Consortional assoc.: Optimization of a magnetic hysteresis measurement-based nondestructive inspection method and its application in materials science  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
111987
Type K
Principal investigator Pávó, József
Title in Hungarian Konzorcium, társ p.: Mágneses hiszterézis mérésén alapuló roncsolásmentes mérési módszer optimalizálása és anyagtudományi alkalmazása
Title in English Consortional assoc.: Optimization of a magnetic hysteresis measurement-based nondestructive inspection method and its application in materials science
Keywords in Hungarian Ferromágneses anyagok, mágneses hiszterézis, mágneses térszámítás, roncsolásmentes anyagvizsgálat
Keywords in English Ferromagnetic material, magnetic hysteresis, magnetic field calculation, nondestructive testing
Discipline
Material Science and Technology (engineering and metallurgy) (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Materials technology
Panel Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences
Department or equivalent Department of Broadband Infocommunications and Electromagnetic Theory (Budapest University of Technology and Economics)
Participants Bilicz, Sándor
Gyimóthy, Szabolcs
Horváth, Péter
Starting date 2014-09-01
Closing date 2018-08-31
Funding (in million HUF) 10.439
FTE (full time equivalent) 4.47
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A kutatás során egy, a gyakorlati alkalmazás szempontjából nagy fontosságú vizsgálati módszert kívánunk alapkutatási szinten megalapozni és elméleti számítások segítségével kvantitatívvá tenni. A ferromágneses szerkezeti anyagok roncsolásmentes vizsgálatára korábban általunk kidolgozott, a mágneses hiszterézis alhurkok szisztematikus mérésén és kiértékelésén alapuló eljárásról van szó. Ezt a módszert a mágneses hiszterézist leíró Preisach-modell alapján fejlesztettük ki, és számos esetben sikeresen alkalmaztuk a ferromágneses anyagokban bekövetkező szerkezeti változások nyomon követésére. Ugyanakkor a méréseink során (eddig) nem vettük eléggé figyelembe a mágneses tér eloszlásának sajátságait a mérendő minta belsejében, holott ez igen fontos a mérések kiértékelése szempontjából. Ezért a módszerünket oly módon kívánjuk fejleszteni, hogy elektromágneses térszámítás segítségével modellezzük a ferromágneses anyagban a mágnesezés folyamán kialakuló mágneses tér eloszlását, és a szimuláció eredményeinek figyelembe vételével optimalizáljuk a kísérleti elrendezést. A kutatás eredményétől azt várjuk, hogy egyrészt jobban megértjük, hogyan hatol be a mágneses tér az anyagba, tisztázzuk többek között a mágnesező járom és a mágnesezendő minta közötti légrés hatását a mért mágneses paraméterekre, másrészt meghatározzuk a mágnesező járom optimális méretét, alakját és anyagát a megoldandó mérési feladat függvényében. A kapott elméleti eredmények segítségével optimalizált mérési összeállítással nagyszámú ellenőrző mérést is végzünk különféle anyagokon a szimuláció igazolására. Mindezek eredőjeként a mérési technika jelentős továbbfejlesztését reméljük.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

A kutatás alapkérdése, hogy roncsolásmentesen végezhető mágneses mérések segítségével hogyan követhetjük nyomon a ferromágneses anyagból készült szerkezeti elemekben különféle okok miatt bekövetkező változásokat. A mágneses mérések alkalmasak erre, mert a mágnesezési folyamatok szorosan összefüggnek az anyag mikroszerkezetével. A kutatás fő célja, hogy a két kutatócsoport (amelyek ismereteikben, lehetőségeikben nagyon jól kiegészítik egymást) együttműködésével a mérési technikát olyan szintre fejlesszük, ami már alkalmas az ipari bevezetésre, valamint jobban megértsük, hogy pontosan mi történik az anyagban a mágnesezés folyamán. Célunk, hogy feltárjuk az anyagokban bekövetkező mikroszerkezeti változások és mágneses jellemzők kapcsolatát mind elméleti módszerekkel, mind a korszerű anyagvizsgálati módszerek segítségével. Fontos feladatunk továbbá, hogy új alkalmazási lehetőségeket találjunk, vagyis segítsük elő a korszerű mágneses méréstechnika gyakorlati alkalmazását. A fő kutatási irányok a következők:
Modellezzük a mágneses tér eloszlását a mérés során és ennek segítségével optimalizáljuk a mérést magát.
Kimutatjuk és kvantitatívvá tesszük a mikroszerkezet és a mágneses jellemzők kapcsolatát, egyéb vizsgálati technikákat is bevonva a kiértékelésbe.
Elkezdjük az iparban ténylegesen alkalmazott acél szerkezetek degradációjának roncsolásmentes vizsgálatát. Feladatunk annak megállapítása, hogy hogyan és mikor alakulnak ki a szerkezeti elváltozások, repedések. Munkánk hosszú távú célja az atomerőművek, hőerőművek, vegyipari üzemek, közlekedési eszközök, hidak és csővezetékek kritikus elemeinek vizsgálata.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

