfe der mikromagnetischen Messtechnik bei gleichzeitiger Veränderung mehrerer Materialeigenschaften zu ermitteln. Der statistischen Betrachtung der Messwerte und der Auswahl geeiegneter Messgrößen kommt dabei eine herausragende Aufgabe zu.
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