2938

вызывает аномальное изменение модуля упругости при нагреве.

Возможный характер зависимости модуля упругости Е ферромагнитного материала от температуры нагрева показан на рис. 31. Уменьшение Е0 при нагреве обусловлено ослаблением сил межатомного взаимодействия. Снижение Е с повышением температуры, вызванное уменьшением намагниченности ферромагнетика, приводит не к снижению, а, наоборот, к росту модуля нормальной упругости Е. Из этой же схемы следует, что модуль упругости ферромагнетика может также сохраняться постоянным до температуры точки Кюри.

Температурный коэффициент модуля нормальной упругости, называемый для краткости термоупругим коэффициентом γ, определяет характер изменения модуля упругости при нагреве.

Рис. 31. Схема изменения модуля упругости ферромагнетика при нагреве [2]

В ферромагнитных материалах этот коэффициент может иметь знак плюс в тех случаях, когда модуль упругости при нагреве растет, а также знак минус, когда модуль упругости, как и у неферромагнитных материалов, снижается:

где Е20 - модуль упругости при 20 °С.

101

В элинварных сплавах термоупругий коэффициент всегда имеет положительное значение и может быть равным нулю.

Сплавы с содержанием 29 и 45% Ni имеют нулевые значения коэффициента γ. Однако незначительные отклонения в концентрации никеля, что неизбежно в металлургическом процессе, резко изменяют значения γ. Поэтому сплавы Fe-Ni дополнительно легируют хромом, который делает эту зависимость менее резкой и позволяет получать в сплавах различных плавок устойчивое значение γ, близкое к нулю.

Первым сплавом такого типа был сплав 36НХ (36% Ni и 12% Сг), названный элинваром. К сожалению, этот сплав наряду с отмеченными преимуществами обладает недостатками. Во-первых, он имеет низкие значения механических характеристик, которые нельзя улучшить термической обработкой, так как у сплава устойчивая однофазная аустенитная структура. Во-вторых, сплав имеет невысокую температуру точки Кюри (~100 °С), что ограничивает рабочий интервал температур.

Впоследствии сплав начали легировать титаном и алюминием (36НХТЮ), что позволило упрочнять его термической обработкой, но дополнительно снизило температуру точки Кюри. В результате термической обработки сплав потерял свою ферромагнитность, а следовательно, и элинварность. Его используют как сплав с хорошими упругими свойствами для пружин и упругих элементов, от которых требуются немагнитность и высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах.

Дальнейшее распространение элинварные сплавы получили в виде сплавов с содержанием 5…6% Сr и 42…44% Ni. Термоупругий коэффициент таких сплавов близок к нулю. Повышенное содержание никеля обеспечивает более высокую температуру точки Кюри, что расширяет температурную область их применения. Для получения хороших механических

102

свойств эти сплавы дополнительно легируют титаном и алюминием, что позволяет упрочнять их термической обработкой. Содержание углерода в сплавах должно быть минимальным.

Сплавы 42НХТЮ и 44НХТЮ для получения минимальных значений коэффициента γ и внутреннего трения подвергают термической обработке: закалке от 950 °С, при которой избыточные фазы растворяются в аустените, и последующему отпуску-старению при 700 °С в течение 4 ч. В процессе старения в мелкодисперсном виде выделяется промежуточная метастабильная γ'-фаза.

Правильно проведенная обработка указанных сплавов позволяет получать значения коэффициента γ в пределах

± 1,5∙10-5 °С-1 в интервале температур 20…100 °С. Основной недостаток данных сплавов - нестабильность значения коэффициента γ при возможных колебаниях химического состава в пределах марки сплава.

2.5. Общие сведения о ферромагнетиках

Все материалы, помещенные во внешнее магнитное поле, намагничиваются [1-5] . Намагничивание связано с наличием у составляющих материал атомов (или ионов, молекул) микроскопических магнитных моментов. Для единичного атома без внешнего магнитного поля магнитный момент суммируется из векторов орбитальных и собственных (спиновых) моментов электронов, принадлежащих данному атому. Магнитным моментом ядра пренебрегают, так как он значительно меньше магнитных моментов электронов.

Макроскопической характеристикой намагничивания материалов служит величина намагниченности М, равная суммарному магнитному моменту атомов единицы объема.

Установлена связь намагниченности М с напряженно-

где km - безразмерный коэффициент пропорциональности называют магнитной восприимчивостью материала.

В зависимости от знака и величины магнитной восприимчивости все материалы подразделяют на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Диамагнетики - материалы, которые намагничиваются противоположно приложенному полю и ослабляют его, т. е. имеют km < 0 (от -10 -4 до -10 -7). Отрицательная магнитная восприимчивость связана с действием магнитного поля на орбитальный магнитный момент электрона. Согласно правилу Ленца, в атоме возникает добавочный магнитный момент, направленный против поля (диамагнитный эффект).

Диамагнетизм присущ всем веществам, но выражен слабо. Он проявляется только тогда, когда спиновые моменты всех электронов в атоме взаимно скомпенсированы или диамагнитный эффект преобладает над нескомпенсированным спиновым моментом. К диамагнетикам относятся инертные газы, непереходные металлы (Be, Zn, Pb, Cu, Ag и др.), полупроводники (Ge, Si), диэлектрики (полимеры, стекла и др.), сверхпроводники.

Парамагнетики-материалы, которые имеют km > 0 (от 10 -2 до 10 -5) и слабо намагничиваются внешним полем. Намагниченность обусловлена наличием нескомпенсированных спиновых моментов электронов, которые разориентированы в пространстве из-за теплового движения атомов (рис. 32). Под воздействием внешнего поля магнитные моменты атома получают преимущественную ориентировку (парамагнитный эффект), и у кристалла появляется некоторая намагниченность. К парамагнетикам относятся металлы, атомы которых имеют нечетное число валентных электронов (К, Na, A1 и др.), переходные металлы (Mo, W, Ti, Pt и др.) с недостроенными электронными оболочками атомов.

104

Рис. 32. Схема ориентации магнитных моментов атомов различных материалов [2]

Ферромагнетики характеризуются большим значением магнитной восприимчивости (km » 1), а также ее нелинейной зависимостью от напряженности поля и температуры. Железо, никель, кобальт и редкоземельный металл гадолиний имеют чрезвычайно большое значение km ~ 106. Их способность сильно намагничиваться широко используется в технике.

Ферромагнетизм - результат обменного взаимодействия электронов недостроенных оболочек соседних атомов, перекрывающихся при образовании кристаллов. При этом электрон атома может временно находиться вблизи ядра соседнего атома.

Такое взаимодействие приводит к изменению энергетического состояния, и его оценивают обменной энергией. При положительном значении этой энергии более выгодным у атомов кристалла становится параллельная ориентация спиновых магнитных моментов; при отрицательном - антипараллельная. Величина и знак обменной энергии зависят от параметра кристаллической решетки, отнесенной к диаметру незаполненной электронной подоболочки. Согласно квантовой теории все основные свойства ферромагнетиков обусловлены доменной структурой их кристаллов.

105

Домен - это область кристалла размером 10-4 — 10-6 м, где магнитные моменты атомов ориентированы параллельно определенному кристаллографическому направлению. При отсутствии внешнего магнитного поля каждый домен спонтанно (самопроизвольно) намагничен до насыщения, но магнитные моменты отдельных доменов направлены различно и полный магнитный момент ферромагнетика равен нулю. Между доменами имеются переходные слои (доменные стенки) шириной 10-7 — 10-8 м, внутри которых спиновые магнитные моменты постепенно поворачиваются.

В антиферромагнетиках магнитные моменты атомов ориентируются антипараллельно, и результирующий момент равен нулю. Если же эти магнитные моменты не скомпенсированы, то возникает результирующий магнитный момент, и такой материал называют ферримагнетиком.

Магнитная индукция - плотность магнитного потока определяется как сумма внешнего Н и внутреннего М магнитных полей:

где магнитная постоянная μ0 = 4π ∙ 10 -7 Гн/м.

Интенсивность роста индукции при увеличении напряженности намагничивающего поля характеризует магнитная проницаемость μ. Она определяется как тангенс угла наклона к первичной кривой намагничивания B = f(H) (рис. 32).

При этом различают начальную магнитную проницаемость μн при Н ≈ 0 и максимальную μmax.

Процессы намагничивания полностью необратимы. Если магнитное поле, доведенное до +HS, уменьшать до нуля (см. рис. 33), то индукция сохранит определенное значение Вr, называемое остаточной индукцией.

106

Рис. 33. Петля гистерезиса ферромагнетика [1,2]

Намагничивание поликристалла полем обратного знака уменьшает индукцию В, и при напряженности поля Нс индукция падает до нуля. Напряженность магнитного поля, равная Нc, называется коэрцитивной силой. При перемагничивании от +Hs до -Hs и обратно кривые не совпадают. Площадь, ограниченная этими кривыми, определяет потери на гистерезис или перемагничивание.

Кривая намагничивания и форма петли гистерезиса - важнейшие характеристики ферромагнетика, так как они определяют основные его константы, а следовательно, и области применения.

Намагничивание в полях напряженностью меньше Hs называют техническим намагничиванием, а в полях с большей напряженностью - истинным намагничиванием, или парапроцессом. В последнем случае оставшиеся непараллельные магнитные моменты атомов ориентируются параллельно направлению поля.

При намагничивании в полях Н > Hs увеличивается и объем кристалла. Относительное изменение объема называют коэффициентом объемной магнитострикции парапроцесса λs. Он обычно мал, но у некоторых сплавов, называемых инварами, достигает значительных величин. Явление магнитострик-

107

ции используется при конструировании ультразвуковых генераторов волн и других магнитострикционных приборов.

Легко намагничиваются (малое значение Hs) химически чистые ферромагнитные металлы и однофазные сплавы на их основе. Количество кристаллических дефектов в них должно быть минимальным, например, границы кристаллов должны иметь минимальную протяженность, что обеспечивается крупнокристаллической структурой.

Если размер кристаллов ферромагнетика приближается к размерам доменов, то при намагничивании и размагничивании возможен только процесс вращения векторов намагничивания, что сопровождается небольшими изменениями намагниченности М и индукции В. Петля гистерезиса принимает прямоугольную форму.

Для намагничивания нежелательны дислокации и остаточные напряжения, для устранения которых в конце технологического процесса применяют термическую обработку - отжиг. Особенно вредны примеси, образующие в кристаллической решетке основного ферромагнетика примесные дефекты или собственные мелкодисперсные фазы. В обоих случаях смещение доменной стенки и вращение векторов намагничивания затрудняются.

2.5.1. Магнитно-мягкие материалы

Магнитно-мягкие материалы намагничиваются в слабых магнитных полях (H ≤ 5∙104 А/м) вследствие большой магнитной проницаемости (μ ≤ 88 мГн/м и μmax ≤ 300 мГн/м) и малых потерь на перемагничивание.

Такие материалы применяют для изготовления сердечников катушек, электромагнитов, трансформаторов, динамомашин.

При перемагничивании ферромагнетиков в магнитном поле возникает несколько видов энергетических потерь. По-

108

тери на гистерезис или перемагничивание для магнитномягких материалов невелики, в отличие от тепловых удельных потерь, связанных с возникновением токов Фуко.

В переменных полях появляется еще один вид потерь, как результат сдвига по фазе индукции В и напряженности поля Н.

Магнитно-мягкие материалы подразделяются на низко- и высокочастотные.

Низкочастотные магнитно-мягкие материалы в свою очередь подразделяют на низкочастотные с высокой индукцией насыщения Bs и низкочастотные с высокой магнитной проницаемостью μ (начальной μн и максимальной μmax).

Материалы с высокой индукцией насыщения. К ним прежде всего относятся железо, нелегированные и легированные электротехнические стали. Благодаря большой магнитной индукции, малой коэрцитивной силе, достаточно высокой магнитной проницаемости и хорошей технологичности их применяют в электротехнике для магнитных полей напряженностью от 102 до 5∙104 А/м.

Магнитные свойства железа приведены в таблице. Наибольшее количество примесей содержит технически

чистое железо. При содержании 0,02…0,04 %С и остальных примесей в количестве 0,6 % железо обладает достаточно хорошими магнитными свойствами. В процессе изготовления проката в железе возникают внутренние напряжения, а в решетке - большое количество дислокаций. Это ухудшает магнитные свойства. Отжиг в вакууме или водороде устраняет дефекты и напряжения.

109

Магнитные свойства железа

Электролитическое, переплавленное 0,01 — 79 7,2

в вакууме

Электролитическое 0,02 - 0,025 0,8 19 28

Существенное улучшение магнитных свойств можно получить после очистки железа от углерода и примесей электролизом. Такое железо, особенно переплавленное в вакууме, имеет более высокую магнитную проницаемость, которая почти на порядок выше, чем в технически чистом железе. В той же степени снижается Нс.

Наиболее чистое от углерода и примесей карбонильное железо получают термическим разложением в вакууме Fе(СО)5 - карбонила, с последующим спеканием порошка железа.

Карбонильное и электролитическое железо из-за сложной технологии используют только в изделиях небольших размеров.

Нелегированные электротехнические стали изготовляют теми же металлургическими способами, что и технически чистое железо; содержание углерода и примесей допускается в тех же количествах. Электротехнические стали поставляют с гарантированными магнитными свойствами для электротехнической промышленности. Промышленность выпускает, стали различного сортамента, в том числе тонкий лист.

110