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The metal magnetic memory (MMM) technique relies on the measurement of stress-induced self-magnetic leakage fields (SMLFs) at the stress concentration zones (SCZs) of ferromagnetic materials during mechanical loading. However, there is an associated change in geometry of the specimen along with the stress due to plastic deformation. This paper presents a three-dimensional finite element (3D-FE) analysis of the stress-induced geometry effect on SMLFs in notched specimens during tensile deformation. The tangential (Hx) and normal (Hy) components of the SMLF signals have been predicted from the deformed specimens caused by different levels of tensile stress. Key parameters from the SMLF signals are determined for the possible estimation of damage in the specimen under tension. Studies reveal that the stress-induced geometry effect has a great influence (about 20%) on the SMLF signals, especially in the plastic deformation stage. The results show that the peak amplitude could be used for the estimation of different deformation stages under tension. The study also reveals that the SMLF signal is influenced by the thickness of the tensile specimen. The model-predicted thickness profile has also been experimentally validated.
The measurement of spontaneous magnetic stray fields of ferromagnetic materials is considered as a new method of non-destructive testing, the Metal Magnetic Memory method. Usually fluxgate sensors with spatial resolution in the order of a few millimeters are used as receivers. This contribution discusses the application of GMR (Giant Magneto Resistance) sensors with a spatial resolution in the micrometer range. Studies reveal that GMR sensors can detect clear demarcated plastic deformations in S235JR steel. Furthermore we present high spatial resolution magnetic measurements of deformation induced martensite formation of AISI 304 metastable austenitic steel for different deformation states.
Austenitic stainless steels provide a beneficial combination of chemical and mechanical properties and have been used in a wide field of applications for over 100 years. Further improvement of the chemical and mechanical properties was achieved by alloying nitrogen. But the solubility of N within the melt is limited and can be increased in substituting Ni by Mn and melting under increased pressure. In order to avoid melting under pressure and decrease production costs, a part of N can also be substituted by C. This leads to austenitic high interstitial steels (AHIS). Within the solution annealed state strength and ductility of AHIS is comparable or even higher of those of AHNS and can be further improved by cold working. Unfortunately the endurance limit does not follow this trend as it is known from cold-worked austenitic CrNi steels. This is due to the differences of the slip behavior which is governed by the stacking fault energy as well as other near field effects. Construction components operating under cyclic loads over long periods of time cannot be considered being free of voids or even cracks. Thus the crack propagation behavior is of strong interest as well. This contribution presents the tensile, fatigue, crack propagation and fracture toughness properties of AHNS and AHIS in comparison to those of CrNi-steels. The differences are discussed in relation to microstructural characteristic as well as their alterations under cyclic loading.
Die Messung spontaner magnetischer Streufelder ferromagnetischer Materialien wird als neue, Metal Magnetic Memory (MMM) genannte, Methode der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) angesehen, Schädigungen frühzeitig vorherzusagen. Die MMM Methode versucht, die sich gleichzeitig mit der Schadensentwicklung ausbildende lokale magnetische Struktur für die ZfP zu nutzen und zwar schon vor der eigentlichen Rissinitiierung. Das zugehörige Regelwerk ISO 24497 verspricht neben der Detektion von Mikrorissen und Inhomogenitäten des Werkstoffgefüges auch die Bestimmung des (Eigen-) Spannungszustandes. Neue, an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung für die ZfP angepasste GMR (Giant Magneto Resistance)-Sensorik erlaubt Magnetfeldmessungen mit einer Ortsauflösung im Mikrometerbereich. Mit höherer Ortsauflösung zeigen sich Unterschiede, jedoch keine Widersprüche zu bisher publizierten Daten. Ihnen wesentlich ist, dass es einige verwertbare Hinweise auf einen Zusammenhang von Restfeldmagnetisierung und Materialeigenschaften gibt.
Measurement of spontaneous magnetic stray field signals has been reported to be a promising tool for capturing macro-scale information of deformation states, defects and stress concentration zones in a material structure. This paper offers a new method for self-magnetic leakage field detection using a magneto-optical (MO) hand-held microscope. Its sensor has a dynamic field range between ±0.05 and ±2 kA/m and a lateral optical resolution of approx. 10 µm. We examined flat tensile test specimens of metastable austenitic steel AISI 304. Static tensile tests were repeatedly interrupted at various predetermined states of strain and the magnetic information was measured by the MO system. Comparative measurements using a high-precision magnetic field GMR-sensor, verify the outstanding capability of the MO microscope regarding spatial resolution of magnetic fields.
