201312_PSpaw_cz3 125Przegląd sPawalnictwa 12/2013 Maciej Roskosz Mateusz Dedyk Anna Sołtysik Badania eksperymentalne wpływu geometrii na sygnał diagnostyczny w metodzie magnetycznej pamięci metalu experimental studies of the impact of geometry   on the diagnostic signal in the metal magnetic   memory testing method r inż. aciej Roskosz, mgr inż. ate sz edyk, inż. anna Sołtysik – Politechnika Śląska. abstract The impact of geometry on the values of the residual magnetic field (RMF) strength vector components and on the values of their gradients was studied for 16Mo3 steel samples. A good correlation was found between the RMF tangential component measured in the direction of princi- pal stress and the values of pre-set loads. The sample ge- ometry impact is visible but in terms of quantity it is slight compared to the changes in values induced by varying loads. However, the impact of the sample geometry on the value of gradients is significant. This impact must not be ignored while developing boundary values of evaluation criteria in the MMM testing method, whose methodology should therefore be improved and supplemented. Streszczenie Dla próbek ze stali 16Mo3 badano wpływ geometrii na wartości składowych wektora natężenia własnego magne- tycznego pola rozproszonego WMPR oraz na wartości ich gradientów. Stwierdzono dobrą relację składowej stycznej WMPR mierzonej w kierunku działania naprężeń głów- nych z wartościami zadawanych obciążeń. Widoczny jest wpływ geometrii próbek, lecz ilościowo jest on niewielki w stosunku do zmian wartości wywołanych obciążeniami. natomiast wpływ geometrii próbek na wartości gradien- tów jest znaczący. nie można tego wpływu pomijać przy opracowywaniu wartości granicznych kryteriów oceny w metodzie MPM, stąd też metodyka tej metody wymaga poprawy i uzupełnienia. st p i ce badań Sygnałem diagnostycznym w metodzie magnetycz- nej pamięci metalu MPM są składowe wektora natę- żenia własnego magnetycznego pola rozproszonego WMPR (oraz ich gradienty) zmierzone na powierzch- ni badanego elementu [1]. WMPR elementu wynika z jego cech konstrukcyjnych (geometrycznej, tworzy- wowej i dynamicznej), historii eksploatacji i usytuowa- nia w zewnętrznym polu magnetycznym [2]. Cechy konstrukcyjne elementu decydują o tym, że na jego powierzchni, przy określonej orientacji w danym oto- czeniu magnetycznym, powstaje unikatowy rozkład WMPR [3÷6]. Obciążenia eksploatacyjne i będące ich skutkiem procesy zużycia wpływają na tworzywową i dynamiczną cechę konstrukcyjną, a przez to na zmia- nę rozkładu WMPR. Obserwacja i analiza tych zmian, połączona z oceną stopnia wytężenia i/lub stopnia zu- życia, umożliwia opracowanie ilościowych kryteriów oceny stanu technicznego elementu [3÷6]. W niniejszym opracowaniu, dla określonego wytęże- nia, analizowano wpływ cechy geometrycznej elementu na wartości składowych WMPR i ich gradientów. Ana- liza ta będzie etapem opracowania ogólnej metodyki 126 Przegląd sPawalnictwa 12/2013 określania ilościowych kryteriów oceny opartych na WMPR jako sygnale diagnostycznym. Kryteria te mogą znaleźć zastosowanie zarówno w badaniach metodą MPM jak i również w monitorowaniu stanu konstrukcji stalowych [3÷7]. etodyka badań Badano próbki płytowe ze stali 16Mo3, których geo- metrię pokazano na rysunku 1. Próbki, przy jednako- wej długości całkowitej (550 mm) i jednakowej długości przewężenia (80 mm) oraz stałym wymiarze ich szer- szych części A = 50 mm, różniły się wymiarem szeroko- ści przewężenia B. Badano trzy grupy próbek o wymia- rze B wynoszącym odpowiednio 20, 30 i 40 mm. Próbki były obciążane za pomocą maszyny wytrzy- małościowej Galdabini Sun 10P. Po osiągnięciu zada- nych obciążeń próbki były odciążane i