Виды магнитных материалов

Магнитотвёрдые материалы:

Магнитомягкие материалы:

Магнитострикционные материалы:

Магнитооптические материалы:

Термомагнитные материалы:

На основе магнитно-твердых ферритов изготовляют постоянные магниты. Магнитодиэлектрики, несмотря на несколько пониженные магнитные характеристики, чем у ферритов, применяютдля изготовления сердечников высокочастотных узлов РЭА. Это обусловлено большой стабильностью их характеристик по сравнению с ферритами и возможностью изготовления из них сердечников сложной формы.

Магнитомягкие магнитные материалы применяют для изготовления магнитопроводов, трансформаторов и магнитных усилителей, дросселей, реле, дефектоскопов, магнитных головок для видео- и звукозаписи, магнитных экранов, сердечников высокодобротных катушек индуктивности (в колебательных контурах, электрических фильтрах, элементах памяти и др.), линий задержки. Металлические магнитные материалы используют в основном для работы на частотах переменного поля до нескольких десятков кГц, т.к. из-за относительно низкого удельного электрического сопротивления при повышении рабочей частоты в них резко возрастают вихревые токи. Это приводит к снижению эффективного сечения магнитопроводов и повышению потерь на перемагничивание. Ферриты используют для работы на частотах до нескольких МГц. Композиционные Магнитные материалы применяют для создания экранирующих устройств от СВЧ полей; металлические компоненты материалов используют в виде пленок или мелкодисперсных порошков. Многокомпонентные слоистые материалы с ферромагнитной составляющей позволяют создавать поглотители полей с минимальными геометрическими размерами.

10) Эффект памяти формы — явление возврата к первоначальной форме при нагреве, которое наблюдается у некоторых материалов после предварительной деформации.

Эффект памяти формы характеризуется двумя величинами.

Маркой сплава со строго выдержанным химическим составом. (См. далее «Материалы с памятью формы»)

Температурами мартенситных превращений.

В процессе проявления эффекта памяти формы участвуют мартенситные превращения двух видов — прямое и обратное. Соответственно, каждое из них проявляется в своем температурном интервале: МН и МК — начало и конец прямого мартенситного превращения при деформации, АН и АК — начало и конец обратного мартенситного превращения при нагреве.

Температуры мартенситных превращений являются функцией как марки сплава (системы сплава), так и его химического состава. Небольшие изменения химического состава сплава (намеренные или как результат брака) ведут к сдвигу этих температур (см. рис. 4).

Отсюда следует необходимость строгой выдержки химического состава сплава для однозначного функционального проявления эффекта памяти формы, что переводит металлургическое производство в сферу высоких технологий.

Эффект памяти формы проявляется несколько миллионов циклов; его можно усиливать предварительными термообработками.

Возможны реверсивные эффекты памяти формы, когда материал при одной температуре «вспоминает» одну форму, а при другой температуре — другую.

Чем выше температуры обратного мартенситного превращения, тем в меньшей степени выражен эффект памяти формы. Например, слабый эффект памяти формы наблюдается в сплавах системы Fe-Ni (5 — 20 %Ni), у которых температуры обратного мартенситного превращения 200—400˚C.

В ряду функциональных свойств памяти формы важное теоретическое и практическое значение принадлежит явлению так называемой деформации ориентированного превращения.Смысл этого наследственного феномена заключается в следующем. Если охлаждаемое под напряжением тело разгрузить в области температур реализации пластичности прямого мартенситного превращения и не прекратить понижение температуры, далеко не всегда продолжающееся охлаждение не будет вызывать макроскопического деформирования. Наоборот, чаще всего деформация продолжает накапливаться, как если бы материал почти не разгружали. В других случаях имеет место интенсивный возврат при охлаждении. Такие свойства, первое из которых принято называть деформацией ориентированного превращения, второе - аномальным возвратом деформации, связывают с подрастанием возникших под нагрузкой кристаллов мартенсита - в случае деформации ориентированного превращения кристаллов "положительной" ориентации, а в случае аномального возврата - "отрицательной" ориентации. Названные явления могут быть инициированы, в частности, ориентированными микронапряжениями.

11) В электрических печах и приборах, в их элементах нагрева, а также в разных видах реостатов, используют сплавы и стали с высоким электрическим сопротивлением. В связи со спецификой работы к ним применяют особые требования:

1) повышенная жаростойкость (умение противостоять окислению при большом температурном нагреве);

2) повышенное удельное сопротивление;

3) невысокий показатель температурного коэффициента электросопротивления, т.е. небольшая степень повышения электросопротивления с возрастанием температуры.

Различие этих сплавов определяют по преобладанию в них определенных компонентов.. В зависимости от их основы, они делятся на никелевые, медные и железные. Из железных отметим хромаль и фехраль. Они легированы алюминием и хромом и являются заменителями дорогих сплавов (нихром и др.).

Фехраль, с составом 0,12% С, ~17% Сг и 5% А1, его удельное сопротивление 1,3% ом/мм*-м, с коэффициентом температуры 0,0003, а при работе его температура достигает 1050 градусов. Хромаль, содержит 0,12% С, ~26% Сг и 5% А1, удельное сопротивление которого 1,4 ом/мм2-м, имеющий температурный коэффициент 0,0001, его температура во время работы доходит до 1200 градусов.

Развитие хрупкости при длительной эксплуатации является основным недостатком хромаля и фехраля. Это вызвано разрастанием зерна у этих сплавов, при их нагреве. Совсем недавно, ученые предложили новую группу сплавов с высоким электрическим сопротивлением. Они содержат ~0,5% С, 25-27% Сг и 6-7% А1, а отдельных марках содержится до 1% Si. Основная особенность сплавов - это довольно основательная жаростойкость до 1200-1300 градусов, при этом удельное сопротивление у них очень высокое, около 1,4-1,5 ом/мм м при 20 градусах. За счет повышенной жаростойкости, эти сплавы применяются в нагревательных печах, рабочая температура которых, может достигнуть 1200-1250 градусов, а, иногда, являются заменителями силитовых стержней, которые, как известно, бывают большим дефицитом.

12) К этой группе материалов относят сплавы системы Fe–Ni. При больших содержаниях никеля в сплавах образуется непрерывный ряд твердых растворов с ГЦК решеткой. Температурный коэффициент линейного расширения твердых растворов в функции состава изменяется сложно (рис. 5.1), что дает возможность создавать сплавы с малым температурным коэффициентом линейного расширения – инварные сплавы.

Заниженное значение температурного коэффициента линейного расширения в инварных сплавах имеет ферромагнитную природу и объясняется большой магнитострикцией парапроцесса.

Во всех ферромагнитных материалах, кроме сплавов инварного типа, намагниченность Ms в обла­сти парапроцесса с ростом поля практически не меняется (рис. 5.2, штриховая линия). В сплавах инварного типа намагниченность в этой области увеличивается (сплошная линия) в результате дополнительной ориентации спиновых моментов электронов, несколько разориентированных тепловым движением, и вызывает большие магнитострикционные явления.

Магнитострикция – изменение размеров ферромагнетика при его намагничивании. В области технического намагничивания (Н < Hs) магнитострикция носит линейный характер, в области парапроцесса (H > Hs) – объемный.

Такие же явления возникают под влиянием внутреннего магнитного поля ферромагнетика (рис. 5.3): в отсутствие внешнего поля форма и размер домена искажены магнитострикцией. Истинные размеры выявля­ются лишь при нагреве до температур выше температуры точки Кюри (t > Q), когда устраняются все магнитострикционные деформации в связи с переходом в парамагнитное состояние. Истинные размеры домена условно показаны на рис. 5.3 в виде квадрата. При охлаждении до температур ниже точки Кюри (t < Q) линейная магнитострикция искажает форму домена, вытягивая его в направлении вектора самопроизвольной намагниченности (превращая квадрат в прямоугольник). Объемная магнитострикция увеличивает размеры домена (прямоугольника).

