Tecnica ampiamente consolidata nel controllo qualità industrializzato, il “rumore di Barkhausen” è invece molto meno utilizzato, per non dire sconosciuto, per controlli diagnostici su elementi in esercizio.
In termini generali il rumore di Barkhausen come tecnica di misurazione si basa sulla quantificazione delle caratteristiche ferromagnetiche del materiale, per sfruttare eventuali alterazioni delle stesse come indice di una variazione di altre caratteristiche meccaniche o metallurgiche il cui controllo è il vero fine della misurazione.
Rapidità di esecuzione e possibilità di essere applicato continuativamente anche su ampie superfici lo rendono particolarmente adatto al controllo di lamierati, pur con il limite di essere applicabile solo a materiali ferromagnetici e di fornire informazioni di carattere essenzialmente comparativo: ma si sa che nessuno è perfetto…
Il fenomeno del rumore di Barkhausen
Iniziamo quindi a illustrare come le caratteristiche ferromagnetiche di un materiale possono essere quantificate strumentalmente, per poi passare a capire in che modo queste caratteristiche ferromagnetiche, o per meglio dire una loro variazione, possano essere considerate un indice indiretto delle tensioni residue presenti.
Prima di entrare nel merito delle possibili variazioni delle caratteristiche ferromagnetiche di un materiale, è opportuno ricordare quali siano le caratteristiche di un materiale ferromagnetico.
Un materiale viene definito “ferromagnetico” quando all’interno della struttura cristallina dei suoi grani è possibile individuare sotto-strutture caratterizzate ciascuna da un suo proprio orientamento magnetico preferenziale (figura 1): tale porzione di materiale avente un orientamento magnetico comune prende il nome di “dominio magnetico” o “dominio di Weiss”.
Dal punto di vista macroscopico, poiché nel volume del materiale il numero dei domini magnetici è estremamente elevato, e il loro orientamento è casuale, in assenza di perturbazioni esterne gli orientamenti magnetici statisticamente si annullano reciprocamente, e il materiale nel suo complesso risulta “magneticamente neutro”.
La situazione cambia nel caso in cui un materiale ferromagnetico venga sottoposto a un campo magnetico variabile: in questo caso si assiste al fenomeno della progressiva espansione dei domini aventi direzione magnetica coincidente con quella del campo magnetico di eccitazione a discapito dei domini diversamente orientati (figura 2), con successivo ripristino della condizione iniziale quando il campo magnetico si annulli o si stabilizzi, e inversione se il campo magnetico si inverte.
Supponendo quindi di essere in presenza di un campo magnetico sinusoidale, la pulsazione del campo magnetico di eccitazione produce nel materiale eccitato una corrente indotta analogamente variabile in fase con il campo magnetico imposto dall’esterno (legge di Faraday-Neumann).
Questa corrente alternata a sua volta induce un campo magnetico che viene ri-emesso dal materiale: il segnale costituito dalla variazione di tale campo magnetico emesso dal materiale di base in funzione del campo magnetico forzante imposto dall’esterno costituisce appunto il “rumore di Barkhausen” (figura 3).
Il nome deriva dal fatto che tale fenomeno è stato scoperto dal fisico tedesco Heinrich Barkhausen, che avendolo rilevato utilizzando una semplice cuffia audio, lo percepiva come un rumore prodotto da scariche elettriche apparentemente prive di significato.
Praticamente un rilevatore di Barkhausen è schematicamente costituito come da figura 4, con un nucleo di ferrite a ferro di cavallo attorno a cui è avvolta una spira di filo conduttore alimentata da una corrente elettrica alternata, in grado di far generare dalla ferrite il campo magnetico di eccitazione.
All’interno del nucleo di ferrite è poi inserito un rivelatore induttivo, destinato a rilevare il campo magnetico riemesso dal materiale eccitato.
La figura 5 è invece l’immagine di una sonda reale, in cui è facile riconoscere sia le estremità del nucleo di ferrite sia il rilevatore induttivo.
La figura 6 illustra con chiarezza la relazione tra il campo magnetico prodotto dall’esterno e il campo magnetico che si genera nel materiale, e da tale figura si riconosce come il rumore di Barkhausen raggiunga il suo massimo durante l’inversione del segno del campo magnetico di eccitazione.
Numericamente il “rumore di Barkhausen” può essere quantificato mediante il valore di picco del segnale o mediante il valor efficace (valor quadratico medio): quando ridotto a singolo valore numerico si parla spesso di “parametro del rumore di Barkhausen” o BNP, dall’acronimo della denominazione anglosassone “Barkhausen Noise Parameter”:
Il rumore di Barkhausen come strumento di misurazione delle tensioni residue
Come abbiamo visto, il rumore di Barkhausen è una indicazione dello stato ferromagnetico del materiale, e se ne parliamo nell’ambito della misurazione delle tensioni residue, significa che, in qualche modo, queste tensioni influenzano tale stato metallurgico.
Ed effettivamente è quello che accade, grazie al fenomeno della “magneto-strizione” conosciuta anche come “interazione magneto-elastica”.
Con questo termine si indica il fenomeno per cui la presenza di uno stato di sollecitazione costituisce una perturbazione in grado di alterare l’orientamento naturale dei domini magnetici, e si manifesta attraverso un progressivo allineamento dell’orientamento magnetico dei singoli domini in direzione concorde o perpendicolare alla sollecitazione applicata: si parla quindi di materiali a interazione magneto-elastica positiva quando una sollecitazione in trazione comporta un allineamento dei domini magnetici concordi con la sollecitazione, mentre una sollecitazione in compressione comporta un allineamento degli stessi in direzione perpendicolare con sollecitazione applicata (figura 7), mentre ovviamente si parla di interazione magneto elastica negativa nel caso opposto.
Il fenomeno viene interpretato per dualità degli effetti meccanici del campo magnetico: se l’allineamento dei dipoli sotto l’effetto di un campo magnetico esterno “aumenta” la lunghezza del cristallite con tale orientazione (e quindi induce nel materiale uno stato di trazione, analogamente la deformazione dei dipoli conseguentemente alla presenza di uno stato di sollecitazione corrisponde un “proporzionale” allineamento magnetico dei dipoli rispetto alla direzione della sollecitazione presente: ecco evidenziata la perturbazione che uno stato tensionale induce sullo stato ferromagnetico di n materiale.
Stante la suddetta relazione, è facile capire:
- se il fenomeno del rumore di Barkhausen è in grado di quantificare lo stato ferromagnetico di un materiale;
- se tale stato ferromagnetico è indice anche dello stato tensionale di quel materiale.
Ne consegue che dalla misurazione del rumore di Barkhausen discende anche una indicazione sullo stato tensionale di un componente.
Dimensione caratteristica e profondità di penetrazione
Capito quali siano i meccanismi fisici alla base della possibilità di utilizzare il rumore di Barkhausen come strumento diagnostico per le tensioni residue, passiamo ad affrontare l’aspetto di quale sia il “volume” di materiale su cui tale effetto è misurabile di volta in volta.
Come noto le tensioni residue hanno una loro “lunghezza caratteristica”, ossia una dimensione entro cui esse si annullano (ricordiamo che le tensioni residue sono, per definizione, tensioni presenti all’interno di un corpo in equilibrio meccanico e termico con ambiente esterno, per cui costituiscono per definizione un sistema auto-equilibrato).
Nel caso del rumore di Barkhausen la necessità di operare su un numero statisticamente significativo di domini di Weiss fa sì che questa dimensione sia almeno dell’ordine dei diversi mm, rendendo quindi questa tecnica utilizzabile per le tensioni residue di lungo raggio, ossia quelle che maggiormente influenzano le caratteristiche di resistenza del materiale.
Relativamente invece alla terza dimensione, ossia la capacità di penetrazione all’interno dei materiali, è necessario rifarsi ai principi dell’elettromagnetismo, ricordando che la profondità di penetrazione del campo magnetico eccitante (e di conseguenza lo spessore di materiale che deve a sua volta superare il campo magnetico riemesso dal materiale eccitato) è funzione della frequenza del campo di eccitazione esterno e delle caratteristiche magnetiche del materiale, permeabilità magnetica in primis.
Considerando comunque la possibilità di variare la frequenza di eccitazione in un generatore di Barkhausen, in generale è possibile ricostruire dei veri e propri profili di distribuzione delle tensioni potendo risalire alla profondità a cui corrisponde ciascun contributo frequenziale della risposta in base alla seguente relazione, che esplicita la profondità di penetrazione in funzione della frequenza fi:
Dove
- se = conducibilità elettrica del materiale;
- m = permeabilità magnetica del materiale;
- di = profondità di penetrazione.
