Accessible Unlicensed Requires Authentication Published by De Gruyter October 20, 2021

Measurement Potential of the Barkhausen Effect for Obtaining Additional Information on the Component Condition in Manufacturing

Messpotential des Barkhausen-Effekts zur Gewinnung zusätzlicher Informationen zum Bauteilzustand in der Fertigung
C. Krause, D. Fehrenbach, L. Wolf, M. T. Kiesewetter, C. Radek and M. Schaudig

Abstract

The measurement of Barkhausen noise is one of the non-destructive testing methods which allows the use within the production line and within the cycle time at a high production volume. The aim of the present study was to answer the question, whether it is possible to extract the informations that the Barkhausen noise includes, concerning work-piece conditions, from the signal characteristic and more important assigning these findings. Therefore, soft machined and heat treated shaft components made of the ferromagnetic material Cf53 (1.1213) were analyzed to find characteristics in the Signal that allow to separate clearly an increase in temperature of the tested area from a change in the microstructure. For this purpose the shafts were analyzed at higher temperatures (up to 80 °C) and after an additional annealing process (to change the microstructure specifically). Both investigated situations (higher temperature and modified microstructure) showed different characteristic in the Barkhausen signal, thus an assigning is possible. Metallographic investigation and hardness measurements has been carried out to support the results.

Kurzfassung

Die Messung des Barkhausenrauschens ist eines der zerstörungsfreien Prüfverfahren, das bei einem hohen Produktionsvolumen den Einsatz innerhalb der Fertigungslinie und innerhalb der Taktzeit ermöglicht. Ziel der vorliegenden Studie war es, sich der Fragestellung anzunähern, ob es möglich ist, die im Barkhausenrauschensignal enthaltenen Informationen bezüglich des Bauteilzustands (bspw. Oberfläche, Härte, ...) der Signalcharakteristik zu entnehmen und vor allem eindeutig zuzuordnen. Hierzu wurde an weichbearbeiteten und wärmebehandelten Wellen aus dem ferromagnetischen Werkstoff Cf53 (1.1213) untersucht, ob eine Charakteristik im Barkhausensignal zu erkennen ist, die es erlaubt, eine Temperaturerhöhung des Messobjekts eindeutig von einer mikrostrukturellen Veränderung zu unterscheiden. Die Bauteile wurden dazu bei erhöhter Temperatur (bis zu 80 °C) und nach einem zusätzlichen Anlassprozess (zur gezielten Änderung der Mikrostruktur) analysiert. Beide eingestellten Zustände (erhöhte Temperatur und veränderte Mikrostruktur) wiesen eine unterscheidbare Signalcharakteristik auf, die eine Zuordnung ermöglichen. Durchgeführte metallographische Analysen und Härtemessungen unterstützen das Ergebnis.

7

7 Acknowledgement

This study was conducted as part of a study-related project at Furtwangen University. Finally, we would like to thank the company QASS GmbH for their support. We would also like to thank the companies EMAG eldec Induction GmbH and Thyssen-Krupp for providing the equipment and components.

7

7 Danksagung

Diese Studie wurde im Rahmen eines studienbegleitenden Projektes an der Hochschule Furtwangen durchgeführt. Abschließend möchten wir uns bei der Firma QASS GmbH für ihre Unterstützung bedanken. Außerdem danken wir den Firmen EMAG eldec Induction GmbH und Thyssen-Krupp für die Bereitstellung der Geräte und Bauteile.

References

1 Psuj, G.; Maciusowicz, M.: Analysis of time-frequency representation of Magnetic Barkhausen noise for the need of damage evaluation of steels. Proc. International Interdisciplinary PhD Workshop (IIPhDW). 09.–12.05.2018, Swinoujście, Poland, IEEE, Red Hook, NY, USA, 2018, pp. 108–110. – ISBN: 978-1-5386-6144-4Search in Google Scholar

2 Heinzel, J.; Jedamski, R.; Epp, J.; Karpuschewski, B.: In-process measurement of Barkhausen noise and resulting productivity increase potential in grinding of case hardened steel. CIRP J. of Manuf. Sci. Technol. 32 (2021), pp. 37–45, DOI:10.1016/ j.cirpj.2020.11.01110.1016/j.cirpj.2020.11.011Search in Google Scholar

3 Roos, E.; Maile, K.; Seidenfuß, M.: Werkstoffkunde für Ingenieure: Grundlagen, Anwendung, Prüfung. 6. Aufl., Springer Vieweg, Wiesbaden, 2017, pp. 135–137. – ISBN: 978-3-662-49532-2Search in Google Scholar

4 Yashan, A.: Über die Wirbelstromprüfung und magnetische Streuflussprüfung mittels GMR-Sensoren. Dissertation, Universität des Saarlandes, 2008Search in Google Scholar

5 Hornbogen, E.; Eggeler, G.; Ewald, W.: Werkstoffe, Aufbau und Eigenschaften von Keramik-, Metall-, Polymer-, und Verbundwerkstoffen. 12. Aufl., Springer Vieweg, Wiesbaden, 2019. – ISBN: 978-3-642-22561-1Search in Google Scholar

6 Barteldes, S.; Radek, C.; Kriegel, S.; Holweger, W.: Neue Analysemöglichkeiten des Barkhausen-Rauschens zur zerstörungsfreien Bestimmung partieller Härteunterschiede. Proc. DGZfP- Jahrestagung 2019. 27.–29.05.2019, Friedrichshafen, DGZfP, Berlin, 2019, pp. 1–8. – ISBN: 9783947971022Search in Google Scholar

7 Lambeck, M.: Barkhausen-Effekt und Nachwirkung in Ferromagnetika sowie analoge Erscheinungen in der Festkörperphysik. deGruyter, Berlin, 1971. – ISBN: 978-3110016376Search in Google Scholar

8 Buttle, D. J.; Scruby, C. B.; Jakubovics, J. P.; Briggs, G. A. D.: Magneto-acoustic and Barkhausen emission: their dependence on dislocations in iron. NDT & E Int. 24 (1991) 1, pp. 47–54, DOI:10.1016/0963-8695(91)90781-W10.1016/0963-8695(91)90781-WSearch in Google Scholar

9 Batista, L.; Rabe, U.; Altpeter, I.; Hirsekom, S.; Dobmann G.: On the mechanism of non destructive evaluation of cementite content in steels using a combination of magnetic Barkhausen noise and magnetic force microscopy techniques. J. Magn. Magn. Mater. 354 (2014), pp. 248–256, DOI:10.1016/j.jmmm.2013.11.01910.1016/j.jmmm.2013.11.019Search in Google Scholar

10 Gatelier-Rothea, C.; Chicois, J.; Fougeres, R.; Fleischmann, P.: Characterization of pure iron and carbon-iron binary alloy by Barkhausen noise measurements: study of the influence of stress and microstructure. Acta Mater. 46 (1998) 14, pp. 4873–4882, DOI: 10.1016/S1359-6454(98)00205-510.1016/S1359-6454(98)00205-5Search in Google Scholar

11 Ding, S.; Tian, G. Y.; Moorthy, V.; Wang P.: New feature extraction for applied stress detection of ferromagnetic materials using Barkhausen noise. Measurement: J. Int. Measure. Confed. 73 (2015), pp. 515–519, DOI:10.1016/j.measurement.2015.05.03110.1016/j.measurement.2015.05.031Search in Google Scholar

12 Bertotti, G.; Fiorillo, F.; Sassi, M. P.: Barkhausen noise and domain structure dynamics in Si-Fe at different points of the magnetization curve. J. Magnetism Magnetic Mater. 23 (1980) 2, pp. 136–148, DOI:10.1016/0304-8853(81)90127-X10.1016/0304-8853(81)90127-XSearch in Google Scholar

13 Kypris, O. I.; Nlebedim, C.; Jiles, D. C.: Measuring stress variation with depth using Barkhausen signals. J. Magnetism Magnetic Mater. 407 (2016), pp. 377–395, DOI:10.1016/j.jmmm.2016.01.07210.1016/j.jmmm.2016.01.072Search in Google Scholar

14 Moorthy, V.; Shaw, B. A.; Brimble, K.; Atkins, I.: Evaluation of heat treatment and deformation induced changes in material properties in gear steels using magnetic Barkhausen noise analysis. Proc. 3rd Int. Conf. Barkhausen Noise and Micromagnetic Testing, 02.–03.07.2001, Tampere, Stresstech OY, Vaajakoski, Finland, 2001, pp. 1–21. – ISBN: 9519840036Search in Google Scholar

15 Ding, S.; Tian, G. Y.; Dobmann G.; Wang, P.: Analysis of domain wall dynamics based on skewness of magnetic Barkhausen noise for applied stress determination. J. Magnetism Magnetic Mater. 421 (2017), pp. 225–229, DOI:10.1016/j.jmmm.2016.08.03010.1016/j.jmmm.2016.08.030Search in Google Scholar

16 Baiotto, R.; Gerhardt, G.; Fukuhara, M.; Yonamine, T.; Missell, F. P.: Barkhausen Noise and Magnetic Properties of Plastically Deformed Silicon Steels. IEEE Transact. Magnetics, 46 (2010) 2, pp. 294–297, DOI:10.1109/TMAG.2009.203285910.1109/TMAG.2009.2032859Search in Google Scholar

17 Prabhu Gaunkar, N. G.; Nlebedim, I. C.; Prabhu Gaunkar, G. V.; Jiles, D. C.: Examining the Correlation Between Microstructure and Barkhausen Noise Activity for Ferromagnetic Materials. IEEE Transact. Magnetics 51 (2015) 11, pp. 1–4, DOI:10.1109/TMAG.2015.244783310.1109/TMAG.2015.2447833Search in Google Scholar

18 Kypris, O.; Nlebedim, I. C.; Jiles, D. C.: Mapping Stress as a Function of Depth at the Surface of Steel Structures Using a Frequency Dependent Magnetic Barkhausen Noise Technique. IEEE Transact. Magnetics 48 (2012) 11, pp. 4428–4431, DOI:10.1109/TMAG.2012.219679210.1109/TMAG.2012.2196792Search in Google Scholar

19 Mierczak, L.; Jiles, D. C.; Fantoni, G.: A new method for evaluation of mechanical stress using the reciprocal amplitude of magnetic Barkhausen noise. IEEE Transact. Magnetics 47 (2011) 2, pp. 459–465, DOI:10.1109/TMAG.2010.209141810.1109/TMAG.2010.2091418Search in Google Scholar

20 Stierstadt, K.; Boeckh, W.: Die Temperaturabhängigkeit des magnetischen Barkhauseneffekts. Zeitschr. für Physik 186 (1965) 2, pp. 154–167, DOI:10.1007/ BF0138073210.1007/BF01380732Search in Google Scholar

21 Deimel, P.; Röde, B.; Wislaug, R.: Korngrößenabhängigkeit der Ummagnetisierungsvorgänge im Reineisen. Zeitschr. Naturforschung A31 (1976) 2, pp. 163– 168, DOI:10.1515/zna-1976-020910.1515/zna-1976-0209Search in Google Scholar

22 Makowska, K.; Kowalewski, Z. L.: Variation of Barkhausen Noise, Magnetic and Crystal Structure of Ferromagnetic Medium-Carbon Steel, after Different Loading Processes. Physics Metals Metallogr. 121 (2020) 2, pp. 115–122, DOI:10.1134/ S0031918X2002011810.1134/S0031918X20020118Search in Google Scholar

23 Jedamski, R.; Heinzel, J.; Rößler, M.; Epp, J.; Eckebrecht, J.; Gentzen, J.; Putz, M.; Karpuschewski, B.: Potential of magnetic Barkhausen noise analysis for in-process monitoring of surface layer properties of steel components in grinding. tm – Technisches Messen 87 (2020) 12, pp. 787–798, DOI:10.1515/teme-2020-004810.1515/teme-2020-0048Search in Google Scholar

24 Baak, N.; Nickel, J.; Biermann, D.; Walther, F.: Barkhausen noise-based fatigue life prediction of deep drilled AISI 4140. Proc. Structural Integr. 18 (2019), pp. 274– 279, DOI:10.1016/j.prostr.2019.08.16410.1016/j.prostr.2019.08.164Search in Google Scholar

25 Conte, E. G. del; Teixeira, J. C.; Campos, M. A.; Piccolo, H. A.; Oliva, D. A. O.; Rodrigues, L. R.: Barkhausen Noise Analysis as an Alternative Method to Online Monitoring of Milling Surfaces. IEEE Transact. Magnetics 52 (2016) 5, pp. 1–4, DOI:10.1109/TMAG.2016.251473910.1109/TMAG.2016.2514739Search in Google Scholar

26 Gurruchaga, K.; Martinez-de-Guerenu, A.; Soto, M.; Arizti, F.: Magnetic Barkhausen Noise for Characterization of Recovery and Recrystallization. IEEE Transact. Magnetics 46 (2010) 2, pp. 513–516, DOI:10.1109/TMAG.2009.202906910.1109/TMAG.2009.2029069Search in Google Scholar

27 Szielasko, K.; Sheikh Amiri, M.; Altpeter, I.; Boller, C.; Fischer, D.; Hahn, J.: Mikromagnetische Härtebeurteilung mit Punktsonden für den industriellen Einsatz bei kleinen Stückzahlen. Proc. DGZfP-Jahrestagung 2011. 30.05.–01.06.2011, Bremen, Fraunhofer Publica, Berlin, 2011, pp. 1–10. – ISBN: 9783940283337Search in Google Scholar

28 Sorsa, A.; Leviska, K.; Santa Aho, S.; Lepisto, T.: Quantitative prediction of residual stresses and hardness in case-hardened steel based on the Barkhausen noise measurement. NDT & E Int. 46 (2016), pp. 100–106, DOI:10.1016/ j.ndteint.2011.11.00810.1016/j.ndteint.2011.11.008Search in Google Scholar

29 Jedamski, R.; Epp, J.: Non-Destructive Micromagnetic Determination of Hardness and Case Hardening Depth Using Linear Regression Analysis and Artificial Neural Networks. Metals 11 (2021) 1, 18, DOI:10.3390/met11010018, open access10.3390/met11010018Search in Google Scholar

30 Augutis, V. S.; Nakutis, Z.; Ramanauskas, R.: Advances of Barkhausen Emission Measurement. IEEE Transact. Instrument. Measurem. 58 (2009) 2, pp. 337–341, DOI:10.1109/TIM.2008.200332710.1109/TIM.2008.2003327Search in Google Scholar

31 Santa-aho, S.; Laitinen, A.; Sorsa, Vippola, M.: Barkhausen Noise Probes and Modelling: A Review. J. Nondestruct. Eval. 38 (2019) 94, DOI:10.1007/s10921-019-0636-z10.1007/s10921-019-0636-zSearch in Google Scholar

32 Bui, T. M. T.: Toward a model of Barkhausen noise measurement system. Proc. the 2011 Int. Conf. Advanced Technologies for Communications (ATC 2011), 02.– 04.08.2011, Da Nang, Vietnam, IEEE, Piscataway, NJ, USA, 2011, pp. 315–318, DOI:10.1109/ATC.2011.602749410.1109/ATC.2011.6027494Search in Google Scholar

Published Online: 2021-10-20
Published in Print: 2021-10-31

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