Studie over materiaalkunde: Detectie van schade in niet-magnetische staal met magnetisme

De ingenieurs van Kaiserslautern, professor Tilmann Beck (links), promovenda Shayan Deldar (vooraan op de foto) en dr. Marek Smaga hebben de procedure samen met collega’s uit Mainz ontwikkeld. (Foto: TUK/Koziel)

Verschleiß, corrosie, materiaalvermoeidheid – deze slijtageverschijnselen komen bij de meeste materialen voor. Het is des te belangrijker om schade vroegtijdig te detecteren, bij voorkeur al op microniveau. Hiervoor worden vaak magnetische inspectiemethoden gebruikt. Bij niet-magnetische staal was dat tot nu toe onmogelijk. Onderzoekers uit Kaiserslautern en Mainz hebben nu een methode ontwikkeld waarbij ze een dunne magnetische laag op staal aanbrengen. Veranderingen in de microstructuur kunnen zo worden opgespoord door veranderingen in magnetische effecten. Ook materialen zoals aluminium kunnen hiermee worden gecontroleerd. De studie is gepubliceerd in het vakblad „Journal of Magnetism and Magnetic Materials“.

Staal behoort tot de meest gebruikte materialen. Het wordt in vele varianten toegepast, bijvoorbeeld als roestvrij staal, hoogsterkte legeringstaal of goedkope bouwstaal. Stalen kunnen magnetisch of niet-magnetisch zijn. Ze worden gebruikt in bestek, in onderdelen van voertuigen of in stalen draagbalken van gebouwen en bruggen. Soms worden staalonderdelen blootgesteld aan hoge temperaturen of spanningen. „Daar kunnen microstructurele veranderingen, scheuren of componentfalen het gevolg van zijn“, zegt Dr. Marek Smaga, die onderzoek doet bij de leerstoel voor materiaalwetenschap onder leiding van professor Dr. Tilmann Beck aan de Technische Universiteit Kaiserslautern (TUK). Experts spreken in dit verband van materiaalvermoeidheid. Deze schade is aanvankelijk alleen op microniveau zichtbaar. Met magnetische inspectiemethoden is het tot nu toe niet mogelijk om bij niet-magnetisch staal veranderingen in dit gebied vroegtijdig te detecteren.

Daar werken ingenieurs van de TUK en fysici van de Johannes Gutenberg-Universiteit Mainz (JGU) aan en presenteren in hun actuele studie een oplossing. Het bijzondere: Ze maken gebruik van magnetische effecten, hoewel het om niet-magnetisch materiaal gaat. „Bij magnetisch staal kunnen op deze manier vroeg veranderingen in de structuur worden gevonden“, legt de Kaiserslauterner promovendus Shayan Deldar uit. „Zelfs kleine vervormingen veranderen de magnetische eigenschappen. Dit kan worden gemeten met speciale sensorsystemen.“

De onderzoekers hebben een niet-magnetisch staal voorzien van verschillende, telkens 20 nanometer dunne magnetische films, bestaande uit Terfenol-D, een legering van de chemische elementen terbium, ijzer en dysprosium, of uit Permalloy, een nikkel-ijzer verbinding. Om vervolgens te controleren of uitrekkingen van het staal op microniveau kunnen worden vastgesteld, hebben de onderzoekers gebruikgemaakt van een zogenaamd Kerr-microscoop. „Hierbij wordt gebruikgemaakt van de zogenoemde Kerr-effect“, legt Smaga uit. „Met dit effect kunnen de magnetische microstructuren, de zogenaamde domeinen, worden afgebeeld door de rotatie van de polarisatierichting van licht.“

De wetenschappers hebben enkele millimeter grote magnetisch gecoate staalplaatjes onderzocht die eerder mechanisch waren belast. „We hebben waargenomen dat er een karakteristieke verandering optreedt in de magnetische domeinstructuur“, vertelt Privatdozent Dr. Martin Jourdan van het Instituut voor Fysica van de Johannes Gutenberg-Universiteit Mainz. „De microscopische uitrekkingen in het niet-magnetische staal zorgen ervoor dat de magnetiseringsrichting van de dunne laag verandert.“

In vergelijking met gangbare inspectiemethoden biedt deze techniek het voordeel dat vermoeidheidsverschijnselen al veel eerder op microniveau kunnen worden opgespoord. De methode van de onderzoekers zou in de toekomst kunnen worden toegepast in nieuwe inspectietechnieken. Bovendien is het niet alleen interessant voor niet-magnetisch staal; ook andere materialen zoals aluminium, titanium en bepaalde composietmaterialen zouden met zo'n laag kunnen worden voorzien.

Het onderzoek vond plaats binnen het kader van de Sonderforschungsbereich „Spin+X – Spin in seiner kollektiven Umgebung“, dat is gevestigd aan de TU Kaiserslautern en de JGU. Hier werken onderzoeksteams uit chemie, fysica, werktuigbouwkunde en procestechnologie interdisciplinair aan magnetische effecten die in de praktijk moeten worden toegepast. Centraal staat daarbij de spin. In de taal van de fysica beschrijft de spin het kwantummechanische intrinsieke draai-impuls van een deeltje, zoals een elektron of proton. Het vormt de basis voor vele magnetische fenomenen.

De studie is gepubliceerd in het gerenommeerde vakblad „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.