Studie dotycząca badań materiałowych: Wykrywanie uszkodzeń w niemagnetycznej stali za pomocą magnetyzmu

Inżynierowie z Kaiserslautery, profesor Tilmann Beck (po lewej), doktorant Shayan Deldar (na pierwszym planie) oraz dr Marek Smaga opracowali ten proces wspólnie z kolegami z Mainza. (Zdjęcie: TUK/Koziel)

Zużycie, korozja, zmęczenie materiału – te objawy zużycia są powszechne dla większości materiałów. Tym bardziej ważne jest wczesne wykrywanie uszkodzeń, najlepiej już na poziomie mikro. Do tego często stosuje się magnetyczne metody badawcze. W przypadku niemagnetycznej stali dotąd było to niemożliwe. Naukowcy z Kaiserslautern i Mainz opracowali teraz metodę, w której nakładają na stal cienką warstwę magnetyczną. Zmiany w mikrostrukturze można wykrywać poprzez zmiany efektów magnetycznych. Także materiały takie jak aluminium można w ten sposób sprawdzać. Badanie ukazało się w czasopiśmie „Journal of Magnetism and Magnetic Materials”.

Stal należy do najczęściej używanych materiałów. Występuje w wielu odmianach, na przykład jako stal nierdzewna, wysokowytrzymała stal narzędziowa lub tani stal budowlana. Stale mogą być magnetyczne lub niemagnetyczne. Są używane w sztućcach, elementach pojazdów czy w stalowych belkach budynków i mostów. Często są narażone na wysokie temperatury lub naprężenia. „W tym przypadku mogą wystąpić mikrostrukturalne zmiany, pęknięcia lub awarie elementów”, mówi dr Marek Smaga, który prowadzi badania na Wydziale Materiałoznawstwa u profesora dr. Tilmanna Becka na Politechnice Kaiserslautern (TUK). Eksperci mówią w tym kontekście o zmęczeniu materiału. Takie uszkodzenia są początkowo widoczne tylko na poziomie mikro. Jednak dotąd nie było możliwe wykrycie zmian w tym zakresie we niemagnetycznej stali za pomocą magnetycznych metod badawczych.

Dokładnie nad tym pracują inżynierowie z TUK i fizycy z Uniwersytetu Johannes Gutenberg w Mainz (JGU), prezentując w swoim najnowszym badaniu rozwiązanie. Co jest wyjątkowe: korzystają z efektów magnetycznych, mimo że materiał jest niemagnetyczny. „W przypadku magnetycznej stali można w ten sposób wcześnie wykrywać zmiany w strukturze”, wyjaśnia doktorant z Kaiserslautern, Shayan Deldar. „Już nawet niewielkie odkształcenia zmieniają właściwości magnetyczne. Można to zmierzyć za pomocą specjalnej technologii sensorowej.”

Naukowcy nałożyli na niemagnetyczną stal różne, po 20 nanometrów cienkie warstwy magnetyczne, wykonane z Terfenolu-D, stopu z chemicznymi pierwiastkami terb, żelaza i dysprozju, lub z Permalloy, związku niklu i żelaza. Aby sprawdzić, czy można wykryć mikroskopowe odkształcenia stali, naukowcy użyli mikroskopu Kerr. „W tym przypadku wykorzystuje się efekt Kerr”, wyjaśnia Smaga, „który pozwala na odwzorowanie mikrostruktur magnetycznych, tzw. domen, poprzez zmianę kierunku polaryzacji światła.”

Naukowcy badali kilka milimetrów dużych, magnetycznie pokrytych stalowych płytek, które wcześniej były poddane obciążeniom mechanicznym. „Zaobserwowaliśmy charakterystyczne zmiany w strukturze domen magnetycznych”, mówi doc. dr Martin Jourdan z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Mainz. „Mikroskopijne odkształcenia niemagnetycznej stali powodują zmianę kierunku namagnesowania cienkiej warstwy.”

W porównaniu do powszechnych metod badawczych, ta technika ma tę zaletę, że pozwala wykryć oznaki zmęczenia już na bardzo wczesnym etapie mikrostruktur. Metoda ta może w przyszłości znaleźć zastosowanie w nowych technikach badawczych. Co więcej, nie jest to interesujące tylko dla niemagnetycznej stali – również inne materiały, takie jak aluminium, tytan czy niektóre kompozyty, mogą być pokryte taką warstwą.

Prace te zostały przeprowadzone w ramach specjalnego obszaru badawczego „Spin+X – Spin w jego zbiorowym otoczeniu”, który działa na Politechnice Kaiserslautern i Uniwersytecie Mainz. Zespół badawczy z chemii, fizyki oraz inżynierii mechanicznej i technologii procesowej interdyscyplinarnie zajmuje się efektami magnetycznymi, które mają zostać zastosowane w praktyce. W centrum zainteresowania jest spin. W języku fizyki, spin opisuje kwantowy moment pędu własnego cząstki, takiej jak elektron czy proton. Stanowi podstawę wielu zjawisk magnetycznych.

Badanie ukazało się w renomowanym czasopiśmie „Journal of Magnetism and Magnetic Materials”: „Wykrywanie odkształceń w niemagnetycznej stali za pomocą mikroskopii Kerr warstw magnetycznych”. M. Jourdan, M.M.B. Krämer, M. Kläui, H.-J. Elmers, S. Deldar, M. Smaga, T. Beck.