В кристаллах ферромагнетика, исключая сплавы инварного типа, магнитострикция, возникшая из-за внутреннего поля, не обнаруживается, так как объемная магнитострикция в них мала, а линейная – ком­пенсируется деформацией доменов в различных направлениях. В сплавах же инварного типа размеры ферромагнетика оказываются увеличенными, так как в них велика объемная составляющая магнитострикции.

13) Для ряда отраслей машиностроения и приборостроения необходимо применение материалов со строго регламентированными значениями в определенных температурных интервалах эксплуатации таких физических свойств, как температурные коэффициенты линейного расширения (ТКЛР) и модуля нормальной упругости (ТКМУ). Эти коэффициенты определяют характер изменения размеров детали и модуля упругости сплава при нагреве.

Согласно правилу Курнакова, в случае, когда компоненты образуют твердый раствор, ТКЛР сплава изменяется по криволинейной зависимости внутри пределов, ограниченных значениями ТКЛР чистых компонентов. Однако сплавы Fe – Ni не подчиняются общим закономерностям. В области концентраций от 30 до 45 % никеля для них характерны аномалии, связанные с инварным эффектом (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 – Температурный коэффициент линейного расширения сплавов Fe – Ni

Самое низкое значение ТКЛР в диапазоне температур от –100 до +100°С имеет сплав, содержащий 36 % Ni. Этот сплав был открыт в 1897 г. и назван инваром (лат. invariabilis – неизменный) из-за минимальных значений коэффициента теплового расширения.

Для металлов с кубической кристаллической решеткой ТКЛР изотропен. Его значения не зависят от направлений кристаллической решетки и преимущественной ориентации текстуры. Термический коэффициент объемного расширения втрое превышает ТКЛР.

Для сплавов Fe – Ni инварного состава, помимо низких значений ТКЛР, характерна еще одна аномалия – аномалия температурного коэффициента модуля упругости. В любых твердых телах, в том числе металлах, при нагреве наблюдается уменьшение модуля упругости, являющегося мерой сил межатомных связей. В сплавах с инварным эффектом модуль упругости растет или остается постоянным с повышением температуры. Характерно, что максимальной величиной ТКМУ обладает тот же Fe – Ni сплав с самым низким значением ТКЛР, содержащий 36 % Ni (рисунок 4.2). Подбор определенного химического состава позволяет разработать сплавы, модуль упругости которых практически не зависит от температуры.

Сплавы, сохраняющие постоянство модуля упругости в широком интервале температур, называют элинварами. Природа аномального изменения ТКЛР инварных сплавов, так же как и модуля нормальной упругости, имеет ферромагнитное происхождение.

В ферромагнитных Fe – Ni сплавах инварного типа велик уровень объемной магнитострикции – увеличения объема за счет внутреннего магнитного поля. При нагреве происходит уменьшение магнитострикционной составляющей объема. Выше температуры точки Кюри магнитострикционные деформации полностью исчезают в связи с переходом металла в парамагнитное состояние.

14) Разработка новых материалов традиционно основана на изучении зависимости между полезными свойствами материала и условиями его получения. Современные экспериментальные методы плавления и кристаллизации металлических и неметаллических систем позволяют достичь глубоких переохлаждений, высоких температурных и концентрационных градиентов и, как следствие, больших скоростей фазового преврещения. Например, в экспериментах получены скорости движения границ раздела расплава и твердой фазы в интервале 10-100 м/с при величинах переохлаждениях от 10 до 400 К ниже равновесной температуры кристаллизации. Достижение подобных переохлаждений приводит к большим градиентам термодинамического потенциала (свободной энергии Гиббса), которые фактически определяют движущую силу при высокоскоростных фазовых превращениях.

Высокоскоростная кристаллизация происходит в результате быстрого охлаждения расплава, приводящего к образованию микрокристаллов исключительно малых размеров или даже аморфных материалов. При высоких температурах прочность мелкокристаллических и аморфных сплавов в 1,5 раза выше, чем сплавов, полученных по традиционной технологии.

Изучаются перспективы использования керамических деталей в двигателях внутреннего сгорания. Целью такого применения керамики является возможность повышения рабочей температуры в камере сгорания при одновременном снижении массы агрегата, что приводит к повышению коэффициента полезного действия двигателя.

Ужесточение технико-экономических требований к материалам и ограниченность сырьевых ресурсов обусловили рост потребления традиционных материалов на новом технологическом уровне — в сочетании с усиливающими их элементами из более прочных материалов. Такие материалы получили название композиционных.

Использование их способствует повышению работоспособности техники, снижению себестоимости продукции, организации гибких производств. Но производство некоторых из этих материалов связано с опасностью для здоровья людей на рабочих местах, создает дополнительные проблемы защиты окружающей среды. Поэтому важной задачей является разработка мероприятий, которые позволят извлечь максимальную выгоду из этого направления материаловедения.

15) Классификация алюминия и его сплавов

Современные алюминиевые сплавы – это популярные представители группы легированных металлов, создаваемые на основе алюминия. Алюминиевые сплавы по способу производства различных деталей подразделяются на деформируемые, которые обрабатываются путём механической деформации и литейные, которые применяются при фасонной отливке. Существует ещё особая подгруппа – антифрикционные алюминиевые сплавы, с помощью которых путём литья или механической прессовки изготавливаются детали повышенной прочности, работающие в условиях повышенного трения.

Основные компоненты, входящие в состав алюминиевых сплавов – это медь, марганец, железо, цинк, кремний, титан и магний. Определённое сочетание и количественный состав легирующих элементов по аналогии с нержавеющей сталью обеспечивает полученному металлу индивидуальные свойства, которые в свою очередь образуют область применения того или иного сплава, созданного на основе алюминия.

Для упрочнения алюминиевых сплавов используют термическую обработку и холодную деформацию, что в свою очередь подразумевает деление на упрочняемые и неупрочняемые термообработкой металлы.

Деформируемые сплавы, которые не подлежат термическому упрочнению, отличаются максимальной пластичностью и антикоррозийными свойствами. Заготовки из металлов этой группы применяются, в основном, для глубокой штамповки. Это сплавы, созданные парами AL-Mn (марка АМц) и AL-Mg (марка AMг). Включение магния в качестве легирующего элемента позволяет повысить сопротивляемость воздействию влаги и уменьшить удельный вес конечных изделий. Наличие кремния, железа и меди в таких алюминиевых сплавах минимально.

Алюминиевые сплавы, в состав которых входит алюминий, медь и магний называются дюралюминии (AL-Cu-Mg). Дюралюминий относится к деформируемым сплавам, упрочняемым термической обработкой и включает в себя около 4% меди, 1% марганца, 1% магния. Кроме того, в состав дюралюминия входят железо и кремний, процентное соотношение которых к общему объёму незначительно.

Этот популярный металл отличается следующими свойствами:

конструкционная прочность, обеспеченная термообработкой;

лёгкость механической обработки, включая ковку и штамповку;

слабая антикоррозийность.

Для повышения коррозийной стойкости дюралюминия используют технологию плакирования – нанесения на листы тонкого (4-5% от общей толщины) слоя чистого алюминия путём горячего проката дюралевой болванки, завёрнутой в лист из алюминия без примесей. Такой дюралюминий активно используется в виде листов и дюралевых плит для изготовления лёгких и прочных деталей, например фюзеляжей самолётов или антикоррозийных корпусов различных плавсредств.

Все литейные сплавы с включением кремния предлагают производителю следующие свойства:

низкий удельный вес изготавливаемых изделий;

износостойкость и конструкционная прочность соответствующих деталей;

высокая текучесть в расплавленном состоянии;

минимальная усадка в процессе отлива.

16) Деформируемые сплавы - это сплавы, которые подвергают горячей и холодной обработке давлением - прокатке, прессованию, ковке или штамповке, волочению, В результате пластической деформации из них получают различные круглые, плоские, полые полуфабрикаты: листы, ленты, прутки, плиты, профили, поковки, трубы, штамповки, проволоку, К деформируемым сплавам относятся также сплавы для сварки,

Деформируемые сплавы, полученные на основе первичного алюминия, поставляются в виде заготовок и полуфабрикатов, приготовленные на основе вторичного алюминия - в виде чушек, Последние могут быть использованы для подшихтовки при производстве полуфабрикатов из алюминиевых сплавов,

Деформируемые сплавы составляют основной объем производства алюминиевых сплавов (до 80%),

По способу обработки различают деформируемые и литейные сплавы алюминия. Первые подвергают горячей и холодной обработке давлением-прокатке, прессованию, ковке или штамповке, волочению. Из них получают плиты, листы, профили, прутки, поковки, проволоку. Из литейных сплавов алюминия методами литья в земляные, корковые или металлические (кокильные) формы, а также литья под давлением изготавливают фасонные отливки.

Для деформируемых сплавов характерна структура твердого раствора с наибольшим содержанием эвтектики,

Они подвергаются упрочнению закалкой с последующим старением как естественным путем при комнатной температуре, так и искусственным при повышенной температуре, В результате закалки образуется пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в алюминии, из которого при старении выделяется избыток растворенных элементов в виде зональных метастабильных фаз и стабильных интерметаллидов,

Некоторые деформируемые алюминиевые сплавы, в частности, содержащие хром, марганец, цирконий и железо, способны закаливаться из жидкого состояния; при этом концентрация элементов в пересыщенном твердом растворе может существенно превосходить максимальную равновесную концентрацию для твердого состояния,

Принципы маркировки алюминиевых деформируемых сплавов и изготавливаемых из них полуфабрикатов

В России для обозначения алюминиевых деформируемых сплавов и полуфабрикатов исползуются буквенно-цифровая и цифровая маркировки,

Буквенно-цифровая маркировка сложилась стихийно и в ней не заложено какой-либо системы, Буквы могут символизировать: алюминий и основной легирующий компонент (например, АМц - алюминий-марганец; АМг2 - алюминий-магний); назначение сплава (АК6, АК4-1 - алюминий ковочный); название сплава (АВ - авиаль, Д16 - дуралюминий) или может быть связано с названием института-разработчика (ВАД1, ВАД23-ВИАМ, алюминиевый, деформируемый) и т,д

17) Литейные сплавы представляют собой многокомпонентные вещества металлического свойства, которые состоят из смеси основного, то есть технически чистого металла, а также определенных примесей (легирующих элементов), придающих литейному сплаву заданные свойства.

Стоит отметить, что литейным сплавам можно задавать самые разнообразные технические свойства, которые отсутствуют у чистых металлов. Что касается области применения литейных сплавов, то последние широко используются с целью производства различных литых деталей. В данном случае используется метод заливки расплавленного литейного сплава в форму, полость которой отвечает конфигурации изготавливаемой детали. После охлаждения ранее залитый сплав твердеет, сохраняя форму полости. Детали, полученный подобным методом, называются отливкой.

Сталь как литейный материал применяют для получения отливок деталей, которые наряду с высокой прочностью должны обладать хорошими пластическими свойствами. Чем ответственнее машина, тем более значительна доля стальных отливок, идущих на ее изготовление. Стальное литье составляет: в тепловозах – 40…50 % от массы машины; в энергетическом и тяжелом машиностроении (колеса гидравлических турбин с массой 85 т, иногда несколько сотен тонн) – до 60 %.

Стальные отливки после соответствующей термической обработки не уступают по механическим свойствам поковкам.

Используются: углеродистые стали 15Л…55Л; легированные стали 25ГСЛ, 30ХГСЛ, 110Г13Л; нержавеющие стали 10Х13Л, 12Х18Н9ТЛ и др.

Углеродистые стали. Жидкотекучесть углеродистой стали в среднем в два раза меньше жидкотекучести серых чугунов. Это объясняется высокими вязкостью и поверхностным натяжением при температурах разливки, а также значительно меньшим перегревом. Усадка сталей составляет до 2,5 %.

Литые углеродистые стали по литейным свойствам уступают чугуну, но из них можно получать сложные отливки, разнообразные по конструкции, размерам, массе, толщине стенок. Наибольшее распространение получили отливки из среднеуглеродистых сталей с содержанием углерода до 0,45 %.

Легированные чугуны хромистые, никелевые и др. применяют для отливок ответственного назначения. Легирование чугунов улучшает механические свойства, коррозионную стойкость, износостойкость, жаропрочность и другие свойства. В качестве легирующих элементов применяют никель, хром, молибден, алюминий, медь, титан. Низколегированные чугуны с содержанием легирующих элементов до 3 % применяют в машиностроение. Широкое применение находят отливки из высоколегированных чугунов с особыми физическими свойствами, например кислотостойких (26…36 % Cr), немагнитных (до 12 % Mn, до 2 % Cu). Эти чугуны дешевле соответствующих сталей и обладают хорошими литейными свойствами.

18) Твердые сплавы изготавливают путем спекания смеси порошков карбидов и кобальта. Порошки предварительно изготавливают методом химического восстановления (1-10 мкм), смешивают в соответствующем соотношении и прессуют под давлением 200—300 кгс/см², а затем спекают в формах, соответствующих размерам готовых пластин, при температуре 1400—1500 °C, в защитной атмосфере. Термической обработке твердые сплавы не подвергаются, так как сразу же после изготовления обладают требуемым комплексом основных свойств.

Композиционные материалы, состоящие из металлоподобного соединения, цементированного металлом или сплавом. Их основой чаще всего являются карбиды вольфрама или титана, сложные карбиды вольфрама и титана (часто также и тантала), карбонитрид титана, реже — другие карбиды, бориды и т. п. В качестве матрицы для удержания зерен твердого материала в изделии применяют так называемую «связку» — металл или сплав. Обычно в качестве «связки» используют кобальт (кобальт является нейтральным элементом по отношению к углероду, он не образует карбиды и не разрушает карбиды других элементов), реже — никель, его сплав с молибденом (никель-молибденовая связка).

Спеченные твердые сплавы получают методом порошковой металлургии, который заключается в прессовании порошковой смеси и спекании ее при температуре, не превышающей температуры плавления составляющих тугоплавких элементов или с частичным плавлением наименее тугоплавкого компонента смеси. Технология получения деталей из порошков включает следующие процессы: приготовление порошков и смеси элементов, входящих в будущие детали, подготовка и заполнение пресс-форм смесью, прессование и спекание смеси, калибровка или чеканка в отделочных пресс-формах, термическая обработка и обработка резанием.

Спеченные твердые сплавы ( металлокерамические сплавы) представляют собой композиционный материал, состоящий из твердых наполнителей ( карбидов вольфрама, титана, тантала), соединенных пластичной связкой - кобальтом.

Термин спеченные твердые сплавы или сокращенно твердые сплавы обозначает здесь и далее только порошковые твердые сплавы

Термин спеченные твердые сплавы или сокращенно твердые сплавы обозначает здесь в далее только порошковые твердые сплавы. [4]

Кроме спеченных твердых сплавов, содержащих цементирующую присадку ( кобальт, никель), для некоторых целей ( буровые инструменты, фильеры), где не требуется высокая прочность сплава, а лишь сопротивление истиранию и твердость, применяют литые карбиды вольфрама.

К спеченным твердым сплавам относятся материалы, состоящие из высокотвердых и тугоплавких карбидов вольфрама, гитана, тантала, сцементованных металлической связкой методом порошковой металлургии. В последнее время они приобрели широкое применение для изготовления режущих инструментов и деталей специальных машин, так как выдерживают высокие температуры нагрева, что объединяет их в общую группу красностойких материалов. Инструменты, изготовленные из металлокерамических сплавов, при нагреве до 1200 С, а ми-нералокерамические до 1500 С не теряют твердости и режущих свойств.

Керамические или спеченные твердые сплавы. Их основой служат карбиды вольфра а и титана. Керамические сплавы выпускают в виде пластинок и применяют главным образом для оснащения режущего инструмента. Пластины керамических сплавов закрепляют на державках пайкой.

19) медь (CAS-номер: 7440-50-8) — это пластичный переходный металл золотисто-розового цвета (розового цвета при отсутствии оксидной плёнки). C давних пор широко применяется человеком.