صفحه

معرفی روشکاربرد حافظه مغناطیسی فلزات در بازرسی مواد و Metal Magnetic Memory

2آرائی رضا، علی2، عباس زارعی هنزکی1حمید ثابت قدمدانشکده عضو هیات علمی - 2جوشکاري دانشگاه تهران، -وي کارشناسی ارشد مهندسی مواددانشج-1

راندانشگاه تهفنی

مون هاي غیر مخرب، مواضع تمرکز تنش، حافظه مغناطیسی، میدان هاي تنشی آز :واژه هاي کلیدي مغناطیسی- خود

:چکیده

براي تشخیص عیوب ظاهري موجود در قطعه ...) و UT ،RT ،MTمانند (هاي بازرسی غیرمخرب متداول روش توانند در ارزیابی و ها نمی وشاما این ر. ،جاي خود را در صنعت به خوبی باز کرده اند)عیوب سطحی یا زیرسطحی(

قطعات در صنعت می که دلیل اصلی شکست مواد اتصال...، خوردگی وبینی عیوب حاصل از خستگی، خزش پیش MMMبنابراین جهت حل این مشکل، آزمون هاي نوین غیرمخرب از جمله روش .باشند، مورد استفاده قرار گیرند

)Metal Magnetic Memory (هاي تنشی خود این روش بر مبناي ثبت و آنالیز توزیع میدان. دتوسعه یافته ان-هاي بر روي سطوح قطعات بنا نهاده شده و جهت تعیین مناطق تمرکز تنش، عیوب و ناهمگنی) SMLF(مغناطیسی

در واقع وظیفه اصلی این روش شناسایی مناطق . داده شده و فلزات بکار گرفته می شود ساختاري اتصاالت جوشدر قطعه با استفاده از تعیین تنش هاي پسماند و مشخص ... خزش و هاي خستگی، و مستعد به بروز ترك حساسفرومغناطیس که در نتیجه موادحافظه مغناطیسی تغییر در این روش از پدیده . باشد مناطق تمرکز تنش مینمودن

بر این . شود آید، استفاده می ه وجود میگیري میدان مغناطیسی زمین ب عمل بین ترکیب بار وارده به قطعه و جهتناپذیر در حالت مغناطیسی ماده که در ارتباط مستقیم با اساس بعد از حذف بار وارده به قطعه، یک تغییر برگشت

نسبت به سایر MMMبا توجه به مزایاي فراوان روش . آید وجود می حداکثر تنش وارده به قطعه است، در آن بهها، مستندسازي از جمله بازرسی خطوط لوله و مخازن بدون برداشتن عایق روي سطح آن(هاي غیرمخرب روش

و خصوصا قابلیت پیش بینی بروز ترك یا شکست قبل از هاي تست سرویس تر نتایج، جلوگیري از آسیب مناسب .ب نمایدهاي آتی جایگاه ممتازي در صنعت بازرسی کس شود این روش در سال بینی می ، پیش...)و وقوع آن

صفحه

:مقدمه

... ) برشکاري، فرم دهـی، ماشـینکاري، جـوش، ( تنشهاي پسماند موجود در قطعه کار که در فرایندهاي ساخت تاثیر تنشهاي پسماند بـر شکسـت قطعـه . ایجاد می شوند تاثیر قابل توجهی بر رفتار و دوام قطعه کار خواهند داشت

شوکهاي حرارتی بسیار حائز اهمیت است و بنابراین اندازه گیري ایـن تنشـها کار در اثر بارهاي دینامیکی، خستگی و ].١[کارکرد بدون نقص قطعه می نماید ر قطعه کار کمک موثري به اطمینان ازو دانستن مقادیر آنها د

ـ در . دبراي اندازه گیري تنش هاي پسماند، روش هاي مختلفی بر پایه آزمون هاي مخرب و غیرمخرب توسعه یافته ان پایـه پدیـده حافظـه مغناطیسـی مـواد این مقاله هدف معرفی یکی از جدیدترین روش هاي آزمون غیرمخرب که بر