Tale possibilità di discriminare per via frequenziale il contributo delle diverse profondità permette quindi di effettuare veri e propri “profili di profondità” per la caratteristica determinata mediante il rumore di Barkhausen.
Ma non sono tutte rose e fiori…
In base a quanto appena esposto, la misurazione delle tensioni residue mediante rumore di Barkhausen sembra praticamente perfetta: il metodo è assolutamente non distruttivo, rapido ed eseguibile con sonde portatili di piccole dimensioni, e per di più con la possibilità di realizzare veri e propri profili di distribuzione delle tensioni residue nello spessore del materiale sfruttando la diversa profondità di penetrazione associata a diverse frequenze del campo magnetico di eccitazione.
È vero che per la sua stessa natura il metodo può essere utilizzato unicamente su materiali ferromagnetici come le leghe ferrose, il Nickel, il cobalto o il cromo, ma è anche vero che questi materiali costituiscono la maggior parte dei materiali metallici tecnici, rimanendo praticamente escluso solo alluminio e leghe di rame.
Purtroppo la situazione non è proprio cosi rosea: è vero che attraverso il rumore di Barkhausen è possibile quantificare lo stato ferromagnetico di un materiale, ed è vero anche che lo stato di sollecitazione influenza tale stato ferromagnetico, ma è anche vero che non solo lo stato tensionale influenza lo stato ferromagnetico.
Le caratteristiche metallurgiche del materiale (es. dimensione del grano), meccaniche (es. durezza e quindi limite di rottura) e la storia magnetica del materiale influenzano anch’esse dimensione e distribuzione dei domini di Weiss, e con effetti i cui ordini di grandezza analoghi all’ordine di grandezza dell’effetto degli stati tensionali.
In altri termini, poiché il fenomeno del rumore di Barkhausen nasce dalla modifica periodica dei domini magnetici già presenti in un materiale, l’intensità del rumore di Barkhausen dipende da quella che è la condizione ( ferromagnetica) di partenza del materiale analizzato: e poiché anche per componenti realizzati con materiali formalmente identici le caratteristiche magnetiche del materiale possono essere quanto mai diverse a seconda delle dimensioni del cristallite, della durezza, delle eventuali orientazioni metallurgiche indotte dal processi di lavorazione che possono cambiare la permeabilità magnetica del materiale, si ha che la variabilità associabile alla presenza di stati tensionali è dello stesso ordine di grandezza della variabilità precedentemente indotta dalle altre cause appena esposte, tanto che da un punto di vista quantitativo il rumore di Barkhausen non è in grado di fornire alcuna informazione di tipo “assoluto” sullo stato di un materiale.
Consideriamo ad esempio che il materiale abbia subito una diminuzione delle dimensioni di grano (e quindi del cristallite) a seguito di una deformazione plastica: tale diminuzione dimensionale del cristallite produce una diminuzione del rumore di Barkhausen.
Ma tale effetto è lo stesso che può essere prodotto da uno stato tensionale di compressione o da una diminuzione della durezza, e quindi in termini assoluti una diminuzione del rumore di Barkhausen non può fornire indicazioni univoche su eventuali modifiche subite dal materiale
Come strumento di analisi, il rumore di Barkhausen può quindi avere solo un’applicazione comparativa tra elementi per i quali ci sia assoluta certezza sulla identità di caratteristiche metallurgiche e cristallografiche, o meglio ancora per verifiche comparative su zone diverse dello stesso elemento.
Conclusioni
Essendo un fenomeno basato su principi elettromagnetici, come strumento diagnostico per la quantificazione delle tensioni residue presenti il rumore di Barkhausen da un lato risulta indubbiamente limitato dall’essere applicabile unicamente ai materiali ferromagnetici e dal fornire praticamente informazioni di tipo solo comparativo, dall’altro però offre l’indubbio vantaggio di essere assolutamente non distruttivo e di applicazione rapida e semplice, una volta che ci si sia potuti ricavare delle curve interpretative proprie del materiale o meglio ancora specifiche degli elementi sotto analisi.