Особенности намагничения конструкционных сталей



Широкое распространение конструкционных сталей и других ферромагнитных материалов во всех областях человеческой деятельности определяет и наибольший практический интерес к закономерностям их намагничения, тем более что эти закономерности связаны с проявлением и других физических свойств этого материала, прежде всего, тепловых и механических.

Изучение закономерностей намагничения железа и стали, начатое с работ В. Гильберта, Ш. Кулона и С. Пуассона в настоящее время продолжает интенсивно развиваться в рамках специального раздела физики — теории ферромагнетизма. Число научных публикаций по этой проблеме к настоящему времени насчитывает десятки тысяч. Однако, несмотря на это, до сих пор отсутствует аналитическое и даже, в определенной мере, качественное представление о характере зависимости между намагниченностью и напряженностью суммарного магнитного поля в веществе стали в общем трехмерном случае, которую можно условно представить в виде:

,(1)

где параметры: Т — абсолютная температура и — тензор упругих напряжений в веществе стали оказывают не менее существенное влияние на величину намагниченности чем напряженность .

Условность представления зависимости между и в виде (1) связана с тем, что эта зависимость имеет неоднозначный, гистерезисный характер: эта зависимость видоизменяется при смене характера изменения и с нарастания на убывание и наоборот. Это происходит, когда Т меньше температуры Кюри . Кардинальное видоизменение зависимости между и происходит вблизи : при , как уже отмечалось, зависимость между и становится однозначной как у парамагнетиков, при этом величина уменьшается более чем на десять порядков.

Анализ экспериментальных данных о намагничении стального шара в однородном внешнем магнитном поле при различных вариантах медленного изменения компонент этого поля в широких пределах позволил бы получить представление об этой зависимости. Однако, такой эксперимент еще ждет своей постановки [1].

В обширной литературе по намагничению ферромагнетиков подробно разработан лишь одномерный вариант зависимости (1), в котором и все время направлены вдоль одной и той же оси. Учитывая данное обстоятельство, ниже будут рассмотрены характерные черты именно этого частного случая зависимости (1) при постоянной температуре ~ 300⁰ К, полагая вначале, что внешние механические воздействия на вещество отсутствуют. В этом случае будем условно представлять зависимость (1) в виде:

.(2)

Рассмотрение характерных свойств зависимости (2) начнем с описания метода ее экспериментального определения.

Рис. 1 Экспериментальная установка для измерения эффективной намагниченности

Образец материала рассматриваемой стали в виде длинного цилиндрического или сфероидального стержня помещается на оси подключенного к регулируемому источнику постоянного тока (РТ) соленоида, который обеспечивает однородное продольное магнитное поле H₀H₀e₀ в объёме стержня. Величина напряженности магнитного поля может быть определена по показаниям амперметра (А). Миниатюрный магнитоизмерительный датчик (Д), измеряющий продольную компоненту напряженности магнитного поля, размещен на середине образца непосредственно на его поверхности и подключен к магнитометру (М). Устройство компенсации геомагнитного поля и помех в объёме образца на схеме не указано. Датчик Д измеряет величину продольной (вдоль оси соленоида) компоненты напряженности магнитного поля в центральном сечении стержня, которая, являясь касательной составляющей напряженности суммарного магнитного поля на поверхности образца, равна напряженности суммарного магнитного поля внутри образца в этом же сечении и поэтому связана с полем соленоида и намагниченностью соотношением:

,(3)

где — центральный коэффициент размагничивания стержня, который может быть определен экспериментально для цилиндрического образца или рассчитан для сфероидального. Соотношение (3) позволяет экспериментально определить зависимость намагниченности от напряженности магнитного поля , приложенного к элементу объема среднего сечения цилиндрического стержня. Возможны и другие методы получения этой зависимости [1–2].

Далее рассмотрена электромагнитная обработка. Пусть рассматриваемый элемент объёма конструкционной стали находится в размагниченном состоянии при и . Если дать малое приращение поля , затем уменьшить поле до - и снова увеличить до и так проделать несколько раз; затем дать приращение 2, -2, +2 и т. д., и так увеличивать приращение до тех пор, пока n не будет равно , то в результате получим семейство симметричных петель гистерезиса, вершины которых будут лежать на кривой, изображенной на рис. 2 пунктиром. Эта кривая весьма близка к кривой первоначального намагничения и сливается с ней, если . Процесс обратный описанному представляет собой один из вариантов процесса размагничивания.

Размагничиванием элемента объема ферромагнитного материала называется процесс воздействия на него (и образец в целом) внешним магнитным полем, в результате которого этот элемент объема переходит в размагниченное состояние.

Размагничивание может быть осуществлено одним, двумя и сколь угодно большим числом импульсов напряженности внешнего магнитного поля.

Размагничивать образец можно воздействием на него знакопеременным магнитным полем, изменяющимся во времени по гармоническому (например, синусоидальному) закону с медленно уменьшающейся амплитудой и малой (порядка 1 Гц) частотой :

,(4)

где — медленно убывающая функция, такая, что . Для характеристики убывания величины амплитуд знакопеременного магнитного поля используются понятия декремента затухания d или величины убывания амплитуды q:

, .

