Studie o zkoušení materiálů: Odhalování poškození v nemagnetické oceli pomocí magnetismu

Kaiserslauterer inženýři profesor Tilmann Beck (vlevo), doktorand Shayan Deldar (v popředí) a Dr. Marek Smaga vyvinuli tento postup společně s kolegy z Mainzu. (Foto: TUK/Koziel)

Opotřebení, koroze, únavová porucha – tyto projevy opotřebení jsou společné většině materiálů. O to důležitější je včasné odhalení poškození, ideálně již na mikroúrovni. K tomu se často používají magnetické zkušební metody. U nemagnetických ocelí to doposud nebylo možné. Výzkumníci z Kaiserslautern a Mainzu nyní vyvinuli metodu, při níž nanášejí na ocel tenkou magnetickou vrstvu. Změny v mikrostruktuře lze tak odhalit prostřednictvím změn magnetických efektů. Takto lze také kontrolovat materiály jako hliník. Studie byla publikována v odborném časopise „Journal of Magnetism and Magnetic Materials“.

Ocel patří mezi nejvíce používané materiály. Nachází uplatnění v mnoha variantách, například jako nerezová ocel, vysokovýkonná kalená ocel nebo cenově dostupná stavební ocel. Oceli mohou být magnetické nebo nemagnetické. Používají se například v příborech, v součástech vozidel nebo v ocelových trámech budov a mostů. Někdy jsou vystaveny vysokým teplotám nebo napětím. „Při tom mohou mikrostrukturální změny, praskliny nebo selhání součástí být důsledkem,“ říká Dr. Marek Smaga, který zkoumá na Ústavu materiálových věd u profesora Dr. Tilmanna Becka na Technické univerzitě Kaiserslautern (TUK). Odborníci v tomto kontextu mluví o únavě materiálu. Takové poškození jsou zprvu viditelné pouze na mikroúrovni. U dosud používaných magnetických zkušebních metod však nebylo možné u nemagnetických ocelí včas odhalit změny v této oblasti.

Právě na tom pracují inženýři z TUK a fyzici z Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) a ve své aktuální studii představují řešení. Zvláštností je, že využívají magnetické efekty, ačkoliv se jedná o nemagnetický materiál. „U magnetických ocelí lze tímto způsobem včas odhalit změny ve struktuře,“ vysvětluje doktorand z Kaiserslautern Shayan Deldar. „I sebemenší deformace mění magnetické vlastnosti. To lze měřit speciálními senzory.“

Výzkumníci nanesli na nemagnetickou ocel různé magnetické vrstvy o tloušťce 20 nanometrů, které jsou složeny z terfenol-D, slitiny chemických prvků terbium, železa a dysia, nebo z permalloy, slitiny niklu a železa. Aby následně ověřili, zda lze v mikroskopickém měřítku detekovat deformace oceli, použili tzv. Kerrovo mikroskopování. „Používá se zde tzv. Kerrův efekt,“ vysvětluje Smaga. „S jeho pomocí lze zobrazit magnetické mikrostruktury, tzv. domény, prostřednictvím otáčení polarizačního směru světla.“

Vědci zkoumali několik milimetrů velké magneticky potažené ocelové destičky, které byly předtím vystaveny mechanickému namáhání. „Pozorovali jsme charakteristickou změnu magnetické doménové struktury,“ uvádí souhrnně docent Dr. Martin Jourdan z Institutu fyziky Johannes Gutenberg-Universität Mainz. „Mikrodeformace v nemagnetické oceli způsobují změnu směru magnetizace tenké vrstvy.“

Ve srovnání s běžnými zkušebními metodami nabízí tato metoda výhodu včasného odhalení únavových poškození již na mikroúrovni. Metoda výzkumníků by mohla být v budoucnu využívána v nových zkušebních technikách. Kromě toho není zajímavá pouze pro nemagnetické oceli, ale i pro jiné materiály, například hliník, titan nebo speciální kompozity, které by mohly být opatřeny takovou vrstvou.

Práce probíhaly v rámci Sonderforschungsbereich „Spin+X – Spin v jeho kolektivním prostředí“, který sídlí na TU Kaiserslautern a JGU. Zde se interdisciplinárně zabývají týmy z chemie, fyziky, strojírenství a technologií magnetických efektů, které mají být přeneseny do praxe. Hlavním tématem je spin. Ve fyzice popisuje spin kvantově mechanický vlastní moment hybnosti částice, například elektronu nebo protonu. Je základem mnoha magnetických jevů.

Studie byla publikována v prestižním časopise „Journal of Magnetism and Magnetic Materials“: „Strain detection in non-magnetic steel by Kerr-microscopy of magnetic tracer layers“. M. Jourdan, M.M.B. Krämer, M. Kläui, H.-J. Elmers, S. Deldar, M. Smaga, T. Beck.