Основные величины, характеризующие магнитные свойства.
Магнитные свойства
Эти свойства играют первостепенную роль в электромашиностроении. Железо и сталь обладают магнитными свойствами, т. е. они могут притягиваться магнитом и намагничиваться, поэтому из железа и стали изготовляют изделия, от которых требуются определенные магнитные свойства: например, постоянные магниты, сердечники трансформаторов, детали телефонных и телеграфных аппаратов и т. п. Наиболее важными характеристиками магнитных свойств металлов и сплавов являются магнитное насыщение и коэрцитивная сила. Способность стали намагничиваться под действием сильного магнита (магнитного поля) характеризуется магнитным насыщением, которое измеряется в гауссах.
Коэрцитивная, или задерживающая, сила показывает способность металла или сплава оставаться в намагниченном состоянии, т. е. сохранять магнитные свойства и после снятия воздействия внешнего магнитного поля. Коэрцитивная сила измеряется в эрстедах. Следует отметить, что численное значение магнитных характеристик металла в значительной мере зависит от способа его термической обработки. Теплопроводность. Способность тел проводить тепло при нагревании и охлаждении называется теплопроводностью. Это свойство важно для таких тел, которые должны передавать большие массы тепла или быстро отводить тепло (элементы котлов, нагревательные трубы, охлаждающие устройства). Чем больше теплопроводность металла, тем скорее и равномернее можно его нагреть или охладить. Тепловая обработка металлов, отличающихся плохой теплопроводностью, сопряжена с трудностями. Таким образом, это свойство металлов особенно важно при термической обработке.
Расширяемость при нагревании. Твердые тела при нагревании увеличивают свои размеры. О степени этого увеличения можно судить по величине, которая называется коэффициентом линейного расширения. Коэффициент линейного расширения показывает, на какую часть увеличится каждая единица длины тела при нагревании его на 1°. Коэффициент линейного расширения железа равен 0,000012. Следовательно, железный стержень длиной 1 м. при нагревании на 1° удлиняется на 0,000012 мм. Хотя величина коэффициента линейного расширения весьма незначительна, на практике при тепловой обработке изделий, имеющих большую длину, с этим свойством металлов приходится считаться. Расширение металлов при нагревании и сжатие их при охлаждении сопровождаются возникновением значительных усилий, которые могут оказать серьезное влияние на результаты термической обработки.
2. Виды магнетизма.
Основные понятия магнетизма
Магнитные свойства тел можно описать интенсивностью намагничивания (магнитный момент единицы объема) или индукцией В (измеренной в гауссах), т. е. суммой линий намагничивания и поля в функции напряженности внешнего поля Н (измеренного в эрстедах). Далее применяются еще две характеристики: восприимчивость и проницаемость. Знак и величина восприимчивости для вакуума, принимаемой за нуль вещества делятся: на диамагнитные с отрицательной восприимчивостью (проницаемость < 1), парамагнитные с положительной восприимчивостью (проницаемость > 1) и наконец, ферромагнитные с положительной восприимчивостью очень большой по величине (проницаемость 1).
У пара- и диамагнитных материалов намагничивание пропорционально напряженности магнитного поля, т. е. восприимчивость постоянна. Ее абсолютная величина невелика и имеет порядок 10А на практике такие слабые намагничивания не применяются, однако их изучение имеет все растущее значение для теоретического понимания строения металлов, так как там, где все другие методы отказываются служить, магнитный метод иногда дает необходимые данные.
Чисто феноменологическим отличием ферромагнетизма от парамагнетизма, имеющего восприимчивость того же знака, является сильное намагничивание и его зависимость от напряженности поля. Если ненамагниченный материал внести в магнитное поле, то с его увеличением, намагничивание будет более или менее круто возрастать по так называемой первоначальной кривой и, наконец, приблизится к некоторому предельному значению. Соответственно этому и проницаемость не является постоянной, а меняется по типичной кривой, от некоторого начального значения через максимум до значения 1. При обратном изменении поля, при Н = 0 сохраняется остаточное намагничивание В, которое исчезает лишь при наложении отрицательного поля с, называемого коэрцитивной силой Нс равно половине ширины петли гистерезиса). Площадь петли гистерезиса (графически большей частью изображается тальме половина петли) представляет превращенную в тепло работу намагничения между коэрцитивной силой, максимальной проницаемостью и остаточной индукцией.
Ход кривой намагничения и площадь петли гистерезиса у разных материалов весьма различны, что обусловливает возможность их разнообразного применения. Различие это может быть в высоте петли, т. е. максимальном намагничени. Так например, насыщение железа составляет 21 600 гаусс, тогда как у никеля только 6000. Независимо от этого, коэрцитивная сила в химически весьма сходных материалах изменяется от долей эрстеда до 1000 эрстед.
С ростом температуры магнитные свойству падают и, наконец, в точке магнитного превращения исчезают совсем. При этом потеря свойств и их возвращение совершенно обратимы лишь когда магнитное превращение сопровождается структурным, наступают явления гистерезиса.
Далее, для ферромагнетиков характерно изменение размеров при намагничении, называемое магнитострикцией, малое по своей абсолютной величине, но весьма различное у разных материалов. Так например, железо в направлении намагничения удлиняется, а никель укорачивается, в то время как в ряду Ре - Ш сплавов при 30% NT получается относительно большая, а при 80% Ni очень малая магнитострикция.
Помимо потерь гистерезиса при перемагничивании получаются еще потери вызываемое вихревыми токами. Величина их прямо пропорциональна индукции, квадрату частоты, коэффициенту формы тела (квадрату толщины листа) и обратно пропорциональна удельному электросопротивлению. В технике оба вида потерь определяются большей частью сразу и их сумма носит название ваттных потерь.
В очень сильных полях у некоторых диамагнитных веществ (Bi и др.) также наступают магнитофрикционные явления.
Диамагнетизм и парамагнетизм
Причиной всех магнитных явлений по современным представлениям являются электроны, при вращении которых вокруг своей оси возникает собственный магнитный момент (спиновый момент) и при движении вокруг атомного ядра - орбитальный.
В настоящее время считают, что в слабо магнитных материалах (на практике называемых немагнитными), магнетизм обусловлен электронной конфигурацией отдельных атомов. При этом пара- или диамагнетизм получается в зависимости от того, имеем мы дело с законченной или незаконченной электронной оболочкой. В кристаллических металлических веществах на магнетизм ионной решетки налагается магнетизм свободных электронов проводимости, причем возможна взаимная компенсация этих видов намагничения. Путем анализа магнитных явлений можно надеяться вывести заключение о связях атомов в кристаллической решетке, число отщепленных от них валентных электронов и т. д., но лишь в немногих случаях удается получить однозначный ответ.
Из большого числа экспериментальных данных мы можем ожидать, что ход восприимчивости какого-либо сплава, так же как и все другие физические свойства, будет в известной степени отражать фазовые соотношения 1 в нем. Многочисленные интерметаллические соединения между не железными металлами являются диамагнитными что, таким образом, указывает на замкнутость электронных оболочек. Далее сильно диамагнитны так называемые г-ф а в бинарных системах: медь, серебро, золото с цинком, оловом, алюминием и т. д., решетка которых характеризуется определенным соотношением между атомами и валентными электронами (правило Юма-Розери). В рядах твердых растворов получаются изменения магнитного момента в сравнении с чистыми металлами: Так например, сильно парамагнитный палладий, растворяясь в Ап или Pt, сначала дает магнитный момент, равный нулю, и лишь при более высоких содержаниях палладия наступает парамагнетизм. Фазы с упорядоченным расположением атомов отличаются особой восприимчивостью. При дисперсионном твердении также наблюдаются отклонения. Напротив, влияние холодной обработки, многократно исследованное за последние годы, сводится к вторичному эффекту, вызванному загрязнением металла железом и хазами.
Теория ферромагнетизма
По современным взглядам ферромагнетизм не является свойством отдельного атома, а присущ лишь целому атомному комплексу, в особенности если таковой образован кристаллической решетке при этом, исходя из модельных представлений, уже давно развиваемых Вейссом, принимают, что ферромагнитные кристаллы состоят из отдельных областей, в которых, даже в отсутствие внешнего поля, элементарные магнитики (спиновые моменты электронов) направлены параллельно, поэтому каждая такая область намагничена до насыщения. Обычно эти области спонтанного намагничения ориентированы без порядочно и потому кристалл в целом не намагничен.
Лишь под действием внешнего поля области поворачиваются в его направлении, и в результате получается намагничение, используемое при обычных условиях в технике. Силы, вызывающие спонтанное намагничение, по новой квантовой теории (Гейзенберг), идентичны с силами связи валентных электронов. Поэтому в соответствии с опытом понятно, что величина намагничения при насыщении и точка Кюри главным образом зависят от электронной конфигурации - атомов, т. е. от свойства, определяющего химическую валентность.
Совершенно иначе обстоит с намагничением в средней и начальной части кривой, т. е. там, где имеют место явления гистерезиса, которые обусловлены силами, препятствующими повороту элементарных областей в направлении поля. После многочисленных безуспешных попыток объяснения гистерезиса из строения атома, процессов трения и т. п. последние годы привели к новому пониманию. Сущность современных взглядов состоит в том, что причину явлений гистерезиса следует искать в нарушениях идеальности строения решетки (искажения решетки) и в особенности во внутренних натяжениях.
Герлах и ранее Мак Кихан первые указали на известную связь между изменениями длины, вызываемыми намагничением (магнитострикция) и проницаемостью. Куссману и Шарнову удалось установить основную зависимость гистерезиса от структуры. При этом было показано, что гистерезис вызывается не химическими особенностями сплава, а исключительно структурными напряжениями вследствие объемных изменений, гетерогенной структурой и т. п. Затем теоретические основы теории напряжений были даны Акуйовым, Беккером-Керстеном, Блохом. Указанные авторы исходили из представления, что имеющиеся в решетке растяжения и сжатия обусловливают преимущественные направления намагничения и что в этом случае при намагничении должна совершаться работа против сил магнитострикции. Поясняют, как следует представлять в случае однородного напряженного состояния получение типичных кривых намагничения, причем можно даже количественно рассчитать изменение намагничения от напряженности поля и внутренних натяжений.
Изложенные воззрения на природу ферромагнетизма и его зависимость от состояния кристаллической решетки позволяют рассмотреть ж хотя бы с одной точки зрения большое число отдельных магнитных; явлений. При этом мы делаем принципиальное различие между свойствами в сильных, средних и слабых полях.
Насыщение и строение
Рассматривая намагничение при насыщении и соответственно ход кривой намагничения в системных полях, мы видим, что и то и другое определяются главным образом химическим составом сплава, а также родом и количеством ферромагнитных фаз.
При введении в решетку ферромагнетика посторонних атомов, т. е. при получении твердого раствора неферромагнитного вещества в ферромагнитном, насыщение обычно непрерывно падает. Это продолжается до тех пор, пока благодаря понижению точки магнитного превращения до комнатной температуры или ниже или из-за появления немагнитной фазы рассматриваемая система станет немагнитной. Величина понижения точки превращения известным образом связана с положением вводимого элемента в периодической системе.
Соединения и промежуточные фазы ферромагнитных металлов с другими металлами, как правило, немагнитны; наоборот, соединения металлоидами в большинство ферромагнитых. С другой стороны, если прибавлять к немагнитным веществам ферромагнитные то до тех пор пока последние входят в твердый раствор и не возникает новой ферромагнитной фазы, материал остается немагнитным. Так например, медь при прибавлении до 40% входящего в твердый раствор никеля немагнитна, но даже ничтожные количества железа вызывают ферромагнетизм, так как железо выделяется в виде отдельной фазы.
Далее, сильные изменения намагничения при насыщении вызываются процессами превращений, т. е. во всех тех случаях, когда наступает геометрическая перегруппировка пространственной решетки или изменение в системе валентных электронов. Наблюдающиеся при этом явления по своей природе очень различны и вследствие незначительности наших познаний иногда не могут быть предсказаны. Так например, а-железо ферромагнитно, а т железо - немагнитно.
Далее, ферромагнитные твердые растворы в железе стеклометрического состава, как например FeCr и FeV , при более низкий температурах переходят от одной формы решетки к другой и при этом становятся немагнитными.
Встречаются также противоположные случаи, когда с упорядочением расположения атомов магнетизм сильно возрастает. В качестве примера можно указать на железоникелевые сплавы вблизи соединения Xi3Fe , или на сплавы железо - платина вблизи соединения Fe - Pt. При этом, даже из уже немагнитного (при комнатной температуре) твердого раствора, получается за счет сильного повышения точки Кюри ферромагнитная фаза, как например в сплаве состава вблизи ШзМп. Нечто подобное имеет место в железокобальтовых сплавах состава FeCo, однако на их превращения при охлаждении нельзя влиять произвольно из-за отсутствия у них способности к переохлаждению.
В сплавах, не содержащих ферромагнитных элементов, иногда все-таки возникает ферромагнетизм. Это бывает, когда в состав входит один из соседей железа в периодической системе, т. е. марганец или хром. Особенно часто по исследованиям Хильперта, Ведекинда и других обнаруживают ферромагнетизм соединения марганца и хрома. Предпосылкой к этому, по-видимому, является некоторое минимальное содержание Mn или Cr.
В гетерогенных смесях падение величины насыщения пропорционально относительному содержанию ферромагнитной фазы. Это дает нам возможность при превращениях, гетерогенных реакциях и пр. иметь количественные представления о соотношениях фаз изменении их равновесия и т. д.
Гистерезис и строение
Совершенно иначе зависят от структуры первоначальная кривая намагничения, петля гистерезиса и соответственно определяемые ими величины коэрцитивной силы, начальной и максимальной проницаемости и т. д. Как уже было сказано, эти характеристики определяются исключительно упругими искажениями пространственной решетки, связанными с внутренними натяжениями. Поэтому всякие изменения состава и структуры влияют лишь через посредство указанных натяжений. Пытаясь оценить действие натяжений на величину петли гистерезиса, можно сказать приблизительно следующее.
При введении элемента в твердый раствор коэрцитивная сила сама по себе не меняется. Поэтому принципиально в твердом растворе упругие натяжения могут возникнуть лишь вследствие магнитострикции однако практически все-таки получается большее или меньшее уширение петли гистерезиса. Причиной этого являются вкрапленные гетерогенные включения в металле. Прованные газы, тепловые напряжения и т. д., причем коэрцитивная сила тем больше, чем больше произведение магнитострикции на упругое натяжение.
Значительных влияний можно также ожидать от всякой пластической деформации. При этом коэрцитивная сила увеличивается в несколько раз, проницаемость же, наоборот, падает, т. е. петля гистерезиса расширяется и делается более пологой. Между степенью обработки и изменением отдельных магнитных характеристик существует функциональная зависимость. После отжига при повышенных температурах (рекристаллизация) измененные магнитные характеристики, почти параллельно с механическими (сопротивление разрыву и твердость)^ снова возвращаются к нормальному значению. Поэтому их измерение на деформированном материале и на отожженном может дать представление о степени упрочнения и его обратном ходе.
Далее натяжения получаются вследствие превращений решетки, известным примером чего является образование мартенсита. Напротив, процессы перегруппировки внутри самой решетки, т. е. процессы атомного упорядочения (сверхструктурные превращения), не оказывают существенного влияния на петлю гистерезиса.
Наконец, вследствие различного термического расширения, сжатия и т. д. у каждого рода кристаллов напряжения должны существовать во всякой гетерогенной смеси. Поэтому при переходе в какой-либо системе граншда растворимости коэрцитивная сила резко возрастает, причем ширина петли гистерезиса определяется величиной объема и поверхности выделившейся фазы. Вследствие этого наиболее сильное воздействие гетерогенной фазы получится в случае ее очень мелкого распределения, тогда как при коагуляции и собирании фазы по границам зерен коэрцитивная сила снова уменьшается. Так например, в углеродистой стали цементит в мелкопластинчатой форме больше повышает коэрцитивную силу железа, чем в виде крупных пластинок. Таким образом двухфазной кривой, ограничивающей поле, строго говоря, соответствует не однозначная кривая коэрцитивной силы, а более или менее расширенная область значений, получающихся в зависимости от различной формы и распределения выделившейся фазы.
Выделение фазы в твердом состоянии
Особенно мелкое и равномерное распределение выделившихся кристаллов растворенного вещества в основной массе в настоящее время известно у сплавов, способных подобно дуралюмину к выделению фазы в твердом состоянии. Согласно сказанному выше можно сразу же предсказать основные магнитные свойства таких сплавов, когда при термической обработке они переходят из гомогенного в гетерогенное состояние. Твердому раствору в закаленном состоянии соответствует узкая петля гистерезиса. Наоборот, по мере выделения при отпуске второй фазы петля расширяется, т. е. коэрцитивная сила растет, причем этот рост зависит от количества и формы выделившейся фазы, а также от особого влияния основного вещества. Важнейшими примерами материалов, в которых имеют место подобные процессы, являются наряду с уже давно известными гейсдеровыми сплавами. Новые стали для постоянных магнитов, основанные на дисперсионном выделении, так же как и некоторые специальные сплавы в технике связи.
Особенно сложные соотношения получаются, наконец, при наложении различных напряжений, например от холодной обработки и выделения. Вследствие этого могут образоваться выделения с некоторым преимущественным направлением внутренних натяжений.
Если мы обратимся к описанию применяемых в технике магнитных материалов, то их целесообразно разделить на две группы в соответствии с двумя противоположными состояниями с узкой и широкой петлей гистерезиса. Узкая петля гистерезиса необходима для якорей и сердечников динамомашин, которые должны сильно намагничиваться в возможно малых полях и иметь малые потери при перемагничивании.
Широкая петля (высокая остаточная индукция и коэрцитивная сила) требуется, прежде всего для постоянных магнитов, которые должны сохранять сообщенное им однажды намагничение. В техническом языке обе группы различаются как мягкие (высокопроницаемые) и твердые магнитные материалы. Некоторые сплавы отличаются помимо того особыми магнитными свойствами.
Мягкие магнитные материалы
Чтобы свести к минимуму потери на гистерезис, необходимо согласно вышесказанному отсутствие в материале натяжений как структурных (вследствие гетерогенных примесей, холодной обработки и т. д.), так и вызываемых магнитострикцией. Этому требованию удовлетворяют лишь возможно чистые металлы или твердые растворы в подходящем с указанной точки зрения состоянии. Под таким углом и следует понимать все вопросы состава, очистки и термической обработки сплавов. В случаях когда не предъявляется особых требований к механическим свойствам и к ходу проницаемости в слабых полях, нелегированное железо вследствие высокого насыщения имеет наибольшие преимущества как материал для магнитопровода.
Показывает приблизительный ход кривой намагничения железа. В то время как выше перегиба различные сорта железа лишь несущественно отличаются друг от друга, ход кривой в начальной и средней частях, характеризующийся величинами начальной проницаемости, максимальной проницаемости и коэрцитивной силы Нс, может различаться в широких пределах в зависимости от степени чистоты металла и в особенности от содержания углерода и кислорода. Железо очень высокой чистоты, с 10-2000, в последнее время изготовляется в технических масштабах путем спекания порошка железа, полученного химическим путем (варбониловое железо).
В конструкциях, к которым предъявляются высокие механические требования, употребляются сорта железа, более богатые углеродом (стальное литье и чугун), вследствие чего понижаются как насыщение, так и одновременно из-за гетерогенной структуры и проницаемость. Падение проницаемости зависит от количества и формы углерода (цементит или графит). Во всех случаях намагничения переменным током (динамомашины, трансформаторы) чистое железо непригодно вследствие малого электросопротивления и связанных с ним потерь на вихревые токи.
Для этих целей более всего употребляется железо с добавкой 5-4,5% Si, впервые введенное технику Гумлихом. Помимо уменьшения потерь на токи Фуко кремний способствует металлургической очистке железа (раскисление) и благоприятно влияет на структуру (переводит цементит в углерод отжига). Наглядно представляет влияние кремния на физические свойства железа. В электротехнике кремнистое железо употребляется лишь в виде листов (DIN - VDE 6400) четырех различных сортов, отличающихся содержанием кремния. Петли гистерезиса этого материала соответствуют очень хорошему мягкому железу, а общие потери при толщине 0,35 мм и индукции 10000 гаусс составляют только около 1 W/кг (у высоколегированного кремнистого железа) против 7-8 W\кг у обычного железа.