Методичка по магнитному контролю. Руководство по разработке технологической карты по магнитопорошковому контролю, приведены тесты для подготовки к сдаче экзаменов по магнитному контролю
 Скачать 3.16 Mb.
|
|
1.4. Домены. Особенности намагничивания ферромагнетиков Что такое домен? Ферромагнитные свойства вещества определяются не магнитными свойствами отдельных атомов или молекул, а свойствами целых областей, называемых доменами (небольшие объемы вещества, содержащие значительное количество атомов). Взаимодействие магнитных моментов отдельных атомов ферромагнетика приводит к созданию очень сильных внутренних магнитных полей, действующих в пределах каждой такой области и выстраивающих в пределах домена все атомные магнитики параллельно друг другу. Таким образом, даже при отсутствии внешнего магнитного поля ферромагнитное вещество состоит из ряда отдельных областей, каждая из которых при обычных температурах самопроизвольно намагничена почти до насыщения. Однако 21 направление намагниченности разных областей различно, поэтому вследствие хаотичности распределения этих областей тело в целом при отсутствии внешнего поля оказывается ненамагниченным. Под действием внешнего поля происходит перестройка таких областей, в результате которой преимущество получают те области, которые намагничены вдоль поля и вещество в целом оказывается намагниченным. Таким образом, домены – это макроскопические области ферромагнетика с самопроизвольной намагниченностью, на которые он разделяется при темпе- ратурах ниже точки Кюри в отсутствие внешнего магнитного поля. Средний размер этих областей составляет от 0,001 до 0,0025 мм, хотя по разным источникам эти данные сильно отличаются. При обычных температурах даже в отсутствие внешнего поля домены намагничены до насыщения. Магнитные моменты в отдельных доменах ориентированы различно, а потому магнитный момент большого объема ферромагнетика равен нулю. При внесении ферромагнетика во внешнее магнитное поле сразу целые области спонтанного (самопроизвольного) намагничивания, а не магнитные моменты отдельных атомов, как в парамагнитных телах, начинают поворачиваться и ориентироваться по полю. Поэтому с ростом Н магнитная индукция возрастает очень быстро, а магнитная проницаемость имеет большое значение в слабых полях. Так как домены в направлении поля поворачиваются скачком, то кривая намагничивания (в области наибольших магнитных проницаемостей) имеет ступенчатый вид, что можно обнаружить высокочувствительными методами исследования. В достаточно сильных магнитных полях все домены поворачиваются вдоль поля, и наступает магнитное насыщение. При выключении внешнего магнитного поля единственным фактором, влияющим на ориентацию доменов, остается тепловое движение, которое будет дезориен- тировать домены. Однако вследствие значительной энергии, необходимой для поворота доменов, процесс размагничивания будет затруднен. Этим и вызывается гистерезис. Что называют монокристаллом? Монокристалл – это одиночный кристалл, частицы которого расположены единообразно по всему объему. Как и всякий кристалл, монокристалл имеет периодически повторяющееся расположение составляющих его частиц – кристаллическую решетку. В отличие от аморфных тел, имеющих хаотическое расположение атомов (ионов), в кристаллических телах атомы располагаются в пространстве закономерно и периодически. В поликристаллическом металле отдельные кристаллы не имеют возможности принять правильную форму, такие кристаллы неправильной формы называются зернами или кристаллитами. 22 Если большинство кристаллов ориентированы в пространстве одинаково, то такая преимущественная ориентировка кристаллов называется текстурой. Текстура может быть получена при затвердевании металла, при его пластической деформации, электролизе и т. д. Одинаково ли намагничивается монокристалл железа вдоль различных кристаллографических направлений? Нет, в ферромагнитных кристаллах существует магнитная анизотропия. Железо кристаллизуется в виде кубической объемноцентрированной решетки при температурах до 910 °С (рис. 1.14). На рис. 1.15 представлены кривые намагничивания монокристалла железа вдоль различных кристаллографических направлений: 1 – вдоль ребра куба; 2 – вдоль диагонали грани; 3 – вдоль пространственной диагонали куба. Рис. 1.14. Обозначение осей в кубической объемноцентрированной кристаллической решетке Рис. 1.15. Кривые намагничивания монокристалла железа вдоль различных кристаллографических направлений Как видно из рис. 1.15, для железа работа намагничивания вдоль ребра куба наименьшая (заштрихованная область), а вдоль пространственной диагонали – наибольшая. Поэтому направление, совпадающее с ребром куба, называют направлением легкого, а с пространственной диагональю – трудного намагничивания. Изложенное относится к железу с объемноцентрированной решеткой. Следует отметить, что кубическую объемноцентрированную решетку, кроме железа, имеют ванадий, хром, молибден и другие металлы. Железо при температурах 910…1400 °С имеет гранецентрированную решетку. Гранецентрированную решетку имеют также медь, алюминий, никель, свинец, серебро и другие металлы. 23 Что происходит в монокристалле железа при намагничивании его сильным полем вдоль направления легкого намагничивания? Некоторые области самопроизвольной намагниченности ( домены) окажутся в более выгодном положении относительно поля, чем другие, т. к. направление намагниченности в них будет совпадать с направлением поля, что соответствует минимуму энергии (рис. 1.16). Эти области начнут расти за счет областей, ориентированных менее выгодно. Рост доменов будет происходить путем смещения границ между ними по направлению к середине областей, намагниченных антипараллельно полю. Смещение границ будет происходить до тех пор, пока не исчезнут домены, намагниченные антипараллельно полю. Останется один домен величиной с монокристалл. Рис. 1.16. К пояснению роста доменов в монокристалле ферромагнетика, намагниченного вдоль оси легкого намагничивания Из изложенного следует, что некорректно говорить об объеме, занимаемом доменом, в монокристалле железа. Что происходит в монокристалле ферромагнетика, если намагни- чивающее поле направлено под углом к оси легкого намагничивания? После завершения процесса смещения границ доменов и образования одного домена размером с монокристалл начнется вращение вектора спонтанной намагниченности в кристалле по направлению к вектору намагничивающего поля до совпадения с ним (рис. 1.17). Рис. 1.17. Пояснение процессов, происходящих в монокристалле ферромагнетика, намагниченного вдоль оси легкого намагничивания 24 Что происходит в монокристалле ферромагнетика при температуре, равной абсолютному нулю? При температуре, равной абсолютному нулю, все спины в домене будут ориентированы одинаково, параллельно одному из направлений легкого намагничивания (рис. 1.18). Рис. 1.18. Ориентация спинов в домене ферромагнетика при температуре, равной абсолютному нулю Что произойдет в монокристалле ферромагнетика, если его температура возрастет от абсолютного нуля до точки Кюри? С возрастанием температуры величина спонтанной намагниченности будет убывать. Физически это означает, что некоторые спины внутри домена будут переходить в положение, антипараллельное спонтанной намагниченности. В точке Кюри число параллельно и антипараллельно намагниченных спинов становится одинаковым (рис. 1.19). Рис. 1.19. Ориентация спинов в монокристалле ферромагнетика при температуре, равной точке Кюри Спонтанная намагниченность становится равной нулю. При этом магнитная проницаемость материала резко падает до значения, близкого к единице. Такая переориентация спинов при повышении температуры обусловлена дезориентирующим действием теплового движения. Ее можно гасить 25 ориентирующим действием приложенного сильного магнитного поля. Это явление называется парапроцессом Что происходит в ферромагнетике при намагничивании слабым магнитным полем? В слабых магнитных полях (область начального, или обратимого, намагничивания) намагниченность и индукция пропорциональны напряжен- ности поля. Особенностью этой области является обратимость процессов намагничивания при убывании или возрастании намагничивающего поля. То есть если под действием намагничивающего поля Н магнитная индукция в образце достигнет величины В , а намагниченность – величины М , то после уменьшения напряженности поля до нуля и индукция, и намагниченность станут равными нулю. Обратимость процессов намагничивания при убывании или возрастании намагничивающего поля обусловлена упругим смещением границ доменов. Какие особенности намагничивания ферромагнетика в области Релея? В области Рэлея наблюдается нелинейная зависимость магнитной индук- ции В и намагниченности М от напряженности поля. При намагничивании в этой области частично происходит упругое смещение границ доменов. Однако основную роль играют процессы изменения направления вектора М в пре- делах доменов. Протекающие в этой области процессы не являются пол- ностью обратимыми. Что происходит в ферромагнетике при намагничивании в области наибольших магнитных проницаемостей? В этой области наблюдается резкое возрастание намагниченности ферромагнетика. Причем намагниченность изменяется скачками ( скачки Баркгаузена ). Скачки Баркгаузена связаны с необратимым смещением границ между доменами. В конце этой области, наряду с процессами смещения, заметную роль играют процессы вращения вектора намагниченности в домене. Что происходит в ферромагнетике в области приближения к насыщению? Увеличение намагниченности в этой области происходит в основном из-за уменьшения угла между вектором намагниченности доменов и векто- ром внешнего поля. Происходящие в этой области процессы не явля- ются обратимыми. 26 Что происходит в ферромагнетике при его намагничивании в области парапроцесса? Незначительное увеличение намагниченности в этой области происходит вследствие уменьшения дезориентирующего действия теплового движения на магнитные домены за счет сильного приложенного магнитного поля. 1.5. Петля гистерезиса. Коэрцитивная сила. Частные циклы гистерезиса Что такое петля гистерезиса? Если после достижения в процессе намагничивания образца некоторой величины намагниченности М (или индукции В ) уменьшить величину напряженности магнитного поля, то намагниченность (индукция) будет изменяться по кривой, отличной от кривой первоначального намагничивания. Это объясняется тем, что из-за больших по сравнению с атомами размеров доменов процесс их переориентации в магнитном поле происходит с большими затруднениями, чем процесс ориентации (дезориентации) отдельных молекул или атомов, что имеет место в парамагнитных и диамагнитных объектах. Поэтому намагничивание и размагничивание ферромагнетика происходит с отставанием от изменения внешнего поля. То есть происходит гистерезис при намагничивании и размагничивании ферромагнитных материалов. Процесс перемагничивания ферромагнетика является обратимым только в областях начального намагничивания и парапроцесса. Если напряженность поля изменилась от нуля до некоторого значения max H , затем до – max H и снова до max H , то кривая В = f ( Н ) называется симметричной петлей гистерезиса (рис. 1.20, а ). Точки пересечения петли гистерезиса с осью ординат и осью абсцисс определяют значения остаточной индукции r B и коэрцитивной силы c H соответственно. На рис. 1.20, а показана петля для симметричного цикла магнитного гистерезиса, т. е. когда 2 1 H H Если + max H – max H , то петля гистерезиса будет построена для несимметричного цикла (рис. 1.20, б ). Заштрихован установившийся частный цикл гистерезиса. За один полный цикл изменения напряженности поля расходуется энергия, пропорциональная площади петли гистерезиса. Какая петля гистерезиса называется предельной? Петля гистерезиса, имеющая максимальную площадь, называется пре- дельной. В вершинах А и А предельной петли гистерезиса все домены ориентированы вдоль вектора напряженности магнитного поля (см. рис. 1.5). 27 Дальнейшее увеличение напряженности поля приводит лишь к увеличению ее безгистерезисных участков. а) б) Рис. 1.20. Петля магнитного гистерезиса ферромагнетика для симметричного ( а) и несимметричного ( б) цикла Что такое коэрцитивная сила по намагниченности? Это величина, равная напряженности магнитного поля, необходимого для изменения намагниченности от остаточной намагниченности до нуля. Обозначается cM H . Коэрцитивная сила ферромагнитного объекта сильно зависит от его структуры. Так, если монокристалл чистого железа имеет c H 1 А/м, то частицы магнитного порошка из того же материала с размером частиц 20 10 -9 м имеют c H 810 4 А/м. Коэрцитивная сила является одной из наиболее структурно-чувствительных характеристик магнитных свойств ферромагнитных материалов. Поэтому ее используют для контроля качества термической и химико-термической обработки, по ней может быть определено соответствие твердости, глубины цементированного и поверхностно-закаленного слоя токами высокой частоты. По коэрцитивной силе может также проводиться сортировка углеродистых сталей по маркам. В некоторых случаях могут быть определены и отдельные механические характеристики ферромагнитных материалов. Все это возможно только в тех случаях, когда между определяемым параметром и коэрцитивной силой существует однозначная корреляционная зависимость. Дайте определение коэрцитивной силы по индукции. Величина, равная напряженности магнитного поля, необходимой для изменения индукции от остаточной индукции до нуля, называется коэрцитивной 28 силой по индукции. Обозначается cB H . Численно коэрцитивная сила равна напряженности магнитного поля, при которой дифференциальная магнитная проницаемость достигает максимума. Значения коэрцитивной силы по индукции и по намагниченности близки только для магнитно-мягких материалов. При магнитном контроле в основном используют коэрцитив- ную силу по индукции Какими свойствами обладают магнитно-мягкие и магнитно-жесткие материалы? Магнитно-мягкие материалы намагничиваются до насыщения в очень слабых полях, имеют высокую магнитную проницаемость, узкую петлю гистерезиса, а значит, малые потери на перемагничивание. Поэтому из магнит- но-мягких материалов изготовляют, например, сердечники электрических машин, трансформаторов, дросселей, работающих в переменных маг- нитных полях. Магнитно-жесткие (или магнитотвердые ) материалы характеризуются широкой петлей гистерезиса. Они имеют большие значения коэрцитивной силы и остаточной намагниченности. Эти материалы применяют для изготовления постоянных магнитов. Сравнивая характеристики магнитно-мягких и магнитно-жестких материалов, можно прийти к выводу, что индукция насыщения и остаточная индукция для них примерно одинаковы, а отличие коэрцитивной силы достигает очень большой величины. Границы значений коэрцитивной силы, по которым материал можно отнести к магнитно-мягким или магнитно-жестким, являются условными. Можно считать, что если 0,4 А/м c H 800 А/м, то материал магнитно-мягкий , а если 4 кА/м c H 400 кА/м, то магнитно-жесткий Термины «магнитно-жесткий» и «магнитно-мягкий» не характеризуют механические свойства материала. Какие циклы гистерезиса называются частными? Начиная с некоторого значения max H площадь петли гистерезиса достигает наибольших размеров. Такая петля называется предельной. Дальнейшее увеличение максимальной напряженности поля приводит лишь к удлинению ее безгистерезисных участков. Все циклы гистерезиса, кроме предельного, называют- ся частными (рис. 1.21). Они могут быть как симметричными (см. рис. 1.21, а ), так и несимметричными (см. рис. 1.21, б ). В последнем случае max H min H Частный цикл гистерезиса может находиться в любом квадранте системы 29 координат MОH или ВОН, пересекать оси абсцисс и ординат (см. рис. 1.21, б). На рис 1.21, б заштрихован установившийся частный цикл гистерезиса. а) б) Рис. 1.21. Частные циклы гистерезиса: а – для симметричного цикла; б – для несимметричного цикла 1.6. Намагничивание ферромагнитного тела и вещества При каком условии магнитные характеристики можно считать характеристиками вещества? Магнитные характеристики можно считать характеристиками вещества (материала) при условии, что на ферромагнитный образец воздействует только внешнее магнитное поле. Приближенно такие условия выполняются в однородной магнитной цепи замкнутой формы (без воздушных зазоров), например, в кольцеобразном образце (рис. 1.22). Рис. 1.22. Расположение намагничивающей обмотки на тороидальном образце Если же во внешнем поле находится образец разомкнутой формы, например, цилиндр, то на его краях образуются магнитные полюсы, создающие 30 внутри образца магнитное поле Н противоположного направления по отношению к внешнему полю 0 H (рис. 1.23). Рис. 1.23. Намагничивание ферромагнитного тела Размагничивающее поле пропорционально намагниченности образца и определяется из выражения Н = p N M, где p N – коэффициент размагничивания по намагниченности (иногда его называют размагничивающим фактором). Истинное значение напряженности магнитного поля в образце будет меньше внешнего поля i H = Н – p N M. Численное значение коэффициента размагни- чивания зависит главным образом от геометрической формы и относительных размеров образца. Точное значение p N имеет только для однородно намагниченных тел, к которым относятся эллипсоиды вращения. Например, для шара p N = 1/3, для бесконечно длинного цилиндра, продольная ось которого перпендикулярна внешнему полю, p N = 1/2, а если параллельна, то p N = 0. Для бесконечно тонкой пластины, плоскость которой перпендикулярна вектору напряженности намагничивающего поля, p N = 1, т. е. тонкую пластину сложно намагнитить в направлении, перпендикулярном ее поверхности. |