Исследование влияния намагниченности на физико-механические свойства материалов

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 538. 652
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НАМАГНИЧЕННОСТИ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
© 2014 г. В. А. Скляр, А. Г. Сергиенко, А. В. Скляр, В. А. Луханин, С.П. Псюкало
Рассмотрено влияние намагниченности на физико-механические свойства современных деталей машин. Экспериментальные исследования в слабых полях намагничивания позволили определить тенденции изменения микротвердости деталей.
Ключевые слова: намагничивание, магнитоупругий эффект, магнитострикция, ферромагнетики, микротвердость.
Magnetization influence on physic-mechanical properties of materials is considered. Experimental studies in weak fields of the magnetization makes possible to determine tendencies of change in microhardness details.
Key words: magnetization, magnetoelastic effect, magnetostriction, ferromagnets, micro-hardness.
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 намаг-ниченностей 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.
|
1
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 магнито-стрикции: 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 па-рапроцесса, где достигает технического насыщения (в поле насыщения). Магнито-стрикционные деформации, вызываемые обменными и магнитными силами, проявляются не только при помещении ферромагнетика в магнитное поле, но и при его нагревании.
Для железных тел продольная магни-тострикция 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 магнито-стрикция 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, а и коэффициент вариации V. Для намагничивания использовали соленоид с плавкой вставкой в цепи. Вставка, перегорая, позволяет получить импульсное намагничивание опытных образцов (рисунок 2).
1
2
© ш ш ш^е
ф Ф Ф Ф Ф
220 В
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,
Е = К (БН)У, где К — коэффициент, учитывающий потери энергии-
Б — магнитная индукции в соленоиде, Тл-
Н — напряженность магнитного поля, А/м-
У — 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 магнитострикци-онной 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 И = 336,4 кг/мм2 а = 40,2 кг/мм2 V = 0,46 0,9 мТл ЙИ =299,82 кг/мм2 а = 17,1 кг/мм2 V = 0,57
Отступ от периметра образца 1,2 мм и и =314 кг/мм2 а = 41,7 кг/мм2 V = 0,42 0,9 мТл И= 301 кг/мм2 а = 20,98 кг/мм2 V = 0,466
Исследования позволили сделать выводы:
— явления магнитострикции и магни-тоупругий эффект приводят к изменению механических свойств ферромагнетиков-
— для стальных образцов при магни-тострикции 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.
Литература
1. Келли, Г. Рациональное повреждение твердых тел / Г. Келли- пер. с англ. -Москва: Иностр. лит-ра, 1970. — 234 с.
2. Моррисон, С. Химическая физика поверхности твердого тела / С. Моррисон- пер. с англ. — Москва: Мир, 1980. — 486 с.
3. Электрические явления при трении, резании и смазке твердых тел. — Москва: Наука, 1973. — 146 с.
4. Шьюмок, П. Диффузия в твердых телах / П. Шьюмок- пер. с англ. — Москва: Металлургия, 1966. — 195 с.
5. Физика прочности и пластичности. / пер. с англ. — Москва: Металлургия, 1972. — 303 с.
6. Смирнов, А. А. Физика металлов. Современное представление о природе металлов / А. А. Смирнов. — Москва: Наука, 1971. — 108 с.
7. Дуков, В. М. Законы сохранения энергии / В. М. Дуков. — Москва: Знание, 1961. — 39 с.
8. Кузнецов, В. Д. Поверхностная энергия твердых тел / В. Д. Кузнецов. -Москва: Гостехиздат, 1954.
9. Малыгин, Б. В. Магнитные упрочнения инструмента и деталей машин / Б. В. Малыгин. — Москва: Машиностроение, 1989. — 112 с.
Сведения об авторах
Скляр Валерий Алексеевич — канд. техн. наук, доцент кафедры «Технический сервис в АПК», Азово-Черноморский инженерный институт ДГАУ в г. Зернограде. Тел.: 8−863−59−42−6-20.
Сергиенко Александр Григорьевич — канд. техн. наук, доцент кафедры «Технический сервис в АПК», Азово-Черноморский инженерный институт ДГАУ в г. Зернограде. Тел.: 8−928−624−60−96.
Скляр Алексей Валерьевич — ассистент кафедры «Безопасность технологических процессов и производств», Азово-Черноморский инженерный институт ДГАУ в г. Зерно-граде. Тел.: 8−863−59−41−4-19. E-mail: SAV1303@mail. ru.
Луханин Владимир Александрович — канд. техн. наук, доцент кафедры «Технический сервис в АПК», Азово-Черноморский инженерный институт ДГАУ в г. Зернограде. Тел.: 8−928−988−95−74. E-mail: Lyxaninb. a@mail. ru.
Псюкало Сергей Петрович — канд. техн. наук, доцент кафедры «Технический сервис в АПК», Азово-Черноморский инженерный институт ДГАУ в г. Зернограде. Тел.: 8−950−860−14−41. E-mail: sergei psyukalo44@mail. ru.
Information about the authors
Sklyar Valeryi Alexeevich — Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Technical service in agrarian and industrial complex (AIC) department, Azov-Black Sea Engineering Institute FSBEE HPE & quot-Don State Agrarian University& quot- in Zernograd. Phone: 8−863−59−42−6-20.
Sergienko Alexander Grigorievich — Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Technical service in agrarian and industrial complex (AIC) department, Azov-Black Sea Engineering Institute FSBEE HPE & quot-Don State Agrarian University& quot- in Zernograd. Phone: 8−928−624−60−96.
Sklyar Alexeyi Valerievich — instructor of the Safety of technological processes and productions department, Azov-Black Sea Engineering Institute FSBEE HPE & quot-Don State Agrarian University& quot- in Zernograd. Phone: 8−863−59−41−4-19. E-mail: SAV1303@mail. ru.
Lukhanin Vladimir Aleksandrovich — Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Technical service in agrarian and industrial complex (AIC) department, Azov-Black Sea Engineering Institute FSBEE HPE & quot-Don State Agrarian University& quot- in Zernograd. Phone: 8−928−988−95−74. E-mail: Lyxaninb. a@mail. ru.
Psyukalo Sergei Petrovich — Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Technical service in agrarian and industrial complex (AIC) department, Azov-Black Sea Engineering Institute FSBEE HPE & quot-Don State Agrarian University& quot- in Zernograd. Phone: 8−950−860−14−41. E-mail: sergei_psyukalo44@mail. ru.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой