Tanulmány az anyagvizsgálatról: Sérülések nem mágneses acélban mágnesességgel való felderítéshez

A Kaiserslauteri mérnökök, Professor Tilmann Beck (balra), PhD-hallgató Shayan Deldar (elöl a képen) és Dr. Marek Smaga közösen fejlesztették ki a módszert a mainzi kollégákkal. (Fotó: TUK/Koziel)

Kopás, korrózió, anyagfáradás – ezek a kopási jelenségek a legtöbb anyagra jellemzőek. Ezért különösen fontos a sérülések korai felismerése, lehetőleg már mikro szinten. Ehhez gyakran mágneses vizsgálati módszereket alkalmaznak. Nem mágneses acél esetében ez eddig lehetetlen volt. Kaiserslautern-i és mainzi kutatók most egy olyan eljárást fejlesztettek ki, amely során egy vékony mágneses réteget visznek fel az acélra. Így a mikrostruktúrában bekövetkező változásokat mágneses hatások változásával lehet észlelni. Olyan anyagokat, mint az alumínium, szintén így lehet ellenőrizni. A tanulmány a „Journal of Magnetism and Magnetic Materials” szakfolyóiratban jelent meg.

A acél a leggyakrabban használt anyagok közé tartozik. Számos változatban használják, például rozsdamentes acélként, magas szilárdságú ötvözött acélként vagy olcsó szerkezeti acélként. Az acél lehet mágneses vagy nem mágneses. Evőeszközökben, járművek alkatrészeiben vagy épületek és hidak szerkezeti elemeiben alkalmazzák. Néha magas hőmérsékletnek vagy feszültségnek van kitéve. „Ekkor mikrostruktúrális változások, repedések vagy alkatrész meghibásodás lehet a következménye” – mondja Dr. Marek Smaga, aki a Kaiserslautern-i Műszaki Egyetem (TUK) Anyagtudományi Tanszékén dolgozik Prof. Dr. Tilmann Beck vezetése mellett. A szakértők ebben az összefüggésben anyagfáradásról beszélnek. Ezek a sérülések kezdetben csak mikro szinten láthatók. Mágneses vizsgálati módszerekkel azonban eddig nem volt lehetőség a nem mágneses acélban bekövetkező változások korai felismerésére.

Pontosan ezen dolgoznak a TUK mérnökei és a Johannes Gutenberg Egyetem Mainz (JGU) fizikusa, és tanulmányukban bemutatnak egy megoldást. A különlegesség: mágneses hatásokat használnak ki, annak ellenére, hogy nem mágneses anyagokról van szó. „Mágneses acél esetében ezáltal korán megtalálhatók a szerkezeti változások” – magyarázza a Kaiserslautern-i doktorandó, Shayan Deldar. „Már apró deformációk is megváltoztatják a mágneses tulajdonságokat. Ez speciális érzékelő technikával mérhető.”

A kutatók nem mágneses acélra különböző, egyenként 20 nanométer vékony mágneses rétegeket vittek fel, amelyek terfenol-D-ből készültek, egy ötvözetből, amely a terbium, vas és dysprosium kémiai elemekből áll, vagy permalloy-ból, egy nikkel-vas ötvözetből. Annak érdekében, hogy később megvizsgálják, vajon a feszültségek mikroszkopikus szinten is kimutathatók-e, a kutatók egy úgynevezett Kerr-mikroszkópot alkalmaztak. „Ebben a Kerr-effektus játszik szerepet” – magyarázza Smaga a módszert, „amellyel a mágneses mikrostruktúrák, az úgynevezett domének, a fény polarizációs irányának elfordításával ábrázolhatók.”

A tudósok néhány milliméter nagyságú, mágnesesen bevont acéllapokat vizsgáltak, amelyeket korábban mechanikus terhelés ért. „Megfigyeltük, hogy egy jellemző változás történik a mágneses doménstruktúrában” – mondja Privát Docens Dr. Martin Jourdan a Johannes Gutenberg Egyetem Fizikai Intézetéből. „A nem mágneses acél mikro deformációi miatt a mágneses irány megváltozik a vékony rétegen.”

A módszer előnye a hagyományos vizsgálati eljárásokhoz képest, hogy már jóval korábban, mikro szinten képes felismerni az anyagfáradást. A kutatók módszerét a jövőben új vizsgálati technikákban lehet alkalmazni. Emellett nemcsak nem mágneses acél esetében hasznos, hanem más anyagokat, például alumíniumot, titánt vagy bizonyos kompozit anyagokat is lehet ilyen réteggel ellátni.

A kutatások a „Spin+X – Spin in seiner kollektiven Umgebung” című különleges kutatási program keretében folytak, amely a Kaiserslautern-i Műszaki Egyetemen és a JGU-n működik. Itt kémiai, fizikai, gépészeti és technológiai kutatócsoportok interdiszciplinárisan foglalkoznak a mágneses hatásokkal, amelyek alkalmazásba ültethetők. A központi téma a spin. A fizika nyelvén a spin a kvantummechanikai sajátnyomaték, például egy elektron vagy proton esetében. Ez adja számos mágneses jelenség alapját.

A tanulmány a „Journal of Magnetism and Magnetic Materials” című rangos szaklapban jelent meg: „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.