Az ipar számos területén alkalmaznak ferromágneses anyagból készült fontos szerkezeti elemeket, és mind anyagi, mind pedig baleset- és életvédelmi szempontból igen fontos ezen elemek rendszeres, roncsolásmentes módon történő ellenőrzése. Az igaz, hogy a ferromágneses anyagokban kialakuló nem mágneses jellegű szerkezeti változások már régóta sikeresen detektálhatók bizonyos mágneses mérésekkel. Azonban ezen technikák elterjedése és a jelenlegi korszerű vizsgálatokban történő üzemszerű alkalmazása még sok kívánnivalót hagy maga után még annak ellenére is, hogy az utóbbi évtizedben a mágneses méréstechnika – kombinálva a számítástechnika által nyújtott lehetőségekkel – ugrásszerűen fejlődött. Kutatásunk alapvető jelentősége egy új módszer bevezetése ezen a területen, és ennek a módszernek az elfogadtatása az ipari partnerekkel. Az általunk az utóbbi években kidolgozott mérési technológia alapvetően új, és számos előnyt biztosít a jelenleg létező egyéb vizsgálati módszerekkel szemben. Ezek a következők: i) sokkal nagyobb érzékenység, ii) nincs szükség a mérendő munkadarab telítésig való mágnesezésére, ami már önmagában is hatalmas előny, iii) olyan feladatok is megoldhatók a módszerünk segítségével, amelyekre jelenleg nem létezik hatékony módszer. Sok mérést végeztünk már különféle behatásoknak kitett mintákon, és ezek alapján egyértelműen sikerült bizonyítani eljárásunk előnyeit.
Kutatásunk jelentőségét abban látjuk továbbá, hogy alkalmazni kívánjuk a korszerű szimulációs eljárások által nyújtott lehetőségeket egy gyakorlati feladat megoldására, és ennek segítségével optimalizáljuk a mérést az adott feladat leghatékonyabb megvalósítására. Így nem kizárólag a mérési módszert akarjuk fejleszteni, hanem az annak modellezésére használt számítási eljárásokat is. Végül, de nem utolsósorban alapkutatási jellegű méréseket, összehasonlításokat is el kívánunk végezni, amelynek során új kapcsolatokat kívánunk kimutatni az anyag szerkezete és mágneses viselkedése között. (ld. részletesebben a kutatási tervben).
Mindent összevetve meggyőződésünk, hogy a projekt sikeres végigvitelével hozzájárulunk az alapkutatásban elért eredmények társadalmi hasznosíthatóságához.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A projekt során olyan új, gyorsan elvégezhető, megbízható és gazdaságos roncsolásmentes vizsgálati módszert kívánunk továbbfejleszteni, amely alkalmas az iparban használt ferromágneses anyagból készült szerkezeti elemek ellenőrzésére. Ez nagyon időszerű probléma, amely az ipar számos ágát érinti. A feladat a vas- és acélipar alapvető termékeinek gyártás közbeni ellenőrzésével kezdődik, és egészen a késztermékek használat közben történő rendszeres vizsgálatáig tart. Olyan esetekről van elsősorban szó, ahol a használat közben anyagkifáradás, öregedés, korrózió, neutron besugárzás és egyéb káros folyamatok mehetnek végbe. Nagy igény mutatkozik az acélokban bekövetkező szerkezeti változások roncsolásmentes módon történő kimutatására a hengerléssel, sajtolással, darabolással történő anyagmegmunkálás során is. Nem kevésbé fontos továbbá a csővezetékek, hidak, hajók, nyomástartó edények (és még sok egyéb) esetében a szerkezeti elemek élettartamuk alatt történő rendszeres roncsolásmentes ellenőrzése. Valamennyi gyártó és felhasználó igen nagymértékben érdekelt az iparban előforduló szerkezeti elemek várható maradék élettartamának megbízható becslésére. Az alkalmazott mérési módszert mi fejlesztettük ki, amelynek során a vizsgálandó anyag mágneses viselkedését tanulmányozzuk. A mágneses módon elvégzett vizsgálatok, egyszerű mivoltuk és gazdaságosságuk miatt tarthatnak számot a széleskörű érdeklődésre a fenti esetekben. Ezek a módszerek azon a tényen alapulnak, hogy az anyagok szerkezeti változásai és mágneses jellemzői között jól kimutatható kapcsolat van.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

