Часть 3. Магнитные свойства ферромагнетиков в зависимости от состава

Цель работы: исследовать изменение магнитных свойств железа в зависимости от концентрации легирующих элементов.

Содержание работы

При разработке технических устройств большое внимание уделяется магнитным свойствам материалов, которые должны быть учтены или использованы. При этом находят применение материалы, как с высокой, так и с низкой магнитной восприимчивостью. Например, для изучения магнитного поля Земли требуются суда, корпуса которых не должны намагничиваться, для концентрации магнитного потока в трансформаторах применяют материалы, которые легко намагничиваются и размагничиваются, а для получения постоянных магнитов используют материалы, сохраняющие намагниченность после извлечения из намагничивающего поля. Уровень магнитных свойств ферромагнетиков во многом определяется примесями и структурными несовершенствами, всегда присутствующими в материале.

Как известно, вещество, помещенное в магнитное поле напряженностью Н (А/м), приобретает намагниченность

J = k_м·Н (А/м),

где kм – безразмерный коэффициент магнитной восприимчивости. При этом в веществе будет присутствовать суммарное поле, магнитная индукция которого В (Тл) равна:

В = В₀+ В_вн= m₀·Н + m₀·J = m₀·Н + m₀· k_м·Н = m₀·m·Н

где m₀= 4p·10^-7Гн/м, – магнитная постоянная, m = 1+ k_м– относительная магнитная проницаемость, безразмерная величина, показывающая, во сколько раз магнитная индукция В больше магнитной индукции в вакууме В₀.

Все вещества по магнитным свойствам разделены на следующие группы: диамагнетики (m<1), парамагнетики (m>1), ферромагнетики (m>>I), антиферромагнетики (m~I) и ферримагнетики (m>>I).

Рассмотрим физические причины высокого значения m ферромагнетиков. Как известно, электроны обладают спином и представляют собой подобие элементарных магнитов, имеющих наименьший магнитный момент. Разрешенные энергетические состояния в атомах могут занимать не более двух электронов с противоположным направлением спиновых моментов. Результирующий магнитный момент такой пары равен нулю. Однако для некоторых химических элементов спины электронов на внешних орбиталях атомов оказываются неспаренными и вследствие этого не скомпенсированными. В связи с этим возникает результирующий магнитный момент, обеспечивающий парамагнитные и ферромагнитные свойства материалов.

Для реализации ферромагнитного состояния необходимо выполнение двух условий:

- во-первых, электронные оболочки атомов должны быть не полностью заполнены, в результате чего в атомных остатках присутствуют не спаренные электроны,

- во-вторых, необходимо выполнение оптимального отношения межатомного расстояния (a) к диаметру орбиталей (d), содержащих неспаренные электроны (1,5 < a/d < 3,5). При этом становится энергетически выгодна параллельность спинов неспаренных электронов атомных остатков, вследствие чего возникает самопроизвольное (спонтанное) намагничивание.

Указанным двум условиям удовлетворяют некоторые переходные металлы: низкотемпературная модификация железа ( Fe_a), кобальт, никель и гадолиний. У этих ферромагнетиков точка Кюри положительна. При отрицательных температурах ферромагнитные свойства проявляются у ряда редкоземельных металлов.

Известно, что ферромагнитные материалы в магнитном отношении разбиты на домены – малые области (10^-1-100 мкм), спонтанно намагниченные до насыщения. Ориентация вектора намагниченности каждого домена совпадает с одним из немногих направлений в кристаллической решетке, называемых направлениями легкого намагничивания. Например, для ОЦК решетки Fe_aтакие направления совпадают с ребрами куба ячейки ОЦК.

В процессе намагничивания (рис. 1) происходит преобразование доменной структуры ферромагнитного кристалла.

Рис. 1. Схема преобразования доменной структуры ферромагнетика

В отсутствии внешнего поля (рис. 1а) энергетически выгодна такая взаимная ориентация векторов намагниченности доменов, при которой магнитное поле замыкается внутри кристалла, а вне кристалла практически отсутствует. Стенки между доменами представляют собой тонкий (~10^–3мкм) граничный слой, в пределах которого направления магнитных векторов атомов постепенно меняется (рис. 2).

Рис. 2. Поворот магнитных векторов отдельных атомов при переходе через границу домена

При помещении кристалла во внешнее магнитное поле, домены, векторы намагниченности которых составляют наименьший угол с направлением вектора напряженности внешнего поля (Н), увеличивают свои размеры за счет доменов, имеющих менее выгодную ориентацию вектора намагниченности (рис. 1б). Это сопровождается смещением междоменных стенок. В результате в кристалле формируется один домен с одним направлением суммарного вектора намагниченности и, как следствие, происходит рост индукции B магнитного поля вне кристалла (рис. 1в). По мере дальнейшего увеличения Н происходит поворот суммарного вектора намагниченности от направления легкого намагничивания до полного совпадения с направлением поля Н (рис. 1г).

Анализ кривой намагничивания в координатах В - Н (рис. 3) показывает, что на начальном участке (о-a), пока величина Н мала, движение стенок носит обратимый характер. При возрастании H наблюдается быстрый рост В (участок а-b), поскольку все большее число доменных стенок вовлекается в движение. Происходящий при этом рост благоприятно расположенных доменов обеспечивает основной вклад в результирующий вектор намагниченности ферромагнетика в направлении поля H, а значит и в величину магнитной индукции В. На участке а-b намагничивание для реальных ферромагнетиков приобретает необратимый характер, то есть после выключения внешнего поля доменные стенки уже не возвращаются в исходное (рис. 1а) положение.

Дальнейший процесс намагничивания (рис. 3, участок b-c), соответствующий повороту векторов намагниченности доменов до совпадения с направлением поля Н носит обратимый характер и обеспечивает приближение индукции к техническому насыщению В_S.

При температуре выше абсолютного нуля из-за дезориентирующего теплового движения всегда существуют спиновые моменты с неблагоприятной ориентацией. Их полная ориентация по направлению внешнего поля происходит только вблизи абсолютного нуля, а также при высоких значениях Н (процесс истинного намагничивания – парапроцесс), но вклад этого эффекта в общую намагниченность ферромагнетика незначителен (рис. 3, участок c-d). На этом участке процесс намагничивания носит обратимый характер. При снятии внешнего магнитного поля H из-за необратимости намагничивания на участке (a-b) не происходит восстановления первоначальной доменной структуры, следовательно, у ферромагнетика сохраняется остаточная индукция В_r. Для уменьшения величины индукции до нуля необходимо включить внешнее поле Н в противоположном направлении и довести его до величины Н_с, называемой коэрцитивной силой.

Рис. 3. Кривая намагничивания и размагничивания

Процесс намагничивания может быть полностью обратимым только в случае идеального строения кристаллической решетки ферромагнетика. Наличие в реальной кристаллической решетке дефектов таких, как точечные, дислокации, границы зерен и субзерен, двойники, дефекты упаковки, частицы химических соединений и других, затрудняет перемещение междоменных стенок, что требует дополнительной затраты энергии намагничивающего поля. Поэтому на процесс намагничивания и размагничивания влияют такие факторы, как величина зерна и его ориентировка в ферромагнетике, условия термической и других видов обработок, степень упорядочения твердых растворов, температура.

В данной работе изменение магнитных свойств железа в зависимости от концентрации легирующих элементов исследуется с помощью кривых намагничивания, построенных для следующих материалов:

a) особо чистое железо (около 0,006% С) - образец № 5;

b) технически чистое железо (около 0,02%С) - образец № 2;

c) сталь марки 35 (около 0,35% С) - образец № 1;

d) сталь У10 (около 1% С) - образец № 4.

Все материалы находятся в отожженном состоянии. Испытания заключаются в намагничивании образцов и измерении их магнитной индукции при увеличении напряженности магнитного поля.

Установка (рис. 4) состоит из электромагнита 2, в обмотку которого подается постоянный ток. Между полюсами электромагнита помещается исследуемый образец 3, предварительно вставленный в измерительную катушку 4, подключенную к милливеберметру 5. Величина силы намагничивающего тока устанавливается с помощью источника тока 6 по амперметру 7. В установку встроена камера размагничивания (на схеме не указана).

Трехполюсный переключатель 1 служит для изменения направления тока в обмотке электромагнита. В момент изменения направления тока намагничивающее поле меняет направление на противоположное, магнитный поток образца пересекает витки измерительной катушки и индуцирует в ней э.д.с. электромагнитной индукции, величина которой пропорциональна магнитной индукции В исследуемого образца. Это вызывает отклонение стрелки милливеберметра. Индукция В рассчитывается по формуле:

В = Da/(2W·S)

где W – число витков измерительной катушки, S – площадь поперечного сечения образца, Da - отклонение стрелки милливеберметра от исходного положения при изменении направления тока.

Для каждого образца необходимо вычислить величины В, полученные в процессе намагничивания.

Экспериментальные результаты должны быть проанализированы на основе физических представлений о влиянии состава ферромагнетиков на их свойства.

Приборы и материалы

1. Измерительная установка.

2. Набор образцов.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться со схемой установки (рис. 4).

Рис. 4 Электрическая схема измерительной установки

2. Включить установку.

3. Размагнитить образцы:

a) включить камеру размагничивания,

b) внести образец в камеру вдоль оси и плавно вынести его на 0,2м.

c) выключить камеру размагничивания.

4. Установить пределы измерения тока 100 мА. Включить ток в любом направлении.

5. Установить значение силы тока по амперметру, равное 0.

6. Вставить образец в измерительную катушку. Поместить катушку между полюсами электромагнита вниз контактами, закрепив ее фиксатором.

7. Устанавливая значения силы тока (таблица 1) и, изменяя его направление переключателем 1, снимать показания милливеберметра a₁и a₂(мВб). Результаты занести в таблицу 1.

8. Вычислить и занести в таблицу 1 Da = a₂– a₁.

9. После окончания работы выключить установку.

10. Рассчитать, переводя Da в Вб, и занести в таблицу 2 значения В (Тл) при следующих параметрах величин, входящих в формулу: W = 40;

S = 0,51·10^-4м².

11. На основании результатов построить для всех образцов на одном графике кривые намагничивания: B= В(Н).

Таблица 1

I, мA	Н, KA/м	Образец 1	Образец 2	Образец 4	Образец 5
a1, мВб	a2, мВб	Da, мВб	a1, мВб	a2 мВб	Da, мВб	a1, мВб	a2, мВб	Da, мВб	a1 мВб	a2 мВб	Da,мВб
	0,2
	0,4
	0,8
	1,2
	1,6
	2,0
	2,8
	4,0
	5,6
	8,0
	12,0
	16,0

Таблица 2

Н, KА/м	Образец 1 (состав)	Образец 2 (состав)	Образец 4 (состав)	Образец 5 (состав)
	Da, мВб	В, Тл	Da, мВб	В, Тл	Da, мВб	В, Тл	Da, мВб	В, Тл

Примечания

1. При установке силы тока свыше 100 мА необходимо переключить предел измерения тока на 1000 мА.

2. При установке тока больше очередного заданного значения следует размагнитить образец и только после этого продолжить измерения (в противном случае результаты измерений будут искажены).

3. Направление отклонения стрелки милливеберметра не имеет значения; если при измерениях стрелка выходит за пределы шкалы можно откорректировать ее положение, для чего:

a) выключить ток в цепи электромагнита;

b) левый переключатель милливеберметра поставить в положение “корректор” (крайнее по часовой стрелке);

c) правой рукояткой поставить стрелку на середину шкалы;

d) переключить левый переключатель в положение “измерение” (среднее положение).

Содержание отчета

1. Схема установки.

2. Формула с указанием входящих в нее величин.

3. Заполненная таблица 2.

4. График В = В(Н) для всех исследованных образцов.

5. Расчет погрешности определения В для стали 35 при Н= 0,2; 2,8 и 16 КА/м (предел измерения милливеберметра - 10 мВб, класс точности прибора - 0,5).

6. Краткий анализ полученных результатов.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается физическая сущность процесса намагничивания ферромагнитных материалов?

2. В чем отличие процессов намагничивания идеального и реального ферромагнетиков?

3. В каких случаях проявляется необратимость процесса намагничивания, и чем она обусловлена?

4. Какие структурные факторы влияют на процесс намагничивания?

5. Как влияет изменение температуры ферромагнетика на его магнитные характеристики?

Литература

1. Сидорин И.И. Основы материаловедения. - М.: Машиностроение, 1976, гл. ХХII.

2. Лившиц Б.Г. и др. Физические свойства металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1980, гл. II.

3. Фейнман Р. Фейнмановские лекции по физике - М.: Мир, 1977, том 7, гл. 37.

4. Арзамасов Б.Н. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1986, гл. 15.

5. Солнцев Ю.П. и др. Материаловедение. – М.: «МИСИС», 1999.

Часть 4. Магнитные свойства ферромагнетиков в зависимости от структуры

Цель работы: исследовать влияние изменения структуры стали на ее основные магнитные характеристики.

Содержание работы

При изучении влияния химического состава на магнитные свойства ферромагнитных материалов были рассмотрены общие вопросы процесса намагничивания (см. «Магнитные свойства ферромагнетиков в зависимости от состава»). В данном исследовании выявляется влияние структуры на магнитные свойства одной из сталей (У10, 60Г, 45) после следующей термической обработки: закалка, закалка и низкий отпуск (200°С), закалка и средний отпуск (400°С), закалка и высокий отпуск (600°С).

Полученные результаты должны быть проанализированы на основе представлений о физической природе влияния структуры ферромагнетиков на их магнитные свойства.

Для измерений индукции насыщения, остаточной индукции, коэрцитивной силы, магнитных потерь и магнитной проницаемости ферромагнитных материалов, используется ферротестер.

Рис. 1. Электрическая схема ферротестера

Согласно схеме установки (рис.1) внутри намагничивающей обмотки 1, длина которой значительно больше диаметра, расположены три измерительных катушки 2 (А, В и С), две из которых А и В имеют одинаковое число витков и включены последовательно навстречу друг другу. При прохождении переменного тока через намагничивающую обмотку в измерительных катушках возникает э.д.с. самоиндукции. При этом на концах измерительной катушки С возникает сигнал в виде напряжения, пропорционального производной по времени напряженности магнитного поля dН/dt внутри намагничивающей обмотки. Напряжение на концах а и b последовательно соединенных катушек А и В, в отсутствии образца, равно нулю. При введении испытуемого образца 6 в рабочее пространство одной из измерительных катушек (А или В) на концах а и b возникает сигнал в виде напряжения, пропорционального производной намагниченности J по времени образца - dJ/dt. Полученные сигналы проходят интегрирующие цепи 3, усилители 4 и попадают на отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки 5, в результате чего на экране прибора (рис. 2) наблюдается полный цикл намагничивания (петля гистерезиса).

Рис. 2. Полный цикл намагничивания

С приближением, удовлетворяющим практическим требованиям, величина J пропорциональна магнитной индукции В, то есть dJ/dt=dB/dt .

В данной работе производится определение магнитной индукции насыщения В_S, остаточной индукции Br, коэрцитивной силы Н_с и дифференциальной магнитной проницаемости m_d. Для этого необходимо произвести настройку ферротестера и провести измерения следующим образом:

1. Установить ручки прибора:

a) “EXСITING СURRENT” - I, II в положение 8;

b) “СAL. DIV” - в положение 1;

c) “GAIN” I, III - без лишних усилий, в крайнее левое положение;

d) “INTEGRATOR” I - черная 2;

e) “INTEGRATOR” II - черная 1;

f) “INTEGRATOR” III - черная 1;

g) “SELEСTOR” - положение 1;

h) “INP. SEL” - “TEST-A”.

2. Перевести сетевой переключатель на задней панели в положение “ON” (через 20 секунд на экране появится изображение).

3. Ручками “POSITION” I, II установить точку на экране электронно-лучевой трубки (луч I) и перекрестие осей координат (луч II) на середину координатной сетки.

4. В правое нижнее отверстие измерительной катушки, стоящей слева от прибора, вставить исследуемый образец в футляре (до ограничителя).

5. Ручками “GAIN” I, III и “POSITION” II установить концы петли гистерезиса (рис. 2) в углах координатной сетки (по вертикали 60 мм, по горизонтали 50 мм), при этом изображения петли гистерезиса и осей координат должны быть сформированы возможно более тонкими линиями (ручки “INTENSlTY” I, II и “FOСUS” I, II).

6. Произвести калибровку изображения петли гистерезиса:

a) переключатель “INP. SEL” перевести в положение “СALIBR-I”;

b) ручкой со шкалой “СALIBR. VOLTAGE” установить изображение луча I по вертикали 60 мм, отсчитать по круговой шкале напряжение V_B (В), данные внести в таблицу 1;

c) переключатель “INP. SEL” перевести в положение “СALIBR-III”;

d) ручкой со шкалой “СALIBR. VOLTAGE” установить изображение луча I по горизонтали 50 мм, отсчитать по шкале напряжение Vн(В), данные внести в таблицу 1.

Таблица 1

Образец	VB,B	VН,В	Br, мм	Нс , мм	YА, мм	YВ, мм
Закалка
Закалка, отпуск 2000 С
Закалка, отпуск 4000 С
Закалка, отпуск 6000 С

7. Используя петлю гистерезиса (рис.2), определить по координатной сетке B_rи Н_с:

a) поставить переключатель “INP. SEL” в положение “TEST- A”;

b) измерить в миллиметрах B_rи H_c; данные внести в таблицу 1 (удобнее измерять и делить пополам отрезки на горизонтальной и вертикальной осях, отсекаемые петлей гистерезиса).