.فرومغناطیس بنا نهاده شده است، می باشد

:هاي پسماند تنش

وجود تنشهاي پسماند در قطعه کار که در اثر فراینـدهاي سـاخت بوجـود مـی آیـد در طـول تجربیـات طـوالنی بـراي آزاد کـردن ایـن تنشـها بـه کـار شامل عملیات حرارتی می باشد "عمدتا ناخته شده و راههاي متعددي کهش

آزاد کردن کامل تنشهاي پسماند از قطعه کار در عمل میسر نیسـت و عـالوه بـر آن در طـول عمـر . گرفته می شودبه صورت پسماند در قطعه کار ایجـاد مـی نیز تنشهائی و تحت بارهاي مکانیکی و شرایط متغیر فیزیکی مفید قطعه

همچنین تنشهاي پسماند از اثرات قطعات بر یکـدیگر . شود که وجود و افزایش این تنشها را اجتناب ناپذیر می کند .ضعیف شدن خواص ماده در اثر کارکردن و عوامل دیگر نیز بوجود می آیند ,اثرات تغییرات دما ,در حین کار

ر قطعات و تجهیزاتی که با انواع پروسه هاي جوشکاري مونتاژ شده و بـه خصـوص در اجـراي تنشهاي پسماند د باید در نظـر ،جوشهاي پهن و چند الیه که مقدار آنها نیز زیاد است و نقش مهمی در ایجاد خستگی زودهنگام دارند

].2[ گرفته شودبعدي در داخل یک سیستم بسته اي است که طبق تعریف تنش پسماند اثرات استاتیکی تنش یک بعدي و یا چند

:کرده اندها را به سه دسته زیر تقسیم محققان این تنش .بدون دخالت نیرو یا گشتاور خارجی به تعادل رسیده استبطور همگون وجود دارد و توزیـع نیروهـاي ) تعدادي دانه(اول که در مناطق بزرگی از مواد تنشهاي پسماند نوع -

.ت در ابعاد ماکروسکوپی منجر می شودتعادلی به تغییرابصورت همگون وجـود دارد و توزیـع ) یک دانه یا قسمتی از آن(تنشهاي پسماند نوع دوم که در مناطق کوچک -

.پی منجر می شودونیروهاي تعادلی ممکن است به تغییرات ابعاد ماکروسکوجـود دارد و توزیـع نیروهـاي تعـادلی تنشهاي پسماند نوع سوم که به طور همگون در مواد با فاصله چند اتـم -

.پی نمی شودومنجر به تغییر ابعاد ماکروسکهر سه نوع تـنش پسـماند ي، فاز اتهنگام انقباض مذاب و سرد شدن جوش و ایجاد تغییر ,در جوشکاري فوالدها

ا ضـروري ایـن تنشـه و در نظـر گـرفتن محاسـبه ،به وجود می آید که در طراحی قطعات و انتخـاب پروسـه جـوش ].1[است ]:2[ورت زیر تقسیم بندي کردصروش هاي اندازه گیري تنش هاي پسماند در قطعه را می توان به ... .، شامل روش تجزیه، روش سوراخ کردن و ) (Destructive Test Method'sروشهاي آزمون مخرب ) الف، روش )X-Ray(امل روش اشـعه ایکـس ، شـ ) Nondestructive Test Method's(روشهاي آزمـون غیـر مخـرب ) ب

که در ادامه به معرفی روش حافظـه مغناطیسـی و کاربردهـاي آن ... و ) MMM( نوترونی، روش حافظه مغناطیسی .پرداخته می شود

صفحه

:) MMM( روش حافظه مغناطیسی

. ر ذرات آنها نهفته اسـت انواع فوالدها در حالت عادي داراي خاصیت فرومغناطیسی ولو به مقدار کم هستند که د تحت تاثیر بارهاي جوشکاري و نیز در طول کارکرد "خاصیت مغناطیسی فوالدها در اثر عملیات مختلف خصوصااین

