Συσχέτιση μικροδομής και μαγνητικών ιδιοτήτων σε κοινούς ανθρακούχους χάλυβες

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία αναπτύσσω αρχικά τη θεωρία του μαγνητισμού, πού ακριβώς οφείλεται, τι φαινόμενα λαμβάνουν χώρα κλπ, προκειμένου στη συνέχεια να αναπτύξω το φαινόμενο του θορύβου Barkhausen, καθώς κυρίως πάνω σε αυτό βασίζεται μια μαγνητική μέθοδος μη καταστροφικού ελέγχου μαγνητικών (φερρομαγνητικών) υλικών, την οποία αξιοποιώ στην παρούσα εργασία, προκειμένου να εξετάσω δοκίμια κοινού ανθρακούχου φερριτικού χάλυβα, με απώτερο σκοπό να αποδείξω τη ύπαρξη μονοτονικής συσχέτισης μεταξύ του σήματος Barkhausen noise και των μηχανικών ιδιοτήτων του συγκεκριμένου εξεταζόμενου υλικού, της σκληρότητας και της μικροδομής. Πιο συγκεκριμένα, από το ίδιο φύλλο χάλυβα έκοψα 12 μικρότερα ελάσματα για δοκίμια τα οποία παραμόρφωσα σε διαφορετικό βαθμό με τη μέθοδο της ψυχρής έλασης. Έπειτα αφού μέτρησα τον θόρυβο Barkhausen με τη χρήση διάταξης σημειακής μέτρησης, συσχέτισα με διαγραμματικές απεικονίσεις τον βαθμό παραμόρφωσης (μείωση της διατομής) με τις διαφοροποιήσεις στο σήμα Barkhausen και τη μαγνητική διαπερατότητα. Έπειτα πραγματοποίησα μετρήσεις μακροσκληρότητας με τη μέθοδο Vickers, προκειμένου να συμπεράνω αν και πώς συσχετίζονται οι μεταβολές του θορύβου Barkhausen με τις μεταβολές στην σκληρότητα του υλικού. Τέλος παρατήρησα τα δοκίμια τόσο με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) όσο και με απλό οπτικό μικροσκόπιο, προκειμένου να διαπιστώσω τυχόν διαφοροποιήσεις στη μικροδομή. Στο πέρας των πειραματικών διεργασιών έφτασα στα εξής συμπεράσματα: πως ο θόρυβος Barkhausen, η σκληρότητα και η μικροδομή σχετίζονται και μάλιστα μονοτονικά. Σε γενικές γραμμές διαπιστώθηκε ότι όσο αυξάνεται ο βαθμός πλαστικής παραμόρφωσης του συγκεκριμένου υλικού και η σκληρότητά του, τόσο μειώνεται η μαγνητική διαπερατότητά του ενώ αυξάνονται τα peak του σήματος Barkhausen (τα άλματα ή αλλιώς οι περιστροφές των μαγνητικών περιοχών, ένα φαινόμενο που θα επεξηγήσω αναλυτικά στην παρούσα εργασία), ενώ ταυτόχρονα λαμβάνουν σημαντικές μεταβολές στην μικροδομή του (μέγεθος, σχήμα των κόκκων). Αυτό μπορεί να αξιοποιηθεί και αντίστροφα, με τη χρήση δηλαδή αυτού του μαγνητικού μη καταστροφικού ελέγχου να διαπιστωθεί ο βαθμός παραμόρφωσης μια μεταλλικής χαλύβδινης κατασκευής και να εξαχθούν σχετικά ασφαλή συμπεράσματα όσο αφορά την ενδοτράχυνση που μπορεί να έχει υποστεί και την κατάσταση τόσο των μαγνητικών όσο και μηχανικών ιδιοτήτων, καθώς και για την μικροδομή του.

In this essay for the master degree of my studies I unfold the basics considering magnetism, the mechanisms behind it, its properties, the phenomena that occur during the magnetization of a magnetic material, so I may specifically unfold the phenomenon of the Barkhausen noise, which is the basic parameter in which a significant magnetic non-destructive testing (NDT) is based on. I refer to this, as it is the method I made use of, in order to examine specimens of a certain metallic material (ferromagnetic mild steel with carbon under 0,1%). My goal is to prove the existence of a relation between the Barkhausen noise we receive, when we magnetize the specimens by applying a magnetic field with monitored parameters, and the mechanic properties of the material, like the micro-structure, the degree of the plastic distortion and the hardness of it. More specifically, I cut a sheet of mild steel into 12 smaller specimens in the shape of plates and distorted them using the method of cold rolling. Then I measured the signal of the Barkhausen noise using a certain layout on particular points on the surface of the plates and depicted the measurements on graphs, with the degree of distortion (reduction of the cross-section of the plates) on the xx’ axis and the other Barkhausen noise’s parameters on the yy’ axis, so the direct relation between them becomes clear. After that, I took measurements of the HV (Vickers) hardness, in order to depict them, along with the Barkhausen noise’s measurements on diagrams and confirm the connection between the differentiation/changes of the hardness, caused by the cold rolling, and the changes of the Barkhausen noise and its parameters (like the magnetic permeability, the movement of the magnetic domains when in a magnetic field a.s.o, things that I will explain in detail in this essay). In the end, I observed the micro-structure of the distorted metallic plates with the use of SEM and optical microscope, so I could have a clearer picture of the changes that might have occurred inside of the specimens. After the completion of the above experimental procedures, I’ve come to these conclusions: there is indeed a direct connection/interaction between the Barkhausen noise that is emitted during the magnetization of the specimens and the changes they have undergone to the degree of their distortion, hardness and microstructure of their grains. In general, we will see in this essay that the more we may distort plastically our specimens with the method of cold rolling, the more its magnetic permeability decreases and its effective intensity of the Barkhausen effect rises, as the hardening increases and thus significant changes take place, concerning the magnetic domains and, in extension, its magnetic properties. Those conclusions may come in handy the other way around: by measuring the Barkhausen signal, one can come to safe conclusions, regarding the state of structure made of mild steel, specifically the state of its mechanic and magnetic properties, its structure of grains, its hardness, its degree of distortion and strain and have a clear view of its reliability.