8. Получить данные для расчета дифференциальной магнитной проницаемости m_d:

a) поставить “INTEGRATOR- I” в положение “DА”, “INP. SEL” в положение “TEST- A”;

b) ручкой “GAIN- I” добиться изображения (рис.3а ) впределах координатной сетки (максимум и минимум кривой должны находиться на краях сетки, при этом Y_А= 30 мм);

c) поставить “INP. SEL” в положение “TEST-B”, снять отсчет Y_В(рис.3б) (рекомендуется измерять расстояние между выступами кривой и делить его пополам), данные внести в таблицу 1.

Рис. 3. Изображения для определения Y_Aи Y_B

9. Определить значения Нs,Bs,H_c,В_r,m_dв единицах измерения магнитных величин (результаты внести в таблицу 2):

a) рассчитать максимальную напряженность поля Нsи максимальную магнитную индукцию Bsпо формулам:

Нs= K₁·V_H , А/м,

где К₁=3200 А/(м·В);

Bs=К₂·V_B·1/S , Тл,

где К₂=9,24·10^-7Тл·м²/В, S- площадь сечения образца (S = 3,3·10^-6м² );

b) перевести H_cв А/м и в Тл, используя калибровку;

c) рассчитать дифференциальную магнитную проницаемость по формуле

m_d= (К₆ /S) ·(Y_А/Y_В),

где К₆ = 2,24·10^-4м².

10. Измерения повторить для всех образцов.

Таблица 2

Образец	ВS, Тл	НS, А/м	Вr, Тл	Нс, А/м	md
Закалка
Закалка, отпуск 2000 С
Закалка, отпуск 4000 С
Закалка, отпуск 6000 С

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Схема ферротестера (рис. 1).

3. Заполненная таблица 2.

4. График на основе таблицы 2 (рис. 4).

5. Краткий анализ полученных результатов

Рис. 4. График зависимости В_S, B_r, H_c, m_dот температуры отпуска (T_отп)

Контрольные вопросы

1. В чем сущность процесса намагничивания ферромагнитных материалов?

2. В чем состоит различие процесса намагничивания идеального и реального ферромагнетиков?

3. В каких случаях проявляется необратимость процесса намагничивания и чем она обуславливается?

4. Как влияет изменение температуры отпуска стали на ее магнитные характеристики?

Литература

1. Фейнман Р. Фейнмановские лекции по физике. - М.: Мир, 1977, том 7, гл. 37.

2. Арзамасов Б.Н. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1986, гл.15.

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ………………………………………………………… 3

Лабораторная работа № 1. УПРУГАЯ И ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ…………………………………………...... 4

Часть 1. Модуль нормальной упругости материалов……………….… 4

Часть 2. Деформационное упрочнение и рекристаллизация…………. 11

Часть 3. Ползучесть и долговечность………………………………….. 17

Часть 4. Остаточные напряжения……………………………………..... 23

Лабораторная работа № 2. УПРОЧНЯЮЩАЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА………………………………………………………………….... 29

Часть 1. Железоуглеродистые сплавы в равновесном состоянии……. 29

Часть 2. Закалка стали…………………………………………….…….. 35

Часть 3. Отпуск стали…………………………………………………… 40

Часть 4. Дисперсионное упрочнение…………………………………... 44

Лабораторная работа № 3. ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА

МАТЕРИАЛОВ………………………………………………………….. 49

Часть 1. Тепловое расширение сплавов – твердых растворов……….. 49

Часть 2. Тепловое расширение сплавов системы Fe-Ni…………….....56

Часть 3. Тепловая деформация термобиметалла…………………….... 61

Часть 4. Теплопроводность металлических материалов…………….... 65

Лабораторная работа № 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ…………………………………………………. 73

Часть 1. Удельное электрическое сопротивление сплавов – твердых растворов…………………………………………….…………………………. 73

Часть 2. Удельное электрическое сопротивление сплавов – механических смесей …………………………………………………………. 79

Часть 3. Магнитные свойства ферромагнетиков в зависимости от состава…………………………….……………………………………………. 83

Часть 4. Магнитные свойства ферромагнетиков в зависимости от структуры………………………………………………………………………. 91