Characterization of residual stress state by neutron diffraction and residual magnetic field mapping
(2016)
Based on the residual stress characterization of tungsten inert gas welded S235JRC+C plates by means of neutron diffraction, the evaluation of residual stress with high spatial resolution GMR (giant magneto resistance) sensors is discussed. The experiments performed indicate a correlation of residual stress changes and local residual magnetic stray fields.
The residual stress distribution of tungsten inert gas welded S235JRC+C plates was determined by means of neutron diffraction(ND). Large longitudinal residual stresses with maxima around 600 MPa were found. With these results as reference, the evaluation of residual stress with high spatial resolution GMR (giant magneto resistance) sensors was discussed. The experiments performed indicate a correlation between changes in residual stresses (ND) and the normal component of local residual magnetic stray fields (GMR). Spatial variations in the magnetic field strength perpendicular to the welds are in the order of the magnetic field of the earth.
Magnetic testing methods are frequently applied in non-destructive evaluation of ferromagnetic materials. In the past decade, metal magnetic memory (MMM) technique according to ISO 24497 is gaining considerable interest in the magnetic NDT community. In contrast to traditional Magnetic Flux Leakage (MFL) testing, the inspection objects are not intentionally magnetized by an external magnetic field. Due to physical coupling between mechanical stress and magnetization in ferromagnetic materials, it is assumed that the distribution of the “natural” MFL (self-magnetic-leakage field, SMLF) indicate zones of different remanent magnetization, which in turn, correspond to the internal stress of specimen or in the most general sense to material degradation.
Usually, MMM measurements are performed by relatively bulky magnetic inspection sensors providing a spatial resolution in millimetre range. High precision GMR (Giant Magneto Resistance) measurements in the micrometer regime along with image based representation and evaluation can provide a higher degree of information. We present a concise summary of a broader research project aimed at studying the correlation of magnetic structure and microstructure of steels. Particularly, we compare residual stress measurements in S235JR steel by means of neutron diffraction with high resolution magnetic field measurements. In addition, we discuss the influence of deformation-induced magnetization in plastically deformed specimens with and without notches due to various quasi-static and cyclic load levels. Furthermore, comparative measurements with common non-destructive testing methods are presented.
Despite of a quantitative evaluation of material degradation, the in the field inspection by MMM remains problematic due to substantial influences on such as external magnetization, anisotropy of internal magnetization and material degradation, as well as geometry and surface effects of the inspection objects on SMFL signals. The prospects and restrictions of the MMM technique are discussed in this contribution.
Magneto resistance sensors like GMR (giant magneto resistance) or TMR (tunnel magneto resistance) are widely used in industrial applications, examples are position measurement and read heads of hard disk drives. However, in case of non-destructive testing (NDT) applications these sensors, although their properties are outstanding like high spatial resolution, high field sensitivity, low cost and low energy consumption, never reached a technical transfer to an application beyond sci-entific scope.
This paper deals with benefits of GMR/TMR sensors in terms of high spatial resolution testing for different NDT applica-tions. The first example demonstrates the preeminent advantages of MR-elements compared with conventional coils used in eddy current testing (ET). The probe comprises one-wire excitation with an array of MR elements. This led to a better spatial resolution in terms of neighboring defects.
The second section concentrates on MFL-testing (magnetic flux leakage) with active field excitation during and before test-ing. The latter illustrated the capability of highly resolved crack detection of a crossed notch. This example is best suited to show the ability of tiny magnetic field sensors for magnetic material characterization of a sample surface. Another example is based on characterization of samples after tensile test. Here, no external field is applied. The magnetization is only changed due to external load and magnetostriction leading to a field signature which GMR sensors can resolve. This gives access to internal changes of the magnetization state of the sample under test.
Magneto-resistive (MR) sensor arrays are suited for high resolution eddy current testing (ET) of aerospace components due to two significant advantages compared to conventional coil systems. First, to obtain high spatial resolution they can be manufactured down to the µm-regime without losing their outstanding field sensitivity. Secondly, MR technology has a relatively frequency-independent sensitivity in the range of common ET-frequencies thus providing a benefit for low frequency applications.
