Магнитные методы
УДК 620.179.14
РАЗЛИЧНЫЕ СОСТОЯНИЯ ОСТАТОЧНОЙ НАМАГНИЧЕННОСТИ И ИХ УСТОЙЧИВОСТЬ К ВНЕШНИМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ. К ВОПРОСУ О "МЕТОДЕ МАГНИТНОЙ ПАМЯТИ"
Э.С. Горкунов
Остаточная намагниченность ферромагнетика формируется под действием многих факторов, основными из которых являются магнитное поле (постоянное и переменное), температура, механические напряжения и химические превращения. Остаточные намагниченности, полученные различным путем, по-разному устойчивы к внешним воздействиям. Наблюдаемая в элементах конструкций остаточная намагниченность может быть результатом действия как одного из факторов, так и всех перечисленных выше. Показано, что использование остаточной намагниченности в качестве параметра оценки напряженно-деформированного состояния — "метод магнитной памяти", без учета условий формирования состояния остаточной намагниченности в контролируемой области изделия, будет обладать низкой достоверностью оценки.
Ключевые слова: ферромагнетик, остаточная намагниченность, нормальная остаточная намагниченность, идеальная остаточная намагниченность, термоостаточная намагниченность, пьезонамагниченность, динамическая намагниченность, химическая остаточная намагниченность, устойчивость остаточной намагниченности, "метод магнитной памяти".
ВВЕДЕНИЕ
Магнитные методы широко и успешно [1—6] используются при оценке структурного состояния и фазового состава изделий из ферромагнитных материалов. В последнее время в мировой практике ведутся работы по использованию магнитных методов для оценки напряженно-деформированного состояния изделий и элементов конструкций [7—22]. Решение различных задач по данной проблеме достаточно сложно, поэтому ведутся последовательные исследования влияния преимущественно одноосных [7—14] и значительно реже двуосных деформаций [15—17] на магнитные свойства ферромагнитных материалов. Исследований оценки полного тензора напряжений магнитными методами в мировой практике нет.
В последнее время появились работы по "методу магнитной памяти" [23—27], согласно которому по полям рассеяния магнитного потока в оста-точно намагниченных зонах оценивается "напряженно-деформированное состояние" отдельных участков или отдельных зон изделия или элемента конструкции. Считается, что распределение магнитных полей рассеяния соответствует зонам с различной остаточной намагниченностью, которые, в свою очередь, соответствуют распределению уровня напряжений в изделии или элементе конструкции. Эта гипотеза может реализоваться крайне редко. Попробуем рассмотреть это в статье.
Намагниченность ферромагнетика (М) не только зависит от величины намагничивающего поля (Н), но и является функцией целого ряда таких факторов, как температура (Т), переменное магнитное поле (Н~), механические напряжения (о), время, химические превращения [28]. Эти факторы действуют лишь при наличии внешнего постоянного магнитного поля или в случае, если ферромагнетик находится в состоянии остаточной намагниченности. Поэтому наблюдаемая в конструкциях остаточная намагниченность может быть результатом действия почти всех указанных факторов.
Нормальная остаточная намагниченность. Закономерности процесса намагничивания ферромагнетика графически выражаются кривыми, показывающими зависимость нормальной намагниченности М от величины
Эдуард Степанович Горкунов, академик РАН, доктор техн. наук, директор Института машиноведения УрО РАН. Тел. (343) 3744725. E-mail: ges@imach.uran.ru
намагничивающего поля Н. Эти кривые носят название основных или технических кривых намагничивания. При выключении магнитного поля из состояния технического насыщения ферромагнетик приобретает нормальную остаточную намагниченность М г (рис. 1).
Рис. 1. Схематическое изображение получения максимальной нормальной и идеальной
остаточных намагниченностей.
Идеальная остаточная намагниченность. Идеальное намагничивание происходит по тем же законам, что и нормальное, представляя лишь результат наложения на постоянное подмагничивающее магнитное поле (Н-) переменного магнитного поля с амплитудой, плавно меняющейся от состояния технического насыщения до нуля. Полученная таким образом остаточная намагниченность называется идеальнойМ. (см. рис. 1).
Термоостаточная намагниченность. Ферромагнетик в магнитном поле, нагретый выше точки Кюри, при охлаждении в магнитном поле после его выключения приобретает термоостаточную намагниченность М* В случае, когда ферромагнетик охлаждается ниже температуры Кюри от начальной (771) до конечной (Т2) температуры, термоостаточная намагниченность (МТ21) будет зависеть от этих температур и величины намагничивающего поля.
Пьезонамагниченность и динамическая намагниченность. Действие механических упругих деформаций (напряжений) на ферромагнетик в присутствии магнитного поля приводит к образованию дополнительной намагниченности по сравнению с нормальной, а без поля — к уменьшению любой ранее образованной остаточной намагниченности. Остаточная намагниченность, возникающая при действии механических напряжений в присутствии поля, после выключения поля может быть одного из двух видов: пьезоостаточной (Мр) и пьезодинамической остаточной (М^).
Химическая остаточная намагниченность. Химическая остаточная намагниченность (Мгс) — вид изотермической остаточной намагниченности, возникающий в присутствии постоянного магнитного поля в процессе изменения количества или объема ферромагнитных фаз при химических реакциях.
Остаточные намагниченности могут приобретаться различными способами, как показано выше, и по-разному разрушаться при различных внешних воздействиях. Рис. 2 иллюстрирует закономерности того, как "приобретаются" различные виды остаточных намагниченностей в постоянных магнитных полях и как они по-разному разрушаются в переменных
М
магнитных полях. Видно, что максимальная термоостаточная намагниченность приобретается легко и в относительно слабых магнитных полях.
0 40
120
200 Н, А/см
0
80 160 240 320 Н~, А/см р
Рис. 2. Зависимости термоостаточной (Mf), идеальной (M) и нормальной (M ) остаточных намагниченностей от поля.
Рис. 3. Потеря устойчивости термоостаточной (М'г), химической (Мсг) и нормальной (М ) остаточными намагниченностя-ми при воздействии переменного поля.
В свою очередь, различным образом приобретенные остаточные намагниченности по-разному устойчивы к действию размагничивающих полей. На рис. 3 можно видеть, что термоостаточная намагниченность (M) наиболее устойчива к действию переменного поля. Менее устойчива максимальная нормальная намагниченность (M ) и еще менее устойчива нормальная
\ /Г Гmax
намагниченность M , полученная в слабых намагничивающих полях.
Устойчивость магнитных состояний к действию Н, о и Т будет определяться магнитными константами ферромагнетика, соотношением обратимых и необратимых процессов, характером их протекания при намагничивании и перемагничивании, то есть степенью взаимодействия доменных границ с различного рода дефектами, существующими в большом количестве в реальных ферромагнетиках [28].
Основной причиной, определяющей устойчивость магнитных состояний к действию магнитных и электромагнитных полей, а также упругих деформаций в сталях, является задержка смещения доменных границ вследствие их взаимодействия с магнитными несовершенствами материала [29], под которыми будем понимать любые дефекты, приводящие к закреплению доменных границ на них. Критическое поле, необходимое для отрыва смещающейся доменной стенки от магнитного несовершенства, будет зависеть от типа несовершенства, поэтому коэрцитивная сила, являющаяся усредненной характеристикой распределения критических полей в материале, будет зависеть от различных структурных факторов. Коэрцитивная сила, являющаяся структурочувствительной магнитной характеристикой, отражает интегральные свойства ферромагнетика и характеризует его общую устойчивость к внешним воздействиям. Более точные сведения о протекании процессов намагничивания и перемагничивания, о взаимодействии доменных границ с определенными типами дефектов можно получить при исследовании устойчивости конкретного магнитного состояния (например, остаточной намагниченности) или ряда магнитных состояний к воздействиям магнитных и электромагнитных полей, упругих и пластических деформаций, а также температуры.
Остаточная намагниченность (индукция) является структурочувстви-тельной магнитной характеристикой, величина которой зависит от структурных параметров ферромагнетика (кристаллической структуры, размера зерна, величины внутренних напряжений, присутствия различного рода
включений), магнитной текстуры, доменной структуры и геометрических размеров изделия, то есть от распределения магнитных фаз в нем. Расчеты остаточной намагниченности, выполненные для монокристальных проволок и дисков [30], позволяют определить ее величину с достаточной точностью. В поликристаллических ферромагнетиках, где имеются в большом количестве дополнительные замыкающие домены, чаще всего располагающиеся на границах зерен, и субобласти, возникающие около дефектов, наблюдается сложный характер распределения намагниченности, поэтому расчетные данные могут иметь существенные расхождения с экспериментальными. Существование дополнительных доменов и субобластей приводит к тому, что получаемые экспериментально значения остаточной намагниченности имеют меньшие значения (вследствие существования внутреннего коэффициента размагничивания) по сравнению со значениями для монокристальных ферромагнетиков.
Таким образом, меньшие значения остаточной индукции по сравнению с теоретическими свидетельствуют о наличии в ферромагнетике магнитных несовершенств, на которых наблюдается иное распределение векторов намагниченно сти.
Остаточно намагниченное состояние ферромагнетика является метаста-бильным, разрушение его под действием различных физических факторов (магнитные и электромагнитные поля, упругая и пластическая деформация, температура) зависит от намагниченности, приобретенной им различными способами ранее.
УСТОЙЧИВОСТЬ ОСТАТОЧНОЙ ИНДУКЦИИ К ДЕЙСТВИЮ ПОСТОЯННЫХ И ПЕРЕМЕННЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ СТАЛЕЙ С РАЗЛИЧНОЙ СТРУКТУРОЙ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.