24/07/2018
Door Ad Spijkers
Onderzoekers uit Kaiserslautern en Mainz hebben een methode ontwikkeld waarbij ze een dunne magnetische laag op niet-magnetisch staal aanbrengen en in een vroeg stadium schades op microniveau kunnen aantonen.
Slijtage, corrosie en materiaalvermoeiing - de meeste materialen hebben deze verschijnselen met elkaar gemeen. Des te belangrijker is het, schades vroegtijdig te ontdekken, het liefst al in het microbereik. Daarbij worden vaak magnetische testmethoden gebruikt. Veranderingen in de microstructuur kunnen aldus worden opgespoord door veranderingen in het magnetisch effect. Ook materialen zoals aluminium kunnen zo worden getest. Met niet-magnetisch staal was dat tot nu toe niet mogelijk.
Spanningen en schades
Van tijd tot tijd wordt staal blootgesteld aan hoge temperaturen of spanningen. Dat kan leiden tot microstructurele veranderingen, scheuren of falen van het onderdeel Experts spreken van materiaalvermoeiing. Zulke schades zijn voor het eerst op microniveau zichtbaar. Met de magnetische poedermethode is het tot nu toe echter niet mogelijk om veranderingen in niet-magnetisch staal op dit niveau vroegtijdig te ontdekken.
Ingenieurs van de Technische Universität Karlsruhe en van de Johannes Gutenberg-Universität Mainz hebben hier in een recente studie een oplossing voor gevonden. Het bijzondere is dat ze gebruik maken van magnetische effecten hoewel het materiaal niet magnetisch is. Bij magnetisch staal kan men met deze methode vroeg veranderingen in de structuur vaststellen. Zelfs minuscule vervormingen veranderen de magnetische eigenschappen, wat te meten is met een speciale sensortechniek.
Nieuwe methode
De onderzoekers hebben een niet-magnetisch staal gecoat met verschillende, steeds 20 nm dunne magnetische films. Deze bestaan uit Terfenol-D (een legering van de elementen terbium, ijzer en dysprosium) of uit Permalloy, een nikkel-ijzer-verbinding.
Om te testen of hiermee rek in het staal in het microscopisch bereik kan worden bewezen, hebben de onderzoekers een zogeheten Kerr-microscoop gebruikt. Hierin wordt gebruik gemaakt van het zogeheten Kerr-effect, waarmee de magnetische microstructuren (domeinen) via verdraaiing van de polarisatierichting van licht kunnen worden weergegeven.
De wetenschappers hebben enkele millimeters grote magnetisch gecoate staalplaatjes onderzocht, die daarvóór waren blootgesteld aan een mechanische belasting. Ze namen een karakteristieke verandering van de magnetische domeinstructuur waar. De microscopische rek in het niet-magnetisch staal leidt er toe dat de magnetiseringsrichting van de dunne coating verandert.
Ook andere metalen
In vergelijking met gangbare testmethoden biedt de nieuwe techniek het voordeel dat deze duidelijk vroeger vermoeiingsverschijnselen op microniveau kan opsporen. De methode van de onderzoekers zou toepassing kunnen vinden in nieuwe testmethodieken. Bovendien is deze niet alleen interessant voor niet-magnetisch staal; ook andere materialen zoals aluminium, titanium en bepaalde composieten zouden kunnen worden voorzien van zo'n coating.
(Foto: TU Kaiseslautern/Koziel)