This paper presents measurements using MR array probes consisting of 32 TMR-elements (tunnel magneto resistance), an ASIC, and subsequent readout components. A source for generating the eddy currents inside the material under test is also implemented onboard of the PCB. These probes were developed in the IMAGIC-project* for detection and imaging of surface breaking defects.
The performance of the new sensor system has been investigated for several mock-ups, Aluminum and Titanium plate specimens having small adjacent boreholes with diameter of 0.44 mm and micro notches in the µm-range, respectively. To compare our results we used conventional eddy current probes. The MR sensor elements have a length of around 60 µm leading to a nearly 'point like' measurement. Neighbouring boreholes (depth 0.25 mm) with a separation of 0.6 mm between their centres could be resolved with a good SNR, and more important, the boreholes could be confidently distinguished using the TMR-probes. In case of conventional probes a reliable separation was not possible. In this paper we present the MR-ET-probes of the IMAGIC consortium and a comparison with conventional techniques.
*The IMAGIC-project ('Integrated Magnetic imagery based on spIntronics Components', 2011 – 2014, project reference: 288381) was funded by the European Commission, Seventh Framework Programme. Further partners involved in the consortium beside BAM and CEA were INESC-ID and INESC-MN (Portugal), Sensitec GmbH (Germany), Tecnatom S.A. (Spain), and Airbus Group (France).
Sicherheitsrelevante und zyklisch hoch belastete Bauteile erfordern zur Vermeidung von kostenintensiven Ausfällen besonders stabile Prozessparameter. Bereits sehr kleine Randzonenfehler können unter zyklischer Bauteilbelastung zu Risswachstum und letztendlich zum Bauteilversagen führen. Die frühzeitige Erkennung von Randzonenfehler in Hochleistungsbauteilen wie z.B. Zahnräder, Ritzelwellen und Kurbelwellen erfordert daher eine leistungsfähige zerstörungsfreie Oberflächenrissprüfung, die es ermöglicht in den hochbeanspruchten Funktionsflächen auch Härterisse, Schleifrisse oder Zundereinschlüsse zu detektieren.
Hierzu sind in den letzten Jahren einige neue, innovative Oberflächenprüfverfahren wie die laserangeregte Thermografie und die Streuflussprüfung mit hochauflösenden GMR-Sensoren oder magnetooptischen Verfahren entwickelt worden. Zusätzlich zur hohen Empfindlichkeit zeichnen sich diese innovativen Verfahren durch einen schnellen und teils auch berührungslosen Einsatz aus. Da die noch relativ neu-en Verfahren naturgemäß noch nicht normativ verankert sind, wurden auch bereits erste Validierungen durchgeführt. Um die Leistungsfähigkeit der Verfahren eingehend zu untersuchen, erfolgten Testreihen an verschiedenen Testkörpern in Bezug auf Ortsauflösung, Empfindlichkeit, Automatisierung und Bewertung der Messsig-nale.
Neben den neuen Verfahren und ihren ersten Schritten hin zur Validierung kamen als Referenz auch die „klassischen“ Verfahren der Magnetpulver- und Wirbelstromprüfung zum Einsatz, deren Leistungsfähigkeit durch angepasste Sondenentwicklung auch für sehr kleine Oberflächendefekte nochmals unter Beweis gestellt wurde. Zusätzlich wurde an einigen Testkörpern eine hochauflösende CT durchgeführt. Die Ergebnisse dieses Vergleiches werden vorgestellt und Möglichkeiten sowie Grenzen der einzelnen Verfahren herausgearbeitet.
Die mechanische Spannung ist ein maßgeblicher Parameter ferromagnetischer Materialien. Wird ein solches Material unter die Curie Temperatur abgekühlt, zerfällt es spontan in nahezu selbstgesättigte magnetische Domänen. Diese Magnetisierung führt gleichzeitig zu einer Verformung der mit ihr gekoppelten Kristallgitter. Ein Effekt der auch reziprok gilt: wird die Gitterverformung durch eine Spannung behindert ändert sich zwangsweise der magnetische Zustand.
