Исследование влияния намагниченности на физико-механические свойства материалов

Термодинамически устойчивым состоянием ферромагнитного тела (при отсутствии магнитного поля) является то, при котором оно разбивается на отдельные малые объемы – области самопроизвольной намагниченности (домены). Всякий ферромагнитный образец представляет собой конгломерат множеств таких областей, каждая из которых намагничена до насыщения в некотором направлении, обычно отличном от направления в соседних областях. Результирующая сумма всех намагниченностей областей равна нулю. При помещении ферромагнитного тела в магнитное поле в нем происходит перераспределение магнитных моментов областей, в результате чего намагниченность всего тела в целом возрастает. Характерной особенностью ферромагнетиков является то, что они во внешних слабых магнитных полях намагничиваются почти до полного насыщения т.е. почти до полной ориента- ции магнитных моментов атомов. В зависимости от величины магнитных полей различают следующие области намагничивания (рисунок 1).

При магнитном воздействии вещество изменяет свои физические и механические свойства [1–8]. При намагничивании (или повторном намагничивании) в структуре ферромагнитных деталей за счет энергии намагничивания происходят два процесса: процесс смещения границ доменов, состоящий в росте их объемов, у которых намагниченность ориентирована близко к направлению поля за счет изменения объема соседних доменов, что повышает теплопроводность образцов; процесс изменения направления самопроизвольной намагниченности отдельных доменов и кристаллитов путем поворота вектора намагниченности, вследствие чего повышаются вязкость и износостойкость материала.

Напряженность магнитного поля Н

• 1    – область смещения – в слабых магнитных полях;

• 2    – область вращения – в более сильных магнитных полях;

• 3    – область парапроцесса – в полях выше технического насыщения Рисунок 1 – Области намагничивания

В физике известно явление магнитострикции: изменение формы и размеров тела при его намагничивании. Основными типами взаимодействий в ферромагнетике являются электрические (обменные) и магнитные силы. В ферромагнетике возможны два вида магнитострикции:

• – за счет изменения обменных сил;

  – за счет изменения магнитных сил в решетке.

В области смещения и вращения в основном имеют дело с магнитострикцией, вызванной магнитными силами решетки, т.е. магнитные силы в решетке проявляют себя в интервале магнитных полей от 0 до поля, соответствующего техническому насыщению. Магнитострикцию за счет обменных сил наблюдают в области парапроцесса, где достигает технического насыщения (в поле насыщения). Магнитострикционные деформации, вызываемые обменными и магнитными силами, проявляются не только при помещении ферромагнетика в магнитное поле, но и при его нагревании.

Для железных тел продольная магнитострикция в слабом магнитном поле имеет положительный знак (тело удлиняется), а в более сильном знак меняется на отрицательный (тело укорачивается).

Поэтому можно предположить, что при магнитном воздействии тело (деталь) изменяет свои физические свойства, в частности, микротвердость вещества.

Кроме воздействия внешнего магнитного поля, на детали машин воздействуют динамические нагрузки, возникающие в различных эксплуатационных условиях. Под влиянием упругих деформаций в области смещения и вращения магнитных доминов изменяется намагниченность, что объясняется упорядочением ориентации областей самопроизвольной намагниченности. Основой этого явления в магнетиках, к числу которых относится большинство конструкционных материалов, служит магнитоупругий эффект (явление обратное магнитострикции).

Таким образом можно заключить, что современные детали машин, изготовленные из магнитных материалов и испытывающие динамические нагрузки, должны приводить к изменению намагниченности сопряженных деталей, и следовательно, к появлению переменного магнитного поля.

Магнитоупругий эффект и магнитострикция влияют на физико-механические свойства материалов. В настоящее время в промышленности применяют для магнитной обработки инструмента, заготовок и деталей машин два способа:

• 1)    обработка постоянным статическим магнитным полем (ОСМП) напряженностью до 1000 кА/м при длительности воздействия 10–300 с;

• 2)    магнито-импульсная обработка (МИО) полем напряженностью до 2000 кА/м при длительности импульса 0,1–10 с.

Обработку ОСМП применяют при изготовлении магнитной оснастки. Для снятия напряжений в деталях машин проводят МИО. Магнитное поле в сочетании с термообработкой используют для улучшения структуры вещества, для превращений 1-го и 2-го рода и уменьшения избыточной энергии. Например, сочетание магнитной обработки с криогенной технологией (обработка холодом) используют для упрочнения инструмента и деталей из сплавов, содержащих остаточный аустенит и другие фазы, которые могут направленно распадаться, образуя более устойчивую структуру [9]. При этих способах взаимодействие импульсного магнитного поля с заготов- кой происходит в области парапроцесса, т.е. в полях технического насыщения. Обработка МИО приводит к увеличению износостойкости и микротвердости детали [9].

Процессы, происходящие при намагничивании в области смещения и вращения, изучены мало, поэтому целью данной работы являлось изучение влияния намагниченности на физико-механические свойства в слабых магнитных полях.

Для экспериментального изучения механических свойств при намагничивании использовались подготовленные образцы из стали 45. Исследовались образцы до и после намагничивания на приборе для определения микротвердости ПМТ-3. Микротвердость измерялась в 25 различных местах на расстоянии 0,4 мм и 1,2 мм от периметра опытного образца. Далее методами математической статистики определялось среднее значение микротвердости И среднеквадратическое отклонение σ и коэффициент вариации V . Для намагничивания использовали соленоид с плавкой вставкой в цепи. Вставка, перегорая, позволяет получить импульсное намагничивание опытных образцов (рисунок 2).

1 – соленоид; 2 – опытный образец; 3 – плавкая вставка

Рисунок 2 – Схема процесса наведения внешним полем напряженностью Н в образце полости соленоида

Энергия магнитного поля Е, Дж, развиваемая соленоидом,

E = K(Б·Н)V, где К – коэффициент, учитывающий потери энергии;

Б – магнитная индукции в соленоиде, Тл;

Н – напряженность магнитного поля, А/м;

V – объем пространства, где концентрируется магнитное поле, м.

Намагниченность опытных образцов определялась миллитесламетром ТП2-2У и могла изменяться переустановкой плавкой вставки с различным диаметром.

Поисковые исследования позволили получить первые опытные данные (таблица 1).

Из таблицы 1 видно, что в областях смещения и вращения микротвердость намагниченных образцов несколько снижается, что объясняется магнитострикционной природой этих явлений.

Таблица 1 – Опытные данные по намагничиванию ферромагнитных образцов

Место измерения	Опытные образцы без намагничивания	Опытные образцы с намагничиванием
	Статистические данные	Величина намагничивания	Статистические данные
Отступ от периметра образца 0,4 мм	= 336,4 кг/мм 2 σ = 40,2 кг/мм 2 V = 0,46	0,9 мТ л	Й и =299,82 кг/мм 2 σ = 17,1 кг/мм 2 V = 0,57
Отступ от периметра образца 1,2 мм	и и =314 кг/мм 2 σ = 41,7 кг/мм 2 V = 0,42	0,9 мТ л	= 301 кг/мм 2 σ = 20,98 кг/мм 2 V = 0,466

Исследования позволили сделать выводы:

– явления магнитострикции и магнитоупругий эффект приводят к изменению механических свойств ферромагнетиков;

– для стальных образцов при магнитострикции в слабых магнитных полях (в области смещения) тело удлиняется, а в более сильных (область парапроцесса) – укорачивается. Следовательно в зависимости от намагничиваемости должны изменятся и механические свойства ферромагнетиков, в частности их микротвердость;

– при магнитной обработке инструмента из быстрорежущей стали в сильных магнитных полях повышаются микротвердость и теплопроводимость материала [1]. В этом случае взаимодействие магнитного поля с деталью происходит в полях технического насыщения;

– физико-механические свойства деталей при намагничивании в областях смещения и вращения изучены недостаточно;

– экспериментальные исследования микротвердости в слабых полях намагничивания позволили определить, что микротвердость до и после намагничивания изменяется;

– для стали 45 микротвердость в областях смещения и вращения имеет тенденцию к снижению;

– необходимо продолжить эксперименты при различной намагниченности для образцов из различных материалов.