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Barkhausenrauschen Analyse
Die Barkhausenrauschen Analyse (BNA), genannt auch magnetoelastische oder mikromagnetische Methode, beruht auf dem Prinzip von induktiven Messungen eines rauschartigen Signals, das generiert wird, wenn ein Magnetfeld an einem ferromagnetischen Teil angewandt wird. Nach dem deutschen Wissenschaftler Professor Heinrich Barkhausen, der das Prinzip dieses Phänomens schon im Jahre 1919 erklärt hat, wird das Signal Barkhausenrauschen genannt. Barkhausenrauschen - das Phänomen
Ferromagnetische Materialien bestehen aus kleinen magnetischen Bereichen, die sich an Magnetstäben ähneln und Domänen genannt werden. Jede Domäne wird entlang einer bestimmten kristallographischen Vorzugsrichtung magnetisiert. Die Domänen werden voneinander durch Grenzen getrennt, die als Domänenwände bekannt sind. Durch AC-Magnetfelder bewegen sich die Domänenwände hin und her. Damit sich eine Domänenwand bewegen kann, soll sich die Domäne an einer Seite der Wand vergrößern, während die Domäne an der Gegenseite schrumpft. Das Ergebnis ist eine Änderung der allgemeinen Magnetisierung des Teils.
Wenn eine Spule von leitfähigem Draht in die Nähe des Teils gestellt wird, während die Domänewand sich bewegt, erzeugt die entstehende Magnetisierung einen elektrischen Impuls in der Spule. Erstmals wurden die elektrischen Betrachtungen der Bewegung der Domänenwand von Professor Heinrich Barkhausen im Jahre 1919 gemacht. Er hat bewiesen, dass der Magnetisierungsprozess, der durch eine Hysteresekurve charakterisiert wird, eigentlich nicht ununterbrochen ist, sondern aus kleinen, schrägen Schritten besteht, die entstehen, wenn sich die magnetischen Domänen unter dem angewandten Magnetfeld bewegen. Wenn alle elektrischen Impulse, die durch alle Domänenbewegungen entstehen, addiert werden, wird ein rauschartiges Signal oder das Barkhausenrauschen erzeugt.
Das Barkhausenrauschen verfügt über ein Leistungsspektrum, das bei der Magnetisierungsfrequenz anfängt und bei den meisten Materialien über 2 MHz ansteigt. Es wird exponentiell gedämpft als eine Funktion des Abstands, um welchen es sich im Material bewegt hat. Dies wird vor allem durch die Wirbelstromdämpfung verursacht, die durch die sich vermehrenden elektromagnetischen Felder entsteht, die durch die Domänenwände erzeugt werden. Das Ausmaß der Dämpfung legt die Tiefe fest, in der Informationen erfasst werden können (Messtiefe). Die Hauptfaktoren, die diese Tiefe beeinflussen, sind - der Frequenzbereich des analysierten Barkhausenrauschens sowie
- die Leitfähigkeit und Durchlässigkeit des Prüfmaterials.
Die Messtiefen für praktische Anwendungen befinden sich zwischen 0,01 und 1,5 mm. Barkhausenrauschen – die Eigenschaften
Zwei wichtige Materialeigenschaften beeinflussen die Intensität des Barkhausenrauschensignals. Eine davon ist das Vorhandensein und die Verteilung der elastischen Spannungen, die den von Domänen gewählten und in der Vorzugsrichtung der Magnetisierung geschlossenen Weg beeinflussen. Dieses Phänomen von elastischen Eigenschaften, die mit der Struktur der Domänen und den magnetischen Eigenschaften des Materials zusammenwirken, wird magnetoelastische Zusammenwirkung genannt. Als Ergebnis des magnetoelastischen Zusammenwirkens, verringern die Druckspannungen die Intensität des Barkhausenrauschens in Materialien mit positiver magnetischer Anisotropie (Eisen, die meisten Stahlsorten und Kobalt), während die Zugspannungen es vergrößern. Diese Tatsache kann also bei der Messung der Intensität des Barkhausenrauschens ausgenutzt werden, indem bei der Messung der Intensität des Barkhausenrauschens die Menge der Restspannung festgestellt werden kann. Die Messung stellt auch die Richtung der Hauptspannungen fest.
Ein anderes wichtiges Merkmal des Materials, die das Barkhausenrauschen beeinflusst, ist die Mikrostruktur des Teils. Dieser Effekt kann im Allgemeinen durch die Härte beschrieben werden: die Intensität des Rauschens verringert sich in Mikrostrukturen, die eine größere Härte haben. So vermitteln Barkhausenrauschenmessungen Informationen zum mikrostrukturellen Zustand des Materials. Barkhausenrauschen Analyse - Anwendungen
Viele verbreitete Oberflächenbearbeitungen, wie z. B. Schleifen, Kugelstrahlen, Einsatz- und Induktionhärtung verursachen gewisse Änderungen durch Spannung und Mikrostruktur, die mit dieser Methode entdeckt werden können. Unterschiedliche dynamische Prozesse wie Kriechen und Ermüdung ändern auch die Spannung und die Mikrostruktur und können mittels Barkhausenrauschen festgestellt werden.
Praktische Anwendungen der magnetoelastischen Barkhausenrauschenmethode können allgemein in drei Kategorien eingeteilt werden:
- Bewertung der Restspannungen; die vorgesehenen mikrostrukturellen Variablen können einigermaßen gesteuert werden.
- Bewertung von mikrostrukturellen Änderungen; die vorgesehene Stressebene kann einigermaßen gesteuert werden.
- Testen von folgenden Oberflächenbeschädigungen, Prozessen und Oberflächenbehandlungen, die sowohl Spannungen als auch die Mikrostruktur ändern können:
Feststellung von Schleifbeschädigungen und Steuerung des Schleifprozesses
Oberflächenbeschädigungen durch Cr-Beschichtung
Bewertung des Kugelstrahleneinflusses im Stahl
Messung der Oberflächen-Restspannung in Stahlwerkrollen und im Stahlblech
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