Man kann annehmen, dass zwischen unterschiedlichen, für sich aber homogen verspannten Werkstoffbereichen, lokale magnetische Streufelder auftreten, weil magneto-mechanische Effekte eine Inkompatibilität der Domänenstruktur induzieren. Bekanntlich bilden sich Spannungsgradienten nach Schweißprozessen durch ungleichmäßigen Wärmeeintrag, thermischer Dehnung, und unterschiedlichen Abkühlraten aus.
Unter dieser Prämisse untersuchen wir Wolfram-Inertgas geschweißte Blindnahtproben (250x100x4,8 mm^3) aus einem hypereutektoiden Baustahl.
Der Spannungszustand der Proben wurde anhand von Neutronendiffraktometrie (ND) am Instrument E3 am Reaktor BERII (Helmholzzentrum Berlin, HZB) charakterisiert. ND ist ein Referenzverfahren für die quantitative Bestimmung von elastischen Dehnungen in kristallinen Materialien, deren Gitter selbst der Messmaßstab ist. Die Auswertung zeigt hohe Längsspannungen mit lokalen Maxima in Größenordnung von 600 MPa, die von umgebenen Druckspannungszonen kompensiert werden.
Zur Detektion der magnetischen Kleinststreufelder verwenden wir speziell designte GMR-Sensorik (GMR - Giant Magneto Resistance), die aufgrund der geringen Größe ihrer aktiven Sensorelemente hohe Ortsauflösung mit Sensitivität vereint. Die Visualisierung der Messergebnisse lässt eine klare magnetische Mikrostruktur der Schweißnähte erkennen, in der die Streufelder lateral in Größenordnung des Erdmagnetfeldes variieren (~50 µT).
Wir zeigen durch einen Vergleich beider Messverfahren, dass lokale magnetische Streufeldmaxima in hohem Maße mit den Spannungsgradienten übereinstimmen.
Die mechanische Spannung ist ein maßgeblicher Parameter ferromagnetischer Materialien. Wird ein solches Material unter die Curie Temperatur abgekühlt, zerfällt es spontan in nahezu selbstgesättigte magnetische Domänen. Diese Magnetisierung führt gleichzeitig zu einer Verformung der mit ihr gekoppelten Kristallgitter. Ein Effekt der auch reziprok gilt: wird die Gitterverformung durch eine Spannung behindert ändert sich zwangsweise der magnetische Zustand.
Man kann annehmen, dass zwischen unterschiedlichen, für sich aber homogen verspannten Werkstoffbereichen, lokale magnetische Streufelder auftreten, weil magneto-mechanische Effekte eine Inkompatibilität der Domänenstruktur induzieren. Bekanntlich bilden sich Spannungsgradienten nach Schweißprozessen durch ungleichmäßigen Wärmeeintrag, thermischer Dehnung, und unterschiedlichen Abkühlraten aus.
Unter dieser Prämisse untersuchen wir Wolfram-Inertgas geschweißte Blindnahtproben (250x100x4,8 mm^3) aus einem hypereutektoiden Baustahl.
Der Spannungszustand der Proben wurde anhand von Neutronendiffraktometrie (ND) am Instrument E3 am Reaktor BERII (Helmholzzentrum Berlin, HZB) charakterisiert. ND ist ein Referenzverfahren für die quantitative Bestimmung von elastischen Dehnungen in kristallinen Materialien, deren Gitter selbst der Messmaßstab ist. Die Auswertung zeigt hohe Längsspannungen mit lokalen Maxima in Größenordnung von 600 MPa, die von umgebenen Druckspannungszonen kompensiert werden.
Zur Detektion der magnetischen Kleinststreufelder verwenden wir speziell designte GMR-Sensorik (GMR - Giant Magneto Resistance), die aufgrund der geringen Größe ihrer aktiven Sensorelemente hohe Ortsauflösung mit Sensitivität vereint. Die Visualisierung der Messergebnisse lässt eine klare magnetische Mikrostruktur der Schweißnähte erkennen, in der die Streufelder lateral in Größenordnung des Erdmagnetfeldes variieren (~50 µT).
Wir zeigen durch einen Vergleich beider Messverfahren, dass lokale magnetische Streufeldmaxima in hohem Maße mit den Spannungsgradienten übereinstimmen.