A novel inspection technique, very important for the practical applications will be improved and made quantitative by basic research study and by theoretical calculations. This method was developed by us, and it aims the nondestructive investigation of ferromagnetic structural material, by using the systematic measurement and evaluation of magnetic hysteresis minor loops. It is based on the theoretical Preisach model of magnetic hysteresis phenomenon, and this technique has been successfully applied in many cases for detection of structural changes of ferromagnetic materials. On the other side in our previous work the characteristics of the distribution of magnetic field inside the samples to be measured was not taken into account, although this is very important for the proper evaluation of measured data. Because of this we would like to develop our method in such a way, that we model the distribution of the magnetic field (by means of electromagnetic field calculations) during the magnetization of the sample, and by using the results of calculations, we will optimise our experimental conditions. We expect from the results of our research that we get a better knowledge about the penetration of the magnetic field into the ferromagnetic material, we make clear the role of air gap between the magnetizing yoke and sample on the measured magnetic characteristics, and we also determine the optimal size, shape and material of the magnetizing yoke for a given problem to be solved. We will perform several measurements on different materials by using the optimised experimental arrangement. As a final goal, we expect for the significant improvement of our experimental technique.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

The basic question is, how to detect the degradation of structural elements, made of ferromagnetic material, by nondestructive magnetic measurements. Magnetic measurements are suitable for this purpose, because the basic magnetization processes are closely correlated with the microstructure of materials. By the cooperation of the two research groups (whose knowledge, field of interest, capacitiy and experience very well complete each other) we develop our experimental technique to such a level, which will be suitable for direct practical application. An important aspect of the project is to understand better, what happens in the material during magnetization. We wish to determine the correlation between microstructural changes and magnetic characteristics both by theoretical method and by up-to-date material science methods. Our another important mission is to find new application possibilities, i.e. to promote practical introduction of novel magnetic measuring techniques. The main research directions are the following:
Modeling the distribution of magnetic field during the measurement, and by using this optimising the experimental technique itself.
Determining and making quantitative the correlation between microstructure and magnetic parameters by involving other investigation techniques into evaluation, too.
We will start the nondestructive inspection of degradation of industrial steel construction elements.
Our goal is to investigate how and when structural deformations, cracks are formed. This goal involves the examination of critical elements of thermal power stations, nuclear power plants, chemical industry, means of transport, bridges, pipelines.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

Structural elements made of ferromagnetic material are used in many areas of industry. Regular, nondestructive inspection of these elements is a very important task, from both financial and safety aspects. Structural degradations can be successfully detected for a long time by certain magnetic measurements, but the practical applicability of these techniques is still questionable, in spite of the fact that the magnetic measuring technique – combined with the modern computer science – has recently developed a lot. Basic significance of our research is that we initiate a novel, effective technique and we try to introduce it into practical application. The measuring tecnique, developed by us lately, is basically novel and it offers a lot of advantages compared with the conventional techniques. These are the following: i) much higher sensitivity, ii) there is no need of magnetic saturation of the measured sample, which is by itself an enormous advantage, iii) it is possible to solve such problems, which cannot be solved by other techiques at the moment.
We have performed a lot of measurements on different materials and we have managed to prove unambiguously the advantages of our method.
Furthermore we consider the significance of our research in the fact that we want to apply the possibility of up-to-date simulation processes for the solution of a practical task, optimizing such a way our experimental technique for the most powerful implementation of the given problem. It means that we do not want to develop measurement method only, but also calculation methods, which are used for modeling of measurement.
Last, but not least, we want to perform basic research, and in this way we want to find new correlations between the structure of the material and magnetic bahaviour (see detailed in the research plan). Summing up, we are convinced, that by successful realization of the project we contribute to the profitable exploitation of the results of basic science.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

During the project a novel, fast, reliable and simple nondestructive testing method will be developed further, which is suitable for the inspection of industrial ferromagnetic structural components. Tests of impending material degradation of engineering systems due to their industrial service make an indispensable part of any modern technological processes. It starts with testing of products of iron and steel industry during manufacturing and continues through the regular inspection during their lifetime. This inspection should be done where material degradation takes place, due to fatigue, stress, corrosion, neutron irradiation, thermal shock and others harmful processes. There is also a large demand in the industry for nondestructive tests where shaping of the elements happens by rolling, extrusion, cutting and trimming. A very important task is the regular nondestructive test of pipelines, bridges, pressure vessels and many different structural elements during their whole lifetime. All the manufacturers and users are highly interested in a reliable estimation of expected residual lifetime of important structural components. The inspection method, to be applied in the project has been developed by us and it is based on magnetic measurements. The magnetic measurements, due to their simplicity and economic feature are challenging. This method is based on the fact that structural changes in the material and their magnetic behaviour correlate with each other.





 

Events of the project

 
2016-11-08 09:58:26
Résztvevők változása




Back »