Multi-scale caracterization and simulation of magnetic Barkhausen noise: towards non-destructive testing of steels
Caractérisation et simulation multi-échelle du bruit Barkhausen pour le contrôle non destructif d’aciers
Résumé
The Barkhausen noise is a magnetic phenomenon employed for the non-destructive evaluation of ferromagnetic samples, mainly for microstructure evaluation and detection of surface defects. Its interpretation is still qualitative because the Barkhausen noise is sensitive to a great number of parameters, like the grain size. A simulation tool, allowing testing a great number of configurations, is sorely needed to improve quantitative analysis of Barkhausen noise measurements.
The chosen simulation tool is the combination of the multi-scale model (MSM), giving anhysteretic functions as outputs, with a classical hysteresis model. The hysteresis loop of the Barkhausen noise has been obtained with the MBNE loop and it has been simulated by removing the magnetization rotation contribution in the MSM. This approach allows to compare the MBNE to the classical hysteresis loop, which has been tested without and with an uniaxial mechanical stress.
Measurements have found a qualitative agreement with simulated loops, a better precision requiring very detailed studies on the texture of the material. 2D simulations show that the sensitivity of MBNE magnetic indicators heavily depend on the direction of both mechanical and magnetic excitation.
A feedback algorithm has been implemented to obtain the sinusoidal magnetic induction required by the Statistical Theory of Losses (STL). First results show that the relationship between MBNE surface and excitation loop is similar to the classic STL law, which could be exploited to standardize the MBNE normalization coefficient.
The association between MSM and hysteresis model gives qualitative results allowing to anticipate some trends of the chosen magnetic indicators, mainly when the mechanical stress is variable.
Le bruit Barkhausen (MBN) est un phénomène magnétique utilisé pour le contrôle non destructif de pièces ferromagnétiques (évaluation de microstructure, détection de défauts surfaciques, etc.). Sa mesure reste délicate à interpréter quantitativement car il dépend d’un grand nombre de paramètres, comme la taille des grains, la densité de dislocations ou les contraintes internes.
Un outil de simulation, permettant de tester un grand nombre de configurations et de faire varier les propriétés internes du matériau, est très attendu pour améliorer l’analyse du bruit Barkhausen. L’approche choisie dans cette thèse consiste à combiner un modèle multi-échelle (MME), donnant des courbes anhystérétiques, et un modèle d’hystérésis classique.
Des cycles d’hystérésis associés à la mesure MBN et à son énergie (MBNE) sont mesurés et simulés en prenant soin d’annuler la contribution liée à la rotation de l’aimantation dans le MME.
Un accord qualitatif a été obtenu, une précision plus poussée pouvant être atteinte grâce à une étude fine de la texture du matériau.
Aussi, des comparaisons ont été réalisées entre cycles classiques sans et avec contraintes mécaniques unidirectionnelles afin de comprendre leur influence sur la cinétique des domaines magnétiques. Des simulations 2D ont montré que la sensibilité des indicateurs magnétiques pour le bruit Barkhausen est très affectée par la direction de la contrainte et de l’excitation magnétique.
Finalement, un algorithme d’asservissement a été mis en place pour obtenir une densité de flux sinusoïdale et se placer dans le cadre expérimental de la théorie statistique des pertes (STL). La relation entre l’aire du cycle MBNE et la fréquence d’excitation est très similaire à la relation classique, ce qui ouvre une voie pour normaliser l’amplitude du MBNE.
En conclusion, l’association entre MBNE et modèle d’hystérésis donne de résultats qualitatifs permettant d’anticiper certaines tendances des indicateurs magnétiques, notamment pour des contraintes mécaniques appliquées à une pièce.
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