Tutkimus

Teollinen laadunvalvontamittaus visualisoitiin nanomittakaavassa

Julkaistu 11.11.2021

Tampereen yliopisto

Barkhausenin kohinamittausta matkittiin ja visualisoitiin Tampereen yliopiston Mikroskopiakeskuksen läpivalaisuelektronimikroskoopilla. Kuva: Jonne Renvall / Tampereen yliopisto.

Tampereen yliopiston tutkijat kuvansivat onnistuneesti Barkhausenin kohinailmiötä teräksessä. Mikroskopiakeskuksessa tehdyssä kokeessa teollista laadunvalvontamittausta visualisoitiin nanomittakaavassa elektronimikroskoopilla.

Magneettisen materiaalin rakenne koostuu sen mikrorakenteellisista ja magneettisista ominaisuuksista. Ulkoiseen magneettikenttään laitettuna materiaalissa olevat pienet magneettiset alueet alkavat liikkua aiheuttaen mitattavan signaalin, jota kutsutaan Barkhausenin kohinaksi (BN). Siihen perustuvia ainetta rikkomattomia laadunvalvontamenetelmiä käytetään mm. autoteollisuudessa.

Tampereen yliopisto on mukana ilmiötä tutkivassa monitieteisessä BarFume (Magneettinen Barkhausenin kohina: Fysiikan perusteista ainetta rikkomattomaan testaukseen) -projektissa. Projektin tutkijat onnistuivat äskettäin matkimaan ja kuvantamaan teräksen BN-mittaukset yliopiston Mikroskopiakeskuksen läpivalaisuelektronimikroskoopilla.

BarFume-tutkimuskonsortiossa ovat mukana materiaalikarakterisoinnin professori Minnamari Vippolan vetämät Materials Characterization -tutkimusryhmä ja Mikroskopiakeskus sekä laskennallisen fysiikan professori Lasse Laursonin Complex Systems -tutkimusryhmä. Tutkimuskonsortiota johtaa Mikroskopiakeskuksen tutkimusympäristöasiantuntija Mari Honkanen. Tutkimus sai tänä vuonna rahoituksen Suomen Akatemialta.

– Nelivuotisessa projektissa on tavoitteena ymmärtää syvällisesti, kuinka materiaalin mikrorakenne vaikuttaa magneettisten alueiden liikkumiseen eli mitattavaan Barkhausenin kohinaan, ja kuinka tätä informaatiota voidaan käyttää parantamaan kohinaan perustuvia laadunvalvontamenetelmiä, kertoo Mari Honkanen.

- Kehitämme myös koneoppimiseen perustuvan tekniikan, joka luokittelee materiaalin mikrorakenteen Barkhausenin kohina -signaalin perusteella, jatkaa konsortion osahankkeen johtaja Lasse Laurson.

Tuulivoimalan hammaspyörien hiontaviat selville Barkhausenin kohinan avulla

Vuonna 1919 saksalainen professori Heinrich Barkhausen havaitsi, että ferromagneettisen materiaalin magneettisuus muuttuu hyppäyksittäin ulkoisessa, muuttuvassa magneettikentässä. Ilmiötä alettiin hyödyntää teollisissa sovelluksissa kuitenkin vasta 1980-luvulla.

– Nykyään menetelmää käytetään teollisuudessa esimerkiksi mahdollisten hiontavikojen havaitsemiseksi tuulivoimalan koneiston hammaspyörissä ja autoteollisuuden voimansiirtoakseliston komponenteissa. Barkhausenin kohinaan perustuvat menetelmät ovat herkkiä materiaalin mikrorakenteen ja jännitystilan muutoksille, kertoo Mari Honkanen.

Mittauksen periaate on yksinkertainen: tutkittava kappale asetetaan ulkoiseen, muuttuvaan magneettikenttään, jolloin materiaalin magneettisten alueiden väliset rajapinnat alkavat liikkua. Materiaalin mikrorakenteelliset tekijät, kuten raerajat ja karbidit, jarruttavat rajapintojen liikkeitä. Rajapinta voi pysähtyä tällaiseen esteeseen ja irrota sitten äkillisesti ulkoisen magneettikentän voimistuessa.

– Rajapintojen äkilliset liikahdukset aiheuttavat muutoksia tutkittavan kappaleen magneettisuuteen. Mittaamalla nämä muutokset saadaan Barkhausenin kohina -signaali, Honkanen selvittää.

Teollista laadunvalvontamittausta matkitaan elektronimikroskoopissa

Barkhausenin kohinaa ja sen mittaamista on tutkittu paljon, mutta kohinan tulkinta on usein haastavaa ilmiön monimutkaisuuden vuoksi. Monitieteinen BarFume-hanke yhdistää materiaalikarakterisoinnin, BN-mittaukset, mikromagneettisen mallinnuksen ja tilastollisen analyysin.

Projektissa on mukana myös Stresstech Oy, joka valmistaa ainoana yrityksenä maailmassa kaupallisia Barkhausenin kohinaan perustuvia mittalaitteistoja. Yritysyhteistyön kautta tuloksia hyödynnetään suoraan käytännön sovelluksissa.

Hankehakemuksen valmistelun aikana tehtiin kokeiluja BN-mittauksen nanomittakaavan visualisoinnista läpivalaisuelektronimikroskopialla, joka on yksi projektin päätutkimusmenetelmistä. Saadun informaation yhdistäminen samoille materiaaleille tehtyihin BN-mittauksiin tuotti mielenkiintoisia uusia tuloksia, jotka julkaistiin artikkelina arvostetussa materiaalitieteen lehdessä Acta Materialiassa . Mimicking Barkhausen noise measurement by in-situ transmission electron microscopy - Effect of microstructural steel features on Barkhausen noise -artikkelin kirjoittamiseen osallistui BarFume-tiimin lisäksi professori Alessandro Foin Signal and Image Restoration -tutkimusryhmä, joka yhteensovitti mikroskooppikuvat ennen niiden koostamista videoiksi.

Mikroskopiakeskus on tutkimusympäristö, jossa voidaan analysoida erilaisten materiaalien rakenteita ja kemiallisia koostumuksia jopa atomitasolla. Se tarjoaa laitteistoja ja palveluita Tampereen yliopiston tutkijoille ja opiskelijoille sekä tutkimusyhteistyön kautta myös muille tutkimuslaitoksille ja yrityksille.