Для экспоненциального убывания амплитуд постоянен декремент затухания, для линейно убывающих амплитуд — величина убывания [2].

Следует отметить, что при воздействии знакопеременного убывающего магнитного поля на образец с большим значением декремента затухания или величины убывания, размагниченное состояние может быть и не достигнуто: элемент объема образца может получить значительную остаточную намагниченность в направлении первого импульса. Анализ результатов экспериментов показывает, что в пределах погрешности измерений, остаточная намагниченность не возникает, если при импульсном воздействии, или , при гармоническом. Полученное при этом размагниченное состояние характеризуется повышенной стабильностью по отношению к действию упругих напряжений, о чем далее еще пойдет речь.

Если, кроме затухающего знакопеременного магнитного поля , на образец одновременно действует некоторое постоянное магнитное поле , то в результате рассматриваемый элемент объёма образца приобретёт намагниченность , однозначно определяемую величиной напряженности поля , при этом окончанию процесса, т. е. после завершения воздействия знакопеременного магнитного поля и при продолжении действия поля будет соответствовать точка G на рис. 2. Если затем уменьшить поле до нуля, то точка G перейдет в точку F на оси ординат, которой будет соответствовать намагниченность . Намагниченность называется восстановленной намагниченностью (в магнитном поле ), намагниченность — предельной остаточной намагниченностью, полученной при восстановлении (в поле ). При воздействиях на образец знакопеременным магнитным полем для различных значений поля в интервале от до , получается кривая BSOGA на рис. 2 (при построении этой кривой значения откладываются на оси абсцисс), называемая кривой безгистерезисного намагничения или кривой идеального намагничения [3–4].

При имеет место линейная зависимость:

,(5)

гденазывается безгистерезисной магнитной восприимчивостью, которая для сталей имеет порядок 10⁴ ÷ 10⁹. В случае когда величина остаточной намагниченности, получаемая при восстановлении (безгистерезисном намагничении) может быть определена по величине или по значению :

— .

В случае если начальная амплитуда напряженности знакопеременного поля меньше , кривая намагничения в постоянном поле (как функция), называемая промежуточной безгистерезисной кривой, пойдет ниже кривой безгистерезисного намагничения; однако до уровня отличие такой кривой от безгистерезисной будет незначительным, в пределах 2–4 %. Дальнейшее уменьшение величины первоначальной амплитуды приводит к существенному отличию результата от безгистерезисной кривой; при этом не всегда могут быть получены однозначные результаты: конкретный ход кривой определяется предысторией намагничения, т. е. тем, какие внешние поля и процессы оказывали воздействие на рассматриваемый элемент объема до применения данного знакопеременного затухающего процесса.

Процесс воздействия знакопеременного затухающего по амплитуде магнитного поля на образец или реальное ферромагнитное тело (конструкцию), при одновременном действии постоянного магнитного поля называется электромагнитной обработкой (ЭМО) этого образца или тела.

Эксперименты показывают, что результаты электромагнитной обработки тел или конструкций при не зависят от направления действия поля , а определяются направлением и величиной магнитного поля .

При намагничении ферромагнитного тела или конструкции в процессе ЭМО, зависимость определяет уравнение Пуассона — Томсона:

— ,(6)

где — напряженность внешнего магнитного поля, действующего на данное тело или конструкцию одновременно с воздействием знакопеременным магнитным полем .

Величина остаточной намагниченности, полученной при восстановлении может быть определена из выражения:

— ,

если

— ,

при этом величина индуцированной намагниченности , соответствующая действию магнитного поля удовлетворяет уравнению (12) с заменой в нем на и χ на χ₀

Таким образом, восстановленная намагниченность и остаточная намагниченность, получаемая при восстановлении могут быть определены для произвольного изотропного ферромагнитного тела [4].

Процесс изменения намагниченности цилиндрического образца под действием упругих напряжений позволяет качественно характеризовать изменение намагниченности корабля при его эксплуатации, например, килевая качка корабля на сильном морском волнении приводит к периодическим сжатиям — растяжениям верхней палубы и днища корабля; действие значительной слабозатухающей упругой нагрузки по всему кораблю возникает при слеминге — мощном ударе волны по корпусу корабля. Эти процессы практически не контролируются корабельными средствами и обуславливают нестабильность остаточной намагниченности корабля и создаваемого ею магнитного поля; на практике, однако, эта нестабильность, как правило, имеет порядок величины индуцированной намагниченности в максимальной широтной зоне.

Литература:

1. Гропянов А. В., Теплухин Г. Н. «Металловедение и термическая обработка» Учебное пособие, 2011.
2. Дема Р. Р., Молочкова О. С., Нефедьев С. П. «Материаловедение», 2014.
3. Краснов И. П. «Основы классической теории намагничения тел» намагничения тел» Центральный НИИ им. академика А. Н. Крылова. — СПб., 2008.
4. Сандомирский С. Г. «Магнитный контроль структуры стальных и чугунных изделий. Современное состояние». Литье и металлургия, 2008.