badane poza maszyną. Obciążenie dobierano tak, by w przewężeniu próbki występowały jednakowe wartości naprężeń roz- ciągających dla poszczególnych grup próbek. Umoż- liwia to porównanie rozkładów składowych WMPR na linii pomiarowej, przy takim samym poziomie naprężeń w przewężeniu, dla różnych grup próbek. Do badań wykorzystywano magnetometr TSC-1M-4 z głowicą pomiarową TSC-2M dostarczony przez Ener- godiagnostika Co. Ltd Moscow. Mierzono dwie składowe WMPR na powierzchni próbki (rys. 1): – HT,Y – składowa styczna mierzona w kierunku równo- ległym do kierunku zadawanego obciążenia, – Hn,Z – składowa normalna. yniki badań na rysunku 2 przedstawiono przykładowe, repre- zentatywne rozkłady składowych WMPR na linii pomia- rowej próbek, różniących się geometrią przewężenia (różne wartości wymiaru B z rysunku 1). na rysunkach 2a i 2b pokazano zmierzone po od- ciążeniu, rozkłady składowych WMPR po wywołaniu w węższej części próbki naprężeń rozciągających σ = 50 MPa. Widoczna jest zmiana rozkładów skła- dowych WMPR w stosunku do stanu początkowego. Rys. 1. Próbka do badań ig. 1. Experimental sample W każdej z próbek wyraźnie zaznacza się zróżnico- wanie naprężeń pomiędzy przewężeniem a pozostałą częścią próbki. Analizując rozkłady składowej stycznej HT,Y (rys. 2a), dla tego samego poziomu naprężenia w przewężeniu, występują różnice jej wartości. Pomijając wpływ in- nych czynników (niejednorodności struktury, anizotro- pii, pojawiających się naprężeń resztkowych), można założyć, że zróżnicowanie to jest głównie wynikiem wpływu geometrii próbek. Może ono wynikać również z wartości naprężeń występujących w pozostałej czę- ści próbki. Dla σ = 50 MPa w przewężeniu, w szerszych częściach próbek występują następujące naprężenia: a) B = 20 mm – σ = 20 MPa, b) B = 30 mm – σ = 30 MPa, c) B = 40 mm – σ = 40 MPa. na rysunku 2a widać, że najmniejszym naprężeniom odpowiadają najmniejsze zmiany wartości składowej stycznej HT,Y w stosunku do wartości początkowych. Widać również, że wpływ naprężeń na wartości skła- dowej stycznej HT,Y jest silnie nieliniowy. naprężenia te wpływają na zmiany trendu składo- wej normalnej Hn,Z (rys. 2b) na linii pomiarowej. Jej wartości nie nadają się jednak do oceny stanu wytę- żenia, ponieważ przykładowo, dla próbki o szerokości B = 20 mm, w obszarze przewężenia przyjmuje ona wartości od –160 do –10 A/m. natomiast można stwier- dzić, że im większe naprężenia, tym większy gradient zmian składowej normalnej Hn,Z. Rysunki 2c i 2d przedstawiają, zmierzone po od- ciążeniu, rozkłady składowych WMPR po wywołaniu w węższej części próbki naprężeń rozciągających (σ = 375 MPa) wyższych od granicy plastyczności i wywołujących znaczne odkształcenia plastyczne. W tym przypadku wpływ geometrii próbek jest wyraźnie widoczny w rozkładach obydwu analizowanych składo- wych WMPR. W próbkach o największym zróżnicowa- niu przekrojów występują największe zmiany WMPR, a wraz ze zmniejszaniem się tej różnicy zmiany WMPR maleją. Trend zmian, który zarysował się w początko- wej fazie obciążania, pozostaje niezmieniony. Pojawia sie pytanie: który z czynników wpływu, na- prężenia czy geometria, jest dominujący w zmianach wartości składowej stycznej HT,Y. Aby odpowiedzieć na to pytanie przeanalizowano zmiany średnich war- tości składowej stycznej HT,Y na odcinku od 90 do 110 mm linii pomiarowej w zależności od zadanego wcze- śniej obciążenia. Zależność średnich wartości składo- wej stycznej HT,Y od naprężeń pokazano na rysunku 3. 127Przegląd sPawalnictwa 12/2013 a) b) c) d) Rys. 2. Rozkłady składowych WMPR na linii pomiarowej dla dwóch poziomów naprężeń rozciągających – pomiar po odciążeniu: a) σ = 50 MPa, składowa styczna HT,Y, b) σ = 50 MPa, składowa nor- malna Hn,Z, c) σ = 375 MPa, składowa styczna HT,Y, d) σ = 375 MPa, składowa normalna Hn,Z ig. 2. Distributions of the RMF components on the measurement line for two levels of tensile stress – measurement after unlo- ading: a) σ = 50 MPa, tangential component HT,Y, b) σ = 50 MPa, normal component Hn,Z, c) σ = 375 MPa, tangential component HT,Y, d) σ = 375 MPa, normal component Hn,Z Widać, że w analizowanych przypadkach dominuje wpływ naprężeń, choć wpływ geometrii też jest widocz- ny. Ilościowe kryteria oceny w metodzie MPM są opar- te na gradientach składowych WMPR. W [8, 9] wy- kazano błędy i niejasności w metodyce MPM [10, 11] związane ze stosowanym do oceny stanu materiału indeksem magnetycznym (będącym stosunkiem lo- kalnego maksimum gradientu do wartości średniej w badanym elemencie) oraz sposobem określania jego wartości granicznych. W normie [10] mowa jest tylko o „specjalnej procedurze” wyznaczania wartości gra- nicznych indeksu magnetycznego, a z kolei w opra- cowaniu [11] wiąże się wartość graniczną z właści- wościami wytrzymałościowymi – tworzywową cechą konstrukcyjną, pomijając zupełnie wpływ pozostałych (geometrycznej i dynamicznej). Stąd też szczególnie interesującym zagadnieniem jest wpływ geometrii ele- mentu na wartości gradientów dla różnych stanów wy- tężenia. na rysunkach 4a i 4b oraz 5a i 5b pokazano wpływ naprężeń i geometrii na wartości maksymalne gradien- tów składowych WMPR, które występują w strefach zmiany przekroju (rys. 4a i 4b) oraz na wartości śred- nie gradientów składowych WMPR wyznaczone dla obszaru o stałym przekroju na odcinku pomiędzy 90. a 110. punktem na linii pomiarowej próbki (rys. 5a i 5b). na rysunkach tych wpływ geometrii na gradienty jest wyraźnie widoczny, zarówno w ujęciu ilościowym, jak i jakościowym. Zamieszczone na rysunkach linie trendu pokazują, że geometria może nawet wpływać na zmiany gradientów. Szczególnie widoczne jest to na rysunku 5b, gdzie w zakresie naprężeń od 0 do 300 MPa dla B = 20 mm występuje trend wzrostowy, a dla próbek o wymiarze B równym 30 i 40 mm warto- ści gradientów najpierw wzrastają, a po przekroczeniu 200 MPa maleją. Ilościowo rzecz ujmując, im większy jest stosunek przekrojów, tym większe są wartości gra- dientów średnich i maksymalnych. Rys. 3. Zależność średnich wartości składowej stycznej HT,Y od naprężeń rozciągających – pomiar po odciążeniu ig. 3. Dependence of the average values of tangential component HT,Y on tensile stress – measurement after unloading 128 Przegląd sPawalnictwa 12/2013 a) b) Rys. 4. Zależność maksymalnych wartości gradientów składowych WMPR od naprężeń rozciągających – pomiar po odciążeniu: a) gradient maksymalny składowej stycznej HT,Y, b) gradient maksymalny składowej normalnej Hn,Z ig. 4. Dependence of the maximum values of gradients of the RMF components on tensile stress – measurement after unloading: a) maxi- mum gradient of the tangential component HT,Y, b) maximum gradient of the normal component Hn,Z a) b) Rys. 5. Zależność średnich wartości gradientów składowych WMPR od naprężeń rozciągających – pomiar po odciążeniu: a) gradient średni składowej stycznej HT,Y, b) gradient średni składowej normalnej Hn,Z ig. 5. Dependence of the average values of gradients of the RMF components on tensile stress – measurement after unloading: a) average gradient of the tangential component HT,Y, b) average gradient of the normal component Hn,Z Pods mowanie Przedstawiono wyniki badań wpływu geometrii na WMPR próbek wykonanych ze stali 16Mo3. Anali- zowano zmiany wartości składowych WMPR oraz ich gradientów dla różnych poziomów wytężenia materiału. Jeśli chodzi o wartości składowych WMPR, to re- lację z zadanymi obciążeniami można opracować dla składowej stycznej. W relacji tej dominuje wpływ hi- storii obciążenia – naprężeń, choć wpływ geometrii też jest widoczny. Pomiar składowej stycznej zgodnie z kierunkiem działania naprężeń głównych można wykorzystać do celów monitoringu stanu wytężenia konstrukcji wykonanych ze stali ferromagnetycznych. Wpływ geometrii próbek na wartości gradien- tów średnich i maksymalnych jest znaczący. nie można go pomijać przy opracowywaniu wartości granicznych kryteriów oceny w metodzie MPM, stąd też metodyka tej metody wymaga poprawy i uzupełnienia. 129Przegląd sPawalnictwa 12/2013 Literat ra [1] Deputat J.: Podstawy metody magnetycznej pamięci metalu. Dozór Techniczny 5/2002 s. 97-105. [2] Dietrych J.: System i konstrukcja, Wydawnictwa naukowo- Techniczne, Warszawa 1978. [3] Roskosz M.: Kryteria oceny w metodzie magnetycznej pa- mięci metalu, Przegląd Spawalnictwa 13/2012 s. 31-34. [4] Roskosz M.,Bieniek M.: Analysis of the universality of the re- sidual stress evaluation method based on residual magnetic field measurements, nDT&E International 54 (2013) 63–68, http://dx.doi.org/10.1016/j.ndteint.2012.12.004. [5] Roskosz M.: Wpływ naprężeń czynnych i resztkowych na własne pole magnetyczne ferromagnetyków, Przegląd Spa- walnictwa 13/2011 s. 46-49. [6] Roskosz M., Bieniek M.: Evaluation of residual stress in fer- romagnetic steels based on residual magnetic field measure- ments nDT&E International 45 (2012) 55–62, doi:10.1016/j. ndteint.2011.09.007. [7] Iwaniec M., Witoś M., Roskosz M., Gontarz S.: Diagnozo- wanie konstrukcji wsporczych linii Wn z wykorzystaniem efektów magneto-mechanicznych, 4 Konferencja naukowo- Techniczna „Diagnostyka Materiałów i Urządzeń Technicz- nych”, Gdańsk 2012 [8] Roskosz M., Bieniek M.: Analysis of the methodology of the assessment of the technical state of a component in the me- thod of metal magnetic memory testing, Proceedings Defek- toskopie 2010/ nDE for Safety, p.229-236. [9] Augustyniak M., Roskosz M. Hierarchia czynników wpływu w diagnostyce metodą statycznego pola rozproszonego, 41 Krajowa Konferencja Badań nieniszczących, Toruń 2012. [10] Pn-ISO 24497-1, 2, ,3 Badania nieniszczące – Magnetycz- na pamięć metalu -- Część 1: Słownictwo, Część 2: Wyma- gania ogólne, Część 3: Kontrola złączy spawanych. [11] Własow W.T., Dubow A.A: Ocena poziomu naprężeń w stre- fach ich koncentracji według metody magnetycznej pamięci metalu. XIV Seminarium nieniszczące Badania Materiałów, Zakopane 2008. Podzi kowanie Przedstawione w artykule wyniki zostały uzyskane w badaniach współfinansowanych przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach umowy SP/E/1/67484/10 – Strategiczny Program Badawczy – Zaawansowane technologie pozyskiwania energii: Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych” bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO2 ze spalin. Imię i nazwisko Kontakt do osoby zamawiającej: Adres nIP amawiam artyk ły Nr zeszyt ..........., rok ............., strony ..................... Nr zeszyt ..........., rok ............., strony ..................... Nr zeszyt ..........., rok ............., strony ..................... Cena 1 artykułu z numeru archiwalnego w wersji elektronicznej: 21 zł (w tym 5% VAT) r r r r r r r r pspaw@ps.pl płaty na eży dokona na rach nek bankowy Bank BPH S.A. Oddział w Warszawie 45 1060 0076 0000 3200 0043 1836 artyk ły wysyłane są drogą e ektroniczną w ciąg 2 dni od otrzymania zam wienia. R aKC a Przeg ąd Spawa nictwa a SI P ul. Świętokrzyska 14a, 00-050 Warszawa tel.: 22 827 25 42, faks: 22 336 14 79 Podpis Firma N N Oświadczam, że jestem podatnikiem Vat i upoważniam firmę do wystawienia faktury bez podpisu Adres e-mail Przeg ąd Spawa nictwa www.pspaw.pl pspaw@ps.pl