اندازه گیري تغییرات میدان مغناطیسی در فلز و مرتبط نمودن آن با مقادیر تنشـهاي .تغییر می گردد دچارمکانیکی این روش در طبقـه بنـدي .ش حافظه مغناطیسی با موفقیت کاربردي گردیده استداخلی در انواع فوالدها توسط رو

وجود نواقص و غیریکنواختی ها در قطعات، مواد، سازه ها و جوش ها باعث . غیرمخرب قرار می گیرد روشهاي آزمونباقیمانـده و نقـاط می گردد میدان خودالقائی دچار تغییرات گردد که با اندازه گیري این تغییرات، میزان تنش هـاي

مالحظه گردید که وقتی فلز دچار شکست Doubovسال قبل توسط دکتر 25 حدود. تمرکز تنش مشخص می گرددرد روش حافظـه مغناطیسـی می شود خاصیت مغناطیسی بزرگی از خود نشان می دهد که این امر پایه و اساس کارب

].3[قرار گرفتکز تنش داشته باشیم احتمال بروز ترك، خستگی و تشـدید خـوردگی بـه می دانیم در بخشهائی از قطعه که تمر

بنـابراین شـناخت نـواحی . حداکثر خود می رسد که بروز این عیوب علت اصلی شکست قطعه حین کار خواهـد بـود امکـان بسـیار و یا افزایش پیدا مـی کننـد، که در اثر مرور زمان در قطعه کار بوجود می آیند ي مختلفتحت تنشها

وبی براي تشخیص زودهنگام نواحی آسیب پذیر و جلوگیري از بروز آسیب جدي به تجهیزات حساس را فراهم می خاین روش هیچگونه اثـري . تشخیص نقاط آسیب پذیر را فراهم می نماید امکان کاربرد روش حافظه مغناطیسی. آورد

روش حافظـه .دقـت بـاال بدسـت مـی دهـد روي فلز مورد آزمایش باقی نمی گذارد و تمرکز تنشـهاي داخلـی را بـا مغناطیسی یک روش غیر مخرب است که بر پایه میدان مغناطیسی موجود در مـاده قطعـه کـار کـه همـان میـدان

ناشـی از پروسـه سـاخت، جوشـکاري، ( مغناطیسی زمین است و تغییراتی که در این میدان در اثر بارهـاي اعمـالی ].4)[2و1شکل( عمل می کند، بوجود می آید... ) بارهاي خارجی و

]4[ رومغناطیسفرآیند مغناطیسی شدن مواد ف: 1شکل

صفحه

تغییرات بارگذاري : Δσباقمانده، یتغییرات القائ: ΔB، کاالستی -پیشرفت پدیده مغناطیسنمودار : 2شکل

]4[ میدان مغناطیسی خارجی: Heسیکلی،

تابعی است از تمرکز ناخالصـی هـاي ،)(Hpماده یک عنوان یک قاعده، فرم توزیع میدان مغناطیسی در داخله ب با مقطعی از ماده مـرتبط مـی Hp= 0ین خط و غیریکنواختی ساختار ماده، بنابرا) مثل نابجائی ها(ساختاري شبکه

ن منطقه حـداکثر بنابراین ای. شود که در آن خط مقاومت مغناطیسی حداکثر شده و غیر یکنواختی نیز حداکثر است ].5[نامیده می شود ) ZSC )Zone Stress Concentration تمرکز تنش را داشته و

و نسـبت بـه خـط Hp مغناطیسی داخل مـاده ه عمودي میدانتغییرات تمرکز تنش در ماده مرتبط با شدت مولف ]:6[، محاسبه می گرددفرض می شود Hp= 0اصلی تمرکز تنش که در آن

| ∆H | K = ——— 2L

Hp :K= 0شدت تغییرات میدان مغناطیسی در ماده بین دو نقطه متساوي الفاصله از خط Hp :L= 0فاصله عمودي نقطه مورد نظر تا خط

