Применение спектральных характеристик магнитоакустической эмиссии для структуроскопии ферромагнитных материалов

 © В.Н. Костин

Магнитоакустической эмиссией (МАЭ) называют всю совокупность упругих колебаний, возникающих в ферромагнетике при его перемагничивании. МАЭ может возникать за счет электромагнито-акустического преобразования (за счет действия вихревых токов) и за счет магнитострикционного возбуждения упругих колебаний при необратимом смещении доменных границ. Первый механизм не проявляется при низких (единицы Гц) частотах перемагничивания из-за малости вихревых токов. Второй механизм, называемый иногда магнитным шумом, связан с эффектом Баркгаузена, причем в отличие от известной электромагнитной регистрации сигналов Баркгаузена МАЭ позволяет регистрировать скачки доменных границ не только вблизи  поверхности, но и в объеме материала. Магнитоакустическая эмиссия несет информацию как о локальных магнитострикционных взаимодействиях, связанных с необратимыми смещениями 90-градусных доменных границ, так и о результирующем магнитострикционном изменении размеров ферромагнетика, что можно считать третьим механизмом МАЭ.

Активные исследования зависимости МАЭ различных материалов от структурных изменений, происходящих в результате деформационных и термических воздействий, продолжаются до настоящего времени [1-24]. Объектами исследований являются как конструкционные, так и электротехнические материалы. Высокая чувствительность МАЭ к различным дефектам и особенностям кристаллического строения нашла применение при исследовании структурных превращений, а также упругих и пластических деформаций ферромагнитных материалов.

До недавнего времени для регистрации МАЭ использовали обычные узкополосные пьезопреобразователи, а количественной характеристикой МАЭ являлось среднеквадратичное значение огибающей потока упругих колебаний. Такой способ регистрации не позволял селективно оценивать вклады различных механизмов формирования МАЭ и определять их связь со структурой материалов. Между тем, процессы перестройки доменной структуры имеют различные размерные (например, площадь или длина пробега доменной границы), количественные (например, число одновременно смещающихся границ) и временные (время скачка Баркгаузена) характеристики и, соответственно, должны проявляться в различных участках частотного спектра упругих колебаний.

В цикле работ авторы с помощью широкополосных датчиков и цифровой обработки сигналов исследовали спектры магнитоакустической эмиссии термообработанных и деформированных сплавов на основе железа и сталей различного химического состава. Установлено, что амплитуда гармоники с частотой, равной удвоенной частоте перемагничивающего поля, коррелирует с магнитострикционной чувствительностью материалов. Показано, что основная (с наибольшей энергией) частота магнитоакустической эмиссии может быть параметром контроля средне- и высокотемпературного отпуска закаленных сталей различного химического состава. Установлено, что амплитудные и частотные параметры МАЭ ряда исследованных сталей коррелируют с их остаточной магнитной индукцией вещества. Полученные результаты используются при разработке новых магнитных и магнитоакустических методов контроля и диагностики.

