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Verfahren zum Prüfen von ferromagnetischenWerkstoffen auf Anisotropie
Die Erfindung betrifft ein einfach und mit geringen Hilfsmitteln durchzuführendes
Verfahren, um Anisotropie in metallischen Werkstücken festzustellen. Unter Anisotropie
ist dabei im weitgefaßten Sinne jede Abweichung von der vollkommen gleichmäßigen
Gefügeausbildung, der gleichmäßigen Verteilung der Eigenschaften oder der gleichmäßigen
Beanspruchung in den einzelnen Richtungen des Werkstückes verstanden. Diese Abweichungen
sind bedingt sowohl durch die von Wachstumsbedingungen (Guß, Elektrolyse) und Verformung
sowie Rekristallisation abhängige Faserstruktur, oder sie sind durch Einlagerungen
und ungleichmäßige Verteilung von zweiten Gefügebestandteilen (Schlacken, Schweißnähte
usw.) veranlaßt, ferner durch Störungen des Materialzusammenhangs durch Risse öder
Hohlräume, schließlich durch ungleichmäßige Verteilung von inneren und äußeren Spannungen.
Das Verfahren ist anwendbar auf alle ferromagnetischen Metalle und Legierungen.
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Alle oben beschriebenen Einflüsse verändern die Kraftliniendichte
in den ferromagnetischen Stoffen, sei es durch Änderung der Permeabilität oder des
Kraftlinienweges. Das Verfahren beruht darauf, daß ein im Kraftfeld eines Magneten
angebrachtes Werkstück sich in die Richtung des höchsten magnetischen Kraftflusses
einzustellen sucht. Wird also das Werkstück leicht drehbar in dem Kraftfeld eines
beliebigen Magneten angeordnet, so folgt es dieser Kraft Umgekehrt kann auch der
Magnet leicht drehbar in die Nähe des Werkstückes gebracht werden. Die Einstellung
des Magneten gibt dann ebenfalls die Richtung des größtmöglichen Kraftflusses in
dem Werkstück an.
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Dieses Verfahren hat den Vorzug, daß die Prüfung ohne jede Materialzerstörung
an dem Werkstück beliebiger Abmessungen sowie beliebiger Anordnung, also auch zur
Prüfung der Spannungsverteilung nach dem Einbau ange= wendet werden kann. Dies unterscheidet
die :Methode insbesondere vorteilhaft von allen bisher bekannten Verfahren, wie
Röntgenuntersuchung zur Feststellung der Faserstruktur, Ätzverfahren zur Feststellung
der Kristallitenorientierung, Klangfiguren zur Feststellung von elektrischer Anisotropie,
Ausdehnungsmessung bei hexagonalen Metallen zur Feststellung der Verformungsstruktur
usw. Bei allen ist eine besondere Formgebung oder Veränderung des Werkstückes notwendig.
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Das Verfahren sei kurz an einem einfachen Ausführungsbeispiel erläutert.
Es handelt sich darum, festzustellen, ob in einem Eisenblech unbekannter Vorbehandlung
eine bevorzugte Kristallorientierung vorliegt oder ob das Gefüge vollkommen regellose
Anordnung besitzt. Aus den Messungen von verschiedenen Forschern ist bekannt, daß
die magnetische Durchlässigkeit in Einkristallen aus Eisen über einen
bestimmten
weiten H-Bereich (H = angelegtes Feld in Gauß) stark von der Orientierung abhängt.
Ausgezeichnete Richtungen sind bekanntlich die Hauptachsen des Kristalls: die (ioo)-,
(iio)- und (iii)-Richtung. Der (ioo)-Richtung kommt die höchste Permeabilität, also
bei gleichbleibendem H die größte Induktion B, der (iii)-Richtung die geringste
Permeabilität, also die geringste Induktion B zu. Legen wir das Feld parallel der
ioo-Ebene an und bestimmen bei verschiedenen Feldstärken die in den einzelnen Richtungen
der ioo-Ebene auftretende Induktion, so ergibt sich die durch Abb. i dargestellte
Verteilung der Induktion. Die (iii) -Richtung ist in der dargestellten Ebene nicht
enthalten, da sich diese auf die Raumachse bezieht. Zur Erledigung der oben gestellten
Aufgabe schneiden wir aus dem Blech oder Band eine kreisrunde Scheibe aus und bringen
sie gemäß der in Abb. 2 skizzierten Weise in das Kraftfeld eines Magneten. <V
und S sind die Pole des permanenten oder elektrisch angeregten Magneten. Die Scheibe
A ist leicht drehbar in dem Kraftfelde der beiden Pole so angebracht, daß die Kraftlinien
parallel zur Blechebene verlaufen. Die Kraftlinienzahl ist gegeben durch ,u #
H # q. In diesem Produkt bleibt bei der hier zur leichteren Übersicht
gewählten Kreisform des Prüfstückes der Querschnitt q konstant, ferner ist
H, da bei gleichbleibendem Feld gearbeitet wird, konstant. Der höchste Fluß
ist also durch die Größe der Permeabilität gegeben. Besitzt das Blech vollkommen
regellose Anordnung des Gefüges und damit vollständige Quasiisotropie für das magnetische
Verhalten, so ist die Permeabilität in allen Richtungen gleich und mithin ist jede
Lage der Scheibe in dem Kraftfelde gleich stabil. Liegt jedoch eine bestimmte Kristallebene
und Kristallrichtung bevorzugt in der Blechebene, so wird sich die Scheibe in die
Richtung der höheren Permeabilitätswerte einstellen, da diese Lage entsprechend
der höheren Kraftliniendichte stabiler ist als die Lage in den benachbarten Richtungen.
Zeigt die Scheibe eine ein- oder mehrmalige bevorzugte Einstellung, so ist damit
das Vorliegen einer bestimmten Anisotropie bewiesen. Handelt es sich, wie in dem
Ausführungsbeispiel angenommen ist, um eine Faserstruktur, so wird sich die Einstellung
bei einer Verdrehung der Scheibe um 36o 'mit einer bestimmten Periodizität, die
durch die Symmetrieeigenschaften der betreffenden Kristallform gegeben ist, wiederholen.
Werden beispielsweise die beim Eisen vorliegenden Verhältnisse zugrunde gelegt,
so tritt eine viermalige Einstellung in Abständen von je go° ein, wenn die Würfelflächen
der Kristalle bevorzugt in der Walzebene liegen. Bei der iii-Ebene wurde eine sechsmaligeEinstellung
entsprechend der Symmetrie der Ebenen bei jedesmaliger Verdrehung der Scheibe um
6o' beobachtet. Es ist also ohne weiteres durch einfache qualitative Beobachtung
sowohl die Feststellung der Anisotropie als auch der Art der Anisotropie möglich.
Da es sich um eine integrale Methode handelt, können im Gegensatz zum Röntgenverfahren
bereits die geringste Anisotropie, also die ersten Anfänge bzw. die letzten Reste
einer Faserstruktur festgestellt werden. Durch einfache Überlegungen bzw: Rechnungen,
auf die hier nicht näher eingegangen werden soll, läßt sich ferner zeigen, daß die
Größe der eingetretenen Gleichrichtung sowie der Überlagerung von verschiedenen
Strukturen bestimmt werden kann, und zwar durch Messung der Kraft, mit der das Blech
in die stabile Lage gezogen wird, sowie durch Bestimmung des Winkelbereiches der
jeweiligen Einstellung.
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Die Bestimmung einer Spannung ist ebenfalls sehr einfach. Wird z.
B. ein Nickelblech in einer Richtung durch Zug verspannt, so stellt sich die Scheibe
senkrecht zu der ausgeübten Spannung ein; bei Eisen stimmt die stabile Lage mit
der Zugrichtung überein. Dies entspricht dem verschiedenen Verhalten des Eisens
und des Nickels gegenüber einer Zugbeanspruchung. Beim Eisen wird die Permeabilität
bis zu gewissen Feldstärken erhöht, bei Nickel erniedrigt. Wechselt der Einfluß
mit steigendem Beanspruchungsgrad, tritt also ein Villaripunkt auf, so springt die
Einstellung bei einer bestimmten Spannung in die um go ° versetzte Lage um. Sind
diese Verhältnisse bekannt - und das gilt für einen großen Teil der wichtigsten
magnetischen 'Werkstoffe -, so kann aus dem Verhalten des Materials bei einer vorgegebenen
und gegebenenfalls systematisch variierten äußeren Spannung die chemische Zusammensetzung
abgeleitet werden.
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Der Einfachheit halber ist bei den angeführten Beispielen die Anordnung:
bewegliche Kreisscheibe, feststehender Magnet gewählt worden. Es ist wohl ohne weiteres
klar, daß die Umkehrung des Verfahrens und die Anwendung auf beliebig gefofmte Werk-
bzw. Prüfstücke möglich ist. Für einen quantitativen Vergleich der Permeabilitätswerte
in zwei Richtungen eines Bleches hat sich z. B. das Einbringen eines entsprechenden
Blechausschnittes (bei Vergleich der senkrecht zueinander stehenden Richtung beispielsweise
eines Kreuzes) in das Magnetfeld und die Beobachtung dessen Einstellung als vorteilhaft
erwiesen. Dieses Kreuz bzw. Blechausschnitt kann auch aus zwei Streifen zweier verschiedener
Materialien zusammengesetzt werden; die Einstellung bei den verschiedenen Feldstärken
gibt dann Auskunft über die relative Güte der Materialien. Ferner ist es klar, daß
jedes andere Verfahren, das in einfacher ''Weise die magnetische Anisotropie festzustellen
gestattet,
mit zur Auswertung herangezogen werden kann.
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Der Wert des Verfahrens braucht ebenfalls nicht eingehend erörtert
zu werden, er ergibt sich aus der oben angegebenen großen Anwendbarkeit der Methode.
Es seien hier nur zwei Beispiele erwähnt. Bei der Abnahme mehrerer Chargen Tiefziehbleche
zeigte das Verfahren ohne weiteres, welche Bleche zu der unerwünschten Zipfelbildung
neigten und welche Bleche beim Tiefziehen einen geraden Rand haben würden. Die ersten
waren magnetisch anisotrop, damit ist also in Übereinstimmung mit den bisher unerwiesenen
Annahmen klar gezeigt, daß die Zipfelbildung durch Faserstruktur verursacht wird.
Es ergah sich für die Bleche eine viermalige Einstellung bei Drehung um je 9o °.
Es lag also eine zoo-Ebene bevorzugt in der Walzebene, die Zipfelbildung erfolgte
in der (roo)-Richtung. Durch mehrere Stichproben wurde die zur vollständigen Isotropie
notwendige Glühbehandlung festgestellt; beim Ziehen der entsprechend vorbehandelten
Bleche trat keine Zipfelbildung mehr auf.
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Am Dynamoblech wurde festgestellt, daß nach der üblichen Glühbehandlung
noch eine geringe Faserstruktur vorliegt. Die Richtungen der höchsten Permeabilität
waren gleichzeitig durch die Einstellung bestimmt und danach konnten Anweisungen
gegeben werden, in welcher Richtung die für Spezialapparaturen bestimmten Kernblechstreifen
aus der Tafel ausgestanzt werden mußten. Das Verfahren gestattet ferner unter Zuhilfenahme
der sonst üblichen Methoden wie unter Verwertung der an Einkristallen gesammelten
Erkenntnisse, für den jeweiligen Verwendungszweck die zur Erreichung des günstigsten
Gefügezustandes - sei es die vollständige isotrope Anordnung, sei es die Einordnung
der Ebene leichtester Magnetisierbarkeit parallel zu den Kraftlinien - brauchbarste
Arbeitsweise zu bestimmen und die Erreichung des gewünschten Zustandes festzustellen.
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Auf das große Anwendungsgebiet zur Überprüfung hochbeanspruchter Stahlbleche
für Konstruktionszwecke, wo der geringste Materialfehler bzw. die geringste ungleichmäßige
Belastung zur Gefährdung von Menschenleben führen kann, braucht wohl nur kurz hingewiesen
zu werden.