∆H: قدر مطلق تغییرات میدان مغناطیسی بین دو نقطه منحصـر بـه فـرد نیسـت و در یـک قطعـه Hp = 0و یا به عبارت دیگر ) SC(باید توجه نمود که خط تمرکز تنش

.داشته باشد ممکن است بسته به نوع بارهاي اعمال شده در ناحیه هاي مختلف این خط وجوددر محل ریشه پـره قـرار که SCخط ،در سمت چپ تصویر .یک پره توربین گاز نشان داده شده است 3در شکل

نیروهاي گریز از مرکـز و نیـروي محـوري فشـاري .نشان داده شده استبر این خط عمودي واردهبارهاي نیز دارد و دت تمرکز تنش است را دارا می باشند که نشـان مـی که بیانگر ش A/M 640و -A/M 940مقادیر عددي ذکر شده

بصـورت محـوري روي بدنـه پـره قـرار دارد و SCدر تصویر سمت راست خط . این پره در ناحیه خطر قرار دارد دهد ].1[خطري را نشان نمی دهد ،مرتبط با شدت تمرکز تنش است و -M/A 550 که حداکثرمقادیر عددي ذکر شده

صفحه

]1[ در دو ناحیه مختلف این پره SCپره توربین گاز و نمایش خط : 3شکل شماره

].7[به طور شماتیک نشان داده شده است براي بازرسی خط لوله MMMاستفاده از آزمون 4همچنین در شکل

اسکنر با یک حسگر براي -1:کاناله 2براي بازرسی خط لوله با یک آشکارگر MMMاستفاده از آزمون : 4شکل

]7[ ابزار نمایشگر-5کابل اتصال، - 4حسگرهاي مغناطیسی، -3و2ندازه گیري طول، ا

:در تست جوش حافظه مغناطیسیکاربرد روش

روي خط جوش یک لوله فـوالدي ) HAZ )Heat Affected Zoneنحوه اندازه گیري تنشهاي باقیمانده در ناحیه .اطیسی نشان داده شده استبا به کار بردن روش حافظه مغن 5در شکل شماره

در طـول ) b( 5شـکل ) IIو Ιمقطـع ( جـوش HAZدر ناحیـه Hpابتدا مولفه عمودي و مقدار میدان مغناطیسـی = 0ظاهر شود بنابراین اولین نقطـه Hpمحیط لوله و در عرض جوش اندازه گیري می شود تا اینکه تغییر عالمت در

Hp که در آن نقاط تغییر عالمت دادیم پیدا نموده و از اتصـال آنهـا خـط بدست می آید همینطور نقاط دیگر راSC به فاصله Hpمقادیر SCدر طول خط HAZحال با هدف تعیین حداکثر تنشهاي باقیمانده در ناحیه . بدست می آید

صفحه

از هـر طـرف mm 20قرائت می شود به عنـوان مثـال در روي شـکل بـه فاصـله SCهاي مساوي از دو طرف خط در طول حرکت سنسور Hpقرائت میشود بدیهی است که مقدار )II )A/m 30- =HPدر ناحیه Hpادیر حداکثر مق

این مقـادیر توسـط یـک . مشاهده می شود) c( 5روي قطعه متغییر خواهد بود و یک حالت تغییرات خطی در شکل سبت به وضعیت حظه مقادیر می توان نتبدیل کننده به مقادیر تنش باقی مانده در جوش مرتبط می گردد که با مال

].1[قطعه اظهارنظر نمود

]1[ روي خط جوش یک لوله فوالدي HAZنحوه اندازه گیري تغییرات میدان مغناطیسی در ناحیه : 5شکل