Литература

  1. Ono K., Shibata M. Magnetomechanical acoustic emission of iron and steels. - Materials Evaluation. 1980. V. 38. No 1. p. 55-61.
  2. Shibata M., Ono K. Magnetomechanical Acoustic Emission - a New Method of Nondestructive Stress Measurement. - NDT International. 1981. October. p. 227-234.
  3. Burkhardt G.I., Beissner R.E., Matzkanin G.A., King J.D. Acoustic methods for obtaining Barkhauzen noise stress measurements. - Materials Evaluation. 1982. V. 40. No 6. p. 669-675.
  4. Ranjan R., Jiles D.S., Rastogi P.K. Magnetoacoustic emission, magnetization and barkhausen effect in decarburized steels. - IEEE Trans. Magn. 1986. MAG-22. No 5. p. 511-513.
  5. Ranjan R., Jiles D. C, Buck O., Thompson R.В. Grain size measurement using magnetic and acoustic Barkhauzen noise. - J. Appl. Phys. 1987. v. 61. No 8. p. 3199-3201.
  6. Горкунов Э.С., Хамитов В.А., Бартенев О.А. и др. Магнитоупругая акустическая эмиссия в термически обработанных конструкционных сталях. - Дефектоскопия. 1987. № 3. с. 3-9.
  7. Jiles D.C. Integrated on-line instrumentation for simultaneous automated measurement of magnetic field, induction, Barkhausen effect, magneto-acoustic emission and magnetostriction. - J. Appl. Phys. 1988. v. 63. No 8. p. 3946-3948.
  8. Ng D.Н.L., Jakubovics J.P., Scruby С.В., Briggs G.A.D. Effect of stress on magneto-acoustic emission from mild steel and nickel. - Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1992. v. 104. p. 355-356.
  9. Xu Yuehuang, Shen Gongtian, Guo Ying, Liu Jing, Yu Yuwu, Du Fengmu. An investigation on magnetoacoustic emission of ferromagnetic materials with 180° magnetic domain walls. - Journal of Magnetism and Magnetic Materials. V. 127. I. 1-2. 1993. p. 169-180.
  10. Park D.G., Ok С.I., Leong H.Т., Kuk I.H., Hong J.H. Nondestructive evaluation of irradiation effects in RPV steel using Barkhausen noise and magne­toacoustic emission signals. - Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1999. No 196-197. p. 382-384.
  11. Xu Y.H., Ma L., Du F.M., Ma X.Y., Ng D.H.L. Magnetoacoustic emission and Barkhausen noise of cobalt nickel oriented silicon steel and permalloy. - Journal of Magnetism and Magnetic Materials. V. 219. I. 2. September 2000. p. 166-172.
  12. Горкунов Э.С., Драгошанский Ю.Н., Хамитов В.А., Шевнин В.М. Магнитоупругая акустическая эмиссия в ферромагнитных материалах I. Влияние кристаллографической анизотропии. - Дефектоскопия. 2001. № 3. с. 3-23.
  13. Горкунов Э.С., Драгошанский Ю.Н., Хамитов В.А. Магнитоупругая акустическая эмиссия в ферромагнитных материалах 2. Влияние упругих и пластических деформаций на параметры магнитоупругой акустической эмиссии. - Дефектоскопия. 2001. № 12. с. 3-30.
  14. Горкунов Э.С., Ульянов А.И., Хамитов В.А. Магнитоупругая акустическая эмиссия в ферромагнитных материалах 3. Влияние структурных изменений на магнитоупругую акустическую эмиссию (обзор). - Дефектоскопия. 2002. № 5. с. 86-112.
  15. Piotrowski L., Augustyniak B., Chmielewski M., Landgraf F.J.G., Sablik M.J. Impact of plastic deformation on magnetoacoustic properties of Fe–2%Si alloy. - NDT&E International. V. 42. 2009. p. 92–96.
  16. Иванова Й., Парталин Т. Сравнительные измерения напряженного состояния проката углеродистой стали посредством шума Баркгаузена и ультразвука. – Дефектоскопия. 2012. № 2. с. 83-94.
  17. Piotrowski L., Augustyniak B., Chmielewski M., Labanowski J., Lech-Grega M. Study on the applicability of the measurements of magnetoelastic properties for a nondestructive evaluation of thermally induced microstructure changes in the P91grade steel. - NDT&E International. V. 47. 2012. p. 157-162.
  18. Piotrowski L., Chmielewski M., Augustyniak B. The influence of elastic deformation on the properties of the magnetoacoustic emission (MAE) signal for GO electrical steel. - Journal of Magnetism and Magnetic Materials. V. 324. 2012. p. 2496-2500.
  19. Piotrowski L., Augustyniak B., Chmielewski M., Lahanowski J., Lech-Grega M. Study on the applicability of the measurements of magnetoelastic properties for nondestructive evaluation of thermally induced microstructure changes in the P91-grade steel. - NDT& E International. 2012. V. 47. p. 157-162.
  20. Костин В.Н., Василенко О.Н., Филатенков Д.Ю., Чекасина Ю.А., Сербин Е.Д. Магнитные и магнитоакустические параметры контроля напряженно-деформированного состояния углеродистых сталей, подвергнутых холодной пластической деформации и отжигу. - Дефектоскопия. 2015. № 10. с. 33-41.
  21. Piotrowski L., Chmielewski M., Augustyniak B. On the correlation between magnetoacoustic emission and magnetostriction dependence on the applied magnetic field. - Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2016. V. 410. 2016. p. 34-40.
  22. Костин В.Н., Филатенков Д.Ю., Чекасина Ю.А., Василенко О.Н., Сербин Е.Д. Особенности возбуждения и регистрации магнитоакустической эмиссии в ферромагнитных объектах. - Акустический журнал. 2017. № 63. с. 209-216.
  23. Makowska, K., Piotrowski, L., Kowalewski, Z.L. Prediction of the Mechanical Properties of P91 Steel by Means of Magneto-acoustic Emission and Acoustic Birefringence. - Journal of Nondestructive Evaluation. 2017. V. 36 I. 2. Art. No 43. p. 1-10.
  24. Piotrowski L., Chmielewski M., Kowalewski, Z. On the application of magnetoelastic properties measurements for plastic level determination in martensitic steels. - Journal of Electrical Engineering. 2018. V. 69. p. 502-506.

Краткая формула