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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.
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.
Creep-fatigue of P92 in service-like tests with combined stress- and strain-controlled dwell times
(2023)
Complex service-like relaxation- and creep-fatigue tests with strain- and stress-controlled dwells and fatigue cycle durations of approx. 2200 s were performed exemplarily on a grade P92 steel at 620 ◦C in this study. The results indicate deviations in the prevailing creep mechanisms of long-term relaxation and creep dwells, affecting subsequent dwells, load shifts, and the macroscopic softening behavior quite differently. In addition, fracture surfaces and longitudinal metallographic sections reveal intergranular crack growth for complex loading with stress-controlled dwells, whereas complex strain-controlled tests enhance oxidation and transgranular crack propagation. These findings substantiate the limited transferability of relaxation-fatigue to creep-fatigue conditions.
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.
Die Metal Magnetic Memory (MMM) Methode ist ein standardisiertes, zerstörungsfreies Prüfverfahren, das für die Detektion von lokal geschädigten Materialbereichen in ferromagnetischen Bauteilen oder Proben verwendet wird. Es basiert auf der Annahme lokaler magnetoelastischer Wechselwirkungen an Spannungskonzentrationsstellen, die schwache magnetische Streufelder an den geschädigten Prüfkörperoberflächen hervorrufen. Die MMM-Methode überträgt dabei die für einachsige und elastische Verformungen entwickelten magnetoelastischen Modellvorstellungen ohne weitere Anpassungen in den Schädigungskontext, der jedoch mehrachsige Beanspruchungen und elastisch-plastische Deformationsprozesse erwarten lässt. Das Ziel der Arbeit ist es daher, die gängigen MMM-Hypothesen zur Signalentstehung fach- und skalenübergreifend und unter stärkerer Berücksichtigung mechanischer und mikrostruktureller Aspekte zu überprüfen.
Zu diesem Zweck wurden zum einen gekerbte Flachzugproben aus einem unlegierten Baustahl inhomogen elastisch-plastisch verformt und die entstehenden magnetischen Streufelder an deren Oberflächen mit einem Drei-Achsen-GMR-Magnetometer detektiert. Die so ermittelten Magnetfeld-verteilungen wurden für unterschiedliche Verformungszustände ortsaufgelöst und richtungsabhängig mit gemessenen Dehnungsverteilungen (digitale Bildkorrelation) und mit simulierten Lastspannungs-verteilungen korreliert. Die eingeschnürten Probenbereiche wurden zusätzlich topographisch mittels Streifenlichtprojektion und Weißlichtinterferenzmikroskopie vermessen, um den Magnetisierungs-prozess ebenfalls vor dem Hintergrund geometrischer Effekte diskutieren zu können.
Um systematische, verformungsinduzierte Veränderungen der magnetischen Mikrostruktur (magnetischer Domänen) im polykristallinen, quasi-isotropen Material nachzuweisen, wurde zum anderen ein in dieser Arbeit entwickelter statistischer Ansatz der Domänenanalyse angewandt. Hierfür wurde das Material zunächst durch Härteeindrücke mehrachsig elastisch-plastisch verformt, und die verformten Probenbereiche wurden anschließend mit Hilfe der Bitterstreifentechnik hauptsächlich bei niedriger Vergrößerung lichtmikroskopisch untersucht. Die beobachteten makroskopischen Domänen-kontraste wurden über ein analytisches, kontaktmechanisches (ECM-) Modell und über Makro-Eigen-spannungsmessungen (energiedispersive Synchrotron-Beugungsuntersuchungen) charakteristischen Verformungszonen unter den Härteeindrücken zugeordnet.
Die Ergebnisse dieser Untersuchungen belegen, dass die Entstehung der Streufelder – entgegen bisheriger Annahmen – nicht allein auf mechanische Spannungs- und Verformungsgradienten im Material zurückzuführen, sondern auch topographisch bedingt ist. Die Vernachlässigung überlagerter geometrischer Effekte kann zu sicherheitsrelevanten Fehlinterpretationen der magnetischen Signale führen. Einachsige magnetoelastische Modellvorstellungen sollten zudem nicht ohne Anpassungen auf komplexe Beanspruchungen übertragen werden, da u. a. sowohl mechanische Größen (wie Spannungen oder Dehnungen) als auch mikrostrukturelle Parameter (wie z. B. Versetzungsdichten) bei komplexen Belastungen als ortsabhängige Variablen behandelt werden müssen. Die in dieser Arbeit beobachteten Domänenkontraste lassen sich zweifelsfrei charakteristischen Verformungszonen zuordnen, mikro-strukturell jedoch nicht allein mit anzunehmenden Gradienten der Versetzungsdichte erklären. Statt-dessen entstehen beispielsweise lokale Verformungstexturen, die zusätzliche magnetische Anisotropien bewirken könnten. Da bisher weder die makroskopischen noch die mikrostrukturellen Ursachen der Streufeldentstehung hinreichend verstanden sind, scheint die MMM-Methode für die quantitative Bewertung des Schädigungszustands derzeit ungeeignet.
This article refers to the research article entitled “Creep-Fatigue of P92 in Service-Like Tests with Combined Stress- and Strain-Controlled Dwell Times” [1]. It presents experimental mechanical data from complex service-like creep-fatigue experiments performed isothermally at 620 °C and a low strain amplitude of 0.2 % on tempered martensite-ferritic grade P92 steel. The data sets in text file format provide cyclic deformation (min. and max. stresses) and the total (hysteresis) data of all recorded fatigue cycles for three different creep-fatigue experiments: 1) a standard relaxation fatigue (RF) test with symmetrical dwell times of three minutes introduced at minimum and maximum strain, 2) a fully strain-controlled service-like relaxation (SLR) test combining these three-minute peak strain dwells with a 30-minute dwell in between at zero strain, and 3) a partly stress-controlled service-like creep (SLC) test combining the three-minute peak strain dwells with 30-minute dwells at constant stress. Such service-like (SL) tests with additional long-term stress- and strain-controlled dwell times are non-standard, rare, and expensive, making these data very valuable. They may be used to approximate cyclic softening in the technically relevant range, for the design of complex SL experiments, or for detailed analyses of stress-strain hystereses (e.g., for stress or strain partitioning methods, for the determination of hysteresis energies (work), inelastic strain components, etc.). In addition, the latter analyses may supply important input for advanced parametric lifetime modeling of components under creep-fatigue loading or model calibration parameters.
The plastic deformation results in irreversible microstructure changes in the steel, which can be considered as the initial stage of the fracture process. However, detecting, monitoring and evaluating, damage states and small defects non-destructively in advance still proves challenging. Dubov reported the phenomenon of the spontaneous emergence of weak magnetic fields in ferritic structural steel and pipelines, which originate due to heterogeneous mechanical and / or thermal stresses. This observation is not associated with induced phase transformations by deformation and appears to be a promising tool for the prior characterization of damage in ferromagnetic steels. To provide a better understanding of the physical bases of the process, the magnetic microstructure of such materials and a change of magnetic domains after undergoing plastic deformation were studied. A colloidal solution with paramagnetic particles in the nanometer range (ferrofluid), which allowed, through the Bitter technique, not only to observe a change in size of the magnetic domains of the material, but also changes in their morphology. Ferritic steels with their concentrations of carbon in its composition (0.12%; 0.17% and 0.45%) were studied in this work.
The low-cycle fatigue behavior of cc-brass CuZn30 was irtvestigated in uniaxial (tension-compression and torional) and biaxial tests under total strain control at room temperature. Planar-biaxial fatigue tests were carried out on a servohydraulic tension-compression testing machine with and without phase shift using a cruciform specimen geometry with fixed principal stress axes. In phase and out of phase tensiontorsion tests were performed using tube shape specimens on a servohydraulic tensiontorsion testing machine. Microstructural investigations were performed by transmission electron microscopy as well as by scanning electron microscope. For all proportional load cases the equivalent strain amplitude based on a maximum shear strain energy criterion results in a similar hardening behavior and in fatigue life times within a scatter band of three. Out of phase loading results in additional cyclic hardening and reduced life time. Planar glide structures were observed in all tested cases as well as areas of pronounced strain localization in the torsional load cases. No evidence of transition to wavy glide behavior was observed.