].7[آزمون حافظه مغناطیسی مشاهده کردمی توان تغییرات حاصله از خط جوش لوله را در نتایج 6در شکل

صفحه

کرنش قرار گرفته ونتایج اندازه گیري -تصویر سمت چپ نشان دهنده قسمتی از سطح لوله که تحت تنش: 6شکل

در طول سطح باالیی لوله، تصویر سمت راست نیز نشان دهنده الیه اي از خط HPمیدان مغناطیسی باقیمانده ]II-II ]7و I-Iروي خط لوله بین دو قسمت ) SCخط ( HPتغییر اثر

:حافظه مغناطیسیردهاي میدانی استفاده از روش کارب

تستهاي غیرمخرب متمرکز اسـت، در زمینه "مراکز تحقیقاتی متعددي در دنیا پژوهشهاي مستمري را که عمدتا د قابلیت اطمینان به قطعات و تجهیزات را قبل از بروز نقـص یـا نهاي کارآمدتري که بتوان با هدف دستیابی به روش

اولتراسـونیک و آزمـون هاي از روش "در حال حاضر عمدتا. در برنامه کاري خود قرار داده اند ،ین نمایندشکست تعیالگوئی از وجود تنشهاي پسماند در اختیار قرار نمـی ،اشعه ایکس استفاده می شود که این روشهاي تست غیرمخرب

ـ قادر نقص در قطعه در صورت وجوددهند و فقط از ٪80بـا توجـه بـه اینکـه بـیش از . ودبه تشخیص آن خواهند بناشی از تمرکز "ناگهانی در قطعات و تجهیزات در اثر بروز خزش، خستگی، خوردگی و سایش که عمدتا يخرابی ها

اطالع از الگوي تنشهاي متمرکز در قطعه حین تسـت بخصـوص بـراي قطعـات حسـاس ،تنشها است بروز می نمایددید با ارتباط دادن وضـعیت تغییـرات میـدان مغناطیسـی در قطعـات فـوالدي همانگونه که مطرح گر. ضروري است

الگـوي ایـن ،با تغییرات تنشهاي پسماند در قطعـه ) موادي که خاصیت مغناطیسی ولو به مقدار اندك داشته باشند(قبـل از ها میتوان به آسانی نقاط خطرناك را تشـخیص و ها در قطعه بدست می آید و با مالحظه مقادیر تنش تنش

نسبت بـه رفـع و اصـالح آن ، می تواندنمنجر به بروز نقص مانند ترك و غیره گرد و حساس، خطرپرآنکه این نقاط ک پره توربین بخار را مشاهده می توان توزیع میدان مغناطیسی باقیمانده در ی 7به عنوان نمونه در شکل .اقدام نمود

].7[کرد

صفحه

]7[ در منطقه تمرکز تنش Hpاطیسی باقیمانده توزیع نمونه اي میدان مغن: 7شکل

]:8[می توان به صورت زیر عنوان نمود را MMMجدید روشاز مزیت هاي اصلی استفاده بطور خالصه قابل کاربرد در فعالیتهاي میدانی و بازرسی از قطعات و سازه ها تحت بار بدون ایجاد توقف یا اخالل در فرآیند و -

.پروسه فعالیت .ابل استفاده در محدوده کرنشهاي پالستیکق - .عالوه بر تعیین تنشهاي پسماند قادر به تعیین ساختار فلز نیز می باشد روشاین -اطالع از وضعیت نقاطی کـه "قابلیت استفاده و کاربرد این روش در سطح و الیه هاي عمقی در فلزات و خصوصا -

.دسترسی به آن ها از یک طرف میسر می باشدهاي معمول براي تست که در دیگر روشهاي غیرمخرب نیاز است و سهولت بهره گیري یاز به آماده سازيعدم ن -

.و کاربرد این روشبه طور شـماتیک در سـمت چـپ هاي پسماند در یک خط جوش صفحه فوالدي توزیع تنش ،8در شکل شماره

