Влияние упругого растяжения (сжатия) на гистерезисные свойства двуслойного ферромагнетика, составленного из компонентов с магнитострикцией разных знаков

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВЛИЯНИЕ УПРУГОГО РАСТЯЖЕНИЯ (СЖАТИЯ) НА ГИСТЕРЕЗИСНЫЕ СВОЙСТВА ДВУСЛОЙНОГО ФЕРРОМАГНЕТИКА, СОСТАВЛЕННОГО ИЗ КОМПОНЕНТОВ С МАГНИТОСТРИКЦИЕЙ РАЗНЫХ ЗНАКОВ

Горкунов Э.С., Субачев Ю.В.,

Поволоцкая А.М., Задворкин С.М.

ВВЕДЕНИЕ

Изделия и элементы конструкций из композиционных материалов, имеющие в своем составе компоненты с различными физико-механическими свойствами, используются во многих отраслях промышленности. К ним относятся изделия с поверхностным упрочнением, сварные соединения, биметаллические изделия и прочие.

Перспективность использования магнитных методов диагностики состояния, в том числе напряженно-деформированного, композиционных материалов была показана в работах [1-3]. Однако проблема диагностики 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.

Различия в механических свойствах составляющих композиционных материалов под действием приложенной нагрузки приводят к различному напряженному состоянию каждого из компонентов. Когда составляющие композиционного материала представляют собой, к примеру, сплавы на основе железа (стали), возможна такая ситуация, что при одной и той же деформации магнитострикции компонентов будут иметь противоположные знаки. В такой постановке задачи вклад отдельных компонентов в магнитные свойства композиционного материала в литературе рассмотрен не был.

В связи с этим, в настоящей работе был рассмотрен простой случай - модельный двуслойный материал, составленный из компонентов, заведомо обладающих магнитострикцией противоположных знаков: армко-железа, магнитострикция 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 магнитострикционными 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 1,4515,7 мм и длиной рабочей части 60 мм отжигали в вакууме при температуре 700 С в течение 2 часов. Образцы из никеля имели большее сечение (5,76Ч15,7 мм) и были подвергнуты отжигу в тех же условиях. Образцы подвергали одноосному растяжению (сжатию).

Измерения магнитных характеристик проводили в замкнутой магнитной цепи по схеме пермеаметра (вдоль оси нагружения) и с применением накладных преобразователей в полузамкнутой магнитной цепи (вдоль и поперек оси нагружения). В качестве накладных преобразователей использовали П-образный приставной электромагнит с сечением полюсов 16Ч4 мм и расстоянием между ними 8 мм, а для измерения среднеквадратичных значений напряжения U магнитных шумов Баркгаузена (МШБ) - датчик с сечением полюсов 3,5Ч8,0 мм и расстоянием между полюсами 3 мм. При исследовании двуслойного образца накладные преобразователи устанавливали поочередно как со стороны слоя из армко-железа, так и со стороны слоя из никеля.

Измерение магнитострикции осуществляли с помощью тензорезисторов, соединенных по схеме моста Уитстона, при намагничивании в замкнутой магнитной цепи. При этом в случае двуслойного образца, магнитострикцию измеряли на каждом из его слоев.

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 (отмечены на рис. 1 кривыми 1 и 2 соответственно), а также составного образца (кривые 3).

магнитный цепь перемагничивание напряжение

Рис. 1 Зависимости от приложенных напряжений значений коэрцитивной силы (а), остаточной индукции (б) и максимальной магнитной проницаемости (в), измеренные в условиях замкнутой магнитной цепи. Кривые 1 - для образца из армко-железа, кривые 2 - для образца из никеля, кривые 3 - для составного образца, кривая 4 (пунктиром) - для образца из никеля, отожженного при 900 С

С увеличением растягивающих напряжений зависимости H_c(), B_r() и µ_макс(), соответствующие образцу из армко-железа, изменяются неоднозначно. В диапазоне приложенных напряжений 35-48 МПа, в котором происходит смена знака магнитострикции, наблюдаются экстремумы значений коэрцитивной силы, остаточной индукции и максимальной магнитной проницаемости. С ростом сжимающих напряжений магнитные характеристики изменяются монотонно: коэрцитивная сила увеличивается, а остаточная намагниченность и максимальная магнитная проницаемость снижаются. Поведение магнитных параметров образца из армко-железа под действием приложенных напряжений является классическим для магнетиков, магнитострикция которых характеризуется константами разного знака: ₁₀₀>0 и ₁₁₁<0 и в зависимости от состояния материала и приложенных напряжений может быть как положительной, так и отрицательной [4].

Отрицательный знак магнитострикции образцов из никеля во всем диапазоне растягивающих и сжимающих напряжений обуславливает характер поведения его магнитных характеристик, показанных на рис. 1 кривыми 2. Под действием растягивающих напряжений ( > 0, < 0, • < 0) по мере их роста остаточная индукция и максимальная магнитная проницаемость никеля уменьшаются, что свойственно материалам с отрицательной магнитострикцией [4]. При этом коэрцитивная сила в таких материалах с ростом растягивающей нагрузки, как правило, должна увеличиваться. В нашем случае, как видно из рис. 1а, можно наблюдать неоднозначное поведение коэрцитивной силы под действием растягивающей нагрузки, что может быть объяснено неполным отжигом материала [4]. Для проверки данного предположения был подготовлен образец из никеля, который был подвергнут отжигу в течение 2 часов при более высокой температуре 900 С. На рис. 1а (кривая 4) пунктиром отмечены зависимость Н_с(), полученная для данного образца. Как видно из рисунка, значения коэрцитивной силы этого образца с ростом растягивающих напряжений монотонно увеличиваются.

Под действием сжимающих напряжений магнитная проницаемость армко-железа существенно снижается, а магнитная проницаемость никеля увеличивается. Вследствие этого в составном двуслойном образце происходит перераспределение магнитного потока преимущественно в сторону составляющей из никеля, поэтому именно она вносит основной вклад в магнитные свойства двуслойного образца.

Под действием растягивающих напряжений магнитные характеристики составного образца принимают промежуточные значения между значениями магнитных характеристик материалов слоев и более близкие по величине к значениям, полученным для никеля. На характер поведения кривых H_c(), B_r(), µ() составного образца при растяжении оказывают влияние оба составляющих слоя: вклад армко-железа обусловлен высокой магнитной проницаемостью, на порядок превышающей магнитную проницаемость никеля, а вклад никеля объясняется тем, что его поперечное сечение в составном образце превышает сечение армко-железа в 4 раза.

Как было отмечено выше, измерения магнитострикции на составном образце проводили со стороны каждой из его составляющих. На полевых зависимостях магнитострикции двуслойного образца, измеренных со стороны слоя из армко-железа и показанных на рис. 2 сплошными линиями (кривые 1-5), в отличие от аналогичных зависимостей образца из армко-железа (рис. 2, кривые 1'-5'), в слабых полях при максимальных напряжениях сжатия наблюдается небольшой отрицательный участок, наличие которого говорит о влиянии никелевой составляющей. В этих условиях магнитная проницаемость составляющей никеля принимает максимальные значения, а магнитная проницаемость железной составляющей - минимальные. Влияние слоя никеля сказывается и на том, что при растяжении абсолютные величины магнитострикции, измеренные в сильных полях, превышают аналогичные величины, полученные на образце из армко-железа. При этом разница этих величин тем выше, чем больше разность значений магнитной проницаемости никеля и армко-железа (см. рис. 1в).

Рис. 2 Полевые зависимости магнитострикции при различных значениях приложенных напряжений. Кривые 1 - 5 (сплошными линиями) - для двуслойного образца, измерения со стороны слоя из армко-железа, кривая 1 - = 0; 2 - 34; 3 - 57; 4 - 102; 5 - -85 МПа. Кривые 1' - 5' (пунктиром) - для образца из армко-железа, кривая 1' - = 0; 2' - 35; 3' - 59; 4' - 99; 5' - -135 МПа

На рис. 3 приведены полевые зависимости магнитострикции, измеренные на составном образце со стороны никелевой составляющей (кривые 1 - 6) и на отдельном образце из никеля (кривые 1'- 6') при различных значениях приложенных напряжений. Как видно из рис. 3, при максимальных напряжениях растяжения (кривые 3 и 4) также наблюдаются особенности в виде небольшого положительного участка, появление которого связано со вