научная статья по теме ВЛИЯНИЕ УПРУГОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА ГИСТЕРЕЗИСНЫЕ СВОЙСТВА ДВУСЛОЙНОГО ФЕРРОМАГНЕТИКА, СОСТАВЛЕННОГО ИЗ КОМПОНЕНТОВ, ОБЛАДАЮЩИХ МАГНИТОСТРИКЦИЕЙ РАЗНЫХ ЗНАКОВ Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ УПРУГОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА ГИСТЕРЕЗИСНЫЕ СВОЙСТВА ДВУСЛОЙНОГО ФЕРРОМАГНЕТИКА, СОСТАВЛЕННОГО ИЗ КОМПОНЕНТОВ, ОБЛАДАЮЩИХ МАГНИТОСТРИКЦИЕЙ РАЗНЫХ ЗНАКОВ»

Магнитные методы

УДК 620.179.14

ВЛИЯНИЕ УПРУГОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА ГИСТЕРЕЗИСНЫЕ СВОЙСТВА ДВУСЛОЙНОГО ФЕРРОМАГНЕТИКА, СОСТАВЛЕННОГО ИЗ КОМПОНЕНТОВ, ОБЛАДАЮЩИХ МАГНИТОСТРИКЦИЕЙ РАЗНЫХ ЗНАКОВ

Э.С. Горкунов, Ю.В. Субачев, А.М. Поволоцкая, С.М. Задворкин

Изучено влияние упругой деформации одноосным растяжением (сжатием) на характер поведения ряда магнитных характеристик армко-железа и никеля, обладающих магнито-стрикцией разных знаков, и двуслойного материала, составленного из них. Измерения магнитных характеристик проведены как в условиях замкнутой магнитной цепи, так и с применением накладных преобразователей вдоль и поперек направления приложения нагрузки. Полученные результаты объяснены с точки зрения формирования магнитной анизотропии, наведенной действием нормальных напряжений. Сопоставлены результаты измерений гисте-резисных и магнитострикционных свойств исследуемых материалов. Установлены магнитные параметры исследованных материалов, монотонно изменяющиеся с ростом приложенных напряжений.

Ключевые слова: растягивающие и сжимающие напряжения, упругое деформирование, магнитострикция, коэрцитивная сила, двуслойный материал.

ВВЕДЕНИЕ

Изделия и элементы конструкций, имеющие в своем составе слои с различными физико-механическими свойствами, используются во многих отраслях промышленности. К ним относятся изделия с поверхностным упрочнением, сварные соединения, биметаллические изделия и др. Перспективность использования магнитных методов диагностики состояния, в том числе напряженно-деформированного, составных двуслойных материалов была показана в [1—3]. Однако проблема диагностики напряженно-деформированного состояния деталей машин и элементов металлоконструкций, изготовленных из таких материалов, до сих пор не решена, в том числе из-за неполного понимания роли магнитоупругого эффекта в формировании магнитных свойств композиционных материалов, а также вклада каждого компонента в его магнитные характеристики. Как известно, магнитоупругая энергия определяется, в частности, его магнитострикцией, которая, в свою очередь, зависит от химического состава и структуры, констант магнитной анизотропии и напряженного состояния исследуемого материала. Так, в [4] на примере конструкционной стали 34ХН3 было показано, что термическая обработка существенно влияет на магнитострикцию исследуемого материала, а в [5] отмечено сильное количественное различие полевых зависимостей магнитострикции для различных марок конструкционных сталей.

В случае многослойного материала различия в составе, структуре, физико-механических свойствах материала слоев приводят к различному их напряженному состоянию под действием приложенной нагрузки. Когда слои многослойного материала представляют собой, к примеру, сплавы на основе железа (стали), возможна такая ситуация, что при одной и той же деформации магнитострикции слоев будут иметь противоположные знаки.

Эдуард Степанович Горкунов, академик РАН, доктор техн. наук, профессор, директор Института машиноведения УрО РАН. Тел. (343) 375-35-43. E-mail: ges@imach.uran.ru

Юрий Владимирович Субачев, канд. техн. наук, научный сотрудник Института машиноведения УрО РАН. Тел. 375-35-87. E-mail: subachev@imach.uran.ru

Анна Моисеевна Поволоцкая, канд. техн. наук, ученый секретарь Института машиноведения УрО РАН. Тел. 374-59-53. E-mail: us@imach.uran.ru

Сергей Михайлович Задворкин, канд. физ.-мат. наук, зав. лабораторией технической диагностики Института машиноведения УрО РАН. Тел. 375-35-86- E-mail: zadvorkin@imach.uran.ru

В результате этого в слое с положительной магнитострикцией при одноосном растяжении создаются предпосылки для формирования магнитной текстуры типа "ось легкого намагничивания", при которой векторам спонтанной намагниченности энергетически выгоднее выстроиться вдоль направления нагружения, а при одноосном сжатии — для формирования магнитной текстуры типа "плоскость легкого намагничивания", при которой векторам спонтанной намагниченности энергетически выгоднее выстроиться перпендикулярно направлению нагружения. В то же время в слое, обладающем магнитострикцией отрицательного знака, будет наблюдаться обратная картина. Следует отметить, что практически во всех известных работах, посвященных исследованию многослойных материалов, данный аспект не был проанализирован.

В связи с этим в настоящей статье был рассмотрен простой случай — модельный двуслойный материал, составленный из компонентов, заведомо обладающих магнитострикцией противоположных знаков: армко-железа, маг-нитострикция которого в ненагруженном состоянии в некотором интервале приложенных магнитных полей положительна, и никеля, магнитострикция которого отрицательна. Цель работы состояла в следующем: изучить закономерности поведения магнитных характеристик рассматриваемого двуслойного материала, а также его отдельных компонентов в условиях одноосного растяжения (сжатия) с целью выявления характера наведенной таким силовым воздействием магнитной анизотропии; сопоставить полученные экспериментальные данные для выяснения связи между гистерезисными и магни-тострикционными свойствами исследуемых материалов и определить параметры, применимые для оценки действующих упругих деформаций.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Объектом исследования служили плоские разрывные образцы с головками по ГОСТ 1497—84 из армко-железа и никеля, а также двуслойные образцы, составленные из них. Скрепление пластин из армко-железа и никеля в двуслойном образце осуществляли при помощи заклепок на головках. Образцы из армко-железа с сечением 1,45*15,7 мм и длиной рабочей части 60 мм отжигали в вакууме при температуре 700 °С в течение 2 часов. Нижний предел текучести данного материала составлял 150 МПа, временное сопротивление — 294 МПа. Образцы из никеля имели большее сечение (5,76*15,7 мм) и были подвергнуты отжигу в тех же условиях. Предел текучести испытываемого никеля составлял 335 МПа, временное сопротивление — 433 МПа.

Образцы подвергали одноосному растяжению (сжатию) на испытательной машине Tinius Olsen Super "L". Максимальную нагрузку, прикладываемую к образцам, определяли таким образом, чтобы не был превышен предел пропорциональности исследуемых материалов. Нагружение образцов выполняли поэтапно, на каждом шаге при достижении определенной нагрузки процесс нагружения приостанавливали и проводили измерения исследуемых магнитных характеристик. После проведения измерений образец размагничивали, а затем продолжали нагружение до следующей точки измерений. Перед началом следующего цикла магнитных измерений образец вновь размагничивали.

Измерения магнитных характеристик проводили как в замкнутой магнитной цепи по схеме пермеаметра, так и с использованием накладных преобразователей в полузамкнутой магнитной цепи. Измерения в замкнутой магнитной цепи осуществляли вдоль оси нагружения образцов с помощью гистерезисграфа Remagraph C-500, напряженность внутреннего магнитного поля H достигала 600 А/см. Величину H измеряли с помощью дугообразного

магнитного потенциалметра. Из петель магнитного гистерезиса определяли коэрцитивную силу Нс и остаточную магнитную индукцию ВПо основной кривой намагничивания определяли максимальную магнитную проницаемость и .

^ г макс

Измерение магнитострикции осуществляли с помощью тензорезисто-ров, соединенных по схеме моста Уитстона, при намагничивании в замкнутой магнитной цепи. Измерительные тензорезисторы были наклеены посередине рабочей части образца. Питание моста осуществляли постоянным стабилизированным током. При этом в случае двуслойного образца магни-тострикцию измеряли на каждом из его слоев.

Измерения в полузамкнутой магнитной цепи проводили, используя в качестве первичного преобразователя П-образный приставной электромагнит (ПМУ) с сечением полюсов 16^4 мм и расстоянием между ними 8 мм. Сигнал с измерительной катушки, расположенной на перемычке ярма электромагнита, поступал на канал измерения магнитного потока гистерезисграфа, а на канал напряженности магнитного поля поступал сигнал, пропорциональный величине намагничивающего тока в катушке преобразователя. Запись петли магнитного гистерезиса осуществляли при максимальном намагничивающем токе, равном 2 А, что обеспечивало получение петель магнитного гистерезиса, близких к предельным. Измерения с помощью ПМУ проводили как вдоль, так и поперек оси нагружения. Из петель магнитного гистерезиса, полученных с помощью ПМУ, определяли величину коэрцитивной силы Нсэ.

Среднеквадратичные значения напряжения и магнитных шумов Баркга-узена за 10 циклов перемагничивания измеряли, используя цифровой анализатор шумов Баркгаузена. Первичным преобразователем служил накладной датчик с сечением полюсов 3,5^8,0 мм и расстоянием между полюсами 3 мм. Напряжение и частоту тока перемагничивания подбирали экспериментально для достижения наибольшей чувствительности, они составляли соответственно 5 В и 95 Гц. Измерение и осуществляли, размещая датчик в центре образцов, в двух взаимно перпендикулярных направлениях: вдоль и поперек направления приложенной нагрузки. На каждом этапе нагружения проводили серию из пяти измерений с переустановкой датчика, после чего полученные результаты усредняли. Максимальное отклонение измеренных величин от средних значений не превышало 5 %.

При исследовании двуслойного образца накладные преобразователи устанавливали поочередно как со стороны слоя из армко-железа, так и со стороны слоя из никеля.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 представлены зависимости магнитных характеристик (коэрцитивной силы, остаточной индукции и максимальной магнитной проницаемости), измеренных в условиях замкнутой магнитной цепи на предельном цикле перемагничивания, от величины растягивающих и сжимающих напряжений для образцов из армко-железа и никеля (кривые 1 и 2 соответственно), а также составного образца (кривые 3). Как видно из рис. 1, с увеличением растягивающих напряжений зависимости Нс(а), Вг(а) и имакс(а), соответствующие образцу из армко-железа, изменяются неоднозначно. В диапазоне приложенных напряжений 35—48 МПа наблюдаются максимумы значений остаточной индукции, максимальной

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.

Показать целиком