MMMاطیسی اندازه گیري شـده بـه روش پخش میدان مغننیز نحوه و در سمت راست شکل نشان داده شده استواضح است که مشابهت کامل بـین شـدت تغییـرات میـدان و شـدت تغییـرات .در همین خط جوش دیده می شود

].9[ خورد تنشهاي پسماند به چشم می

نمودارهاي تنشهاي پسماند ومیدان مغناطیسی در خط جوش یک صفحه فوالدي: 8شکل شماره

صفحه

میلیمتر 8ه فاصله تغییرات میدان ب) 1 میلیمتر 16تغییرات میدان به فاصله ) 2

]9[ میلیمتر از مرکز جوش 21تغییرات میدان به فاصله ) 3

]9[ تمرکز تنش روي دو قسمت از قطعه کار نمایش یک خط جوش و خطوط: 9شکل شماره

:نتیجه گیري

پـذیر اسـت کـه باعـث بـروز خسـارات جبـران وجود تنش هاي پسماند در اکثر قطعات صنعتی اجتناب نا • .در قطعه می شود... ناپذیري از جمله خستگی، خزش و

جهت تعیین میزان حضور تنش هاي پسـماند و جلـوگیري از صـدمات ناشـی از آن، روش هـاي مختلـف •آزمون مخرب و غیرمخرب وجود دارد که یکی از جدیدترین این روش ها، روش آزمـون غیرمخربـی اسـت

.پایه حافظه مغناطیسی قطعات فرومغناطیس بنا نهاده شده است که برمی توان فرم توزیع تنش هاي پسماند و در نتیجه مناطق ،)MMM(با استفاده از روش حافظه مغناطیسی •

.را در قطعه تشخیص داد) ZSC(حاوي حداکثر تمرکز تنش و امکان تشـخیص عیـب ب بودهروشی متفاوت از سایر روش هاي آزمون غیرمخر روش حافظه مغناطیسی •

.را قبل از ایجاد آن فراهم می آورد و بدین صورت بسیاري از مشکالت سایر روش ها را برطرف می سازد :مراجعفهرست

1. Vlasov V.T., Dubov A.A. Development of theory of ferromagnetic domain structure by the example of iron. Proceedings of the third international conference “Diagnostics of

صفحه

equipment and structures with usage of metal magnetic memory”. Moscow, February, 2003.

2. ll

3. A. Dubov, PRINCIPAL FEATURES OF METAL MAGNETIC MEMORY METHOD AND INSPECTION TOOLS AS COMPARED TO KNOWN MAGNETIC NDT METHODS, Energodiagnostika Co. Ltd, Moscow, Russia, 2004.

4. Wei-Chang Zhong, Magnetization of ferromagnetic materials in geomagnetic field by mechanical strain - Prinicple of metal magnetic memory testing and diagnostic technique, Nanjing Gas Turbine Research Institute, 2002.

5. DONG Li-hong, XU Bin-shi, DONG Shi-yun, YE Ming-hui,CHEN Qun-zhi, WANG Dan, YIN Da-wei, Metal magnetic memory signals from surface of low-carbon steel andlow-carbon alloyed steel, J. Cent. South Univ. Technol. (2007)01−0024−04.

6. WANG Wen-jing. Study on the metal magnetic memory testing and application, Heilongjiang: College of Mechanical Science and Engineering, Daqing Petroleum Institute, 2003.

7. Energodiagnostika Co. Ltd, www.energodiagnostika.com.

8. Ren Jiling, Song kai,Wu Guanhua, Mechanism study of metal magnetic memory testing, Nanchang Institute of Aeronautical Technology Lin Junming, EDDYSUN (Xiamen) Electronic Co., Ltd, 2004.

9. LI Lu-ming, HUANG Song-ling, WANG Xiao-feng, et al. Magnetic field abnormality caused by welding residual stress[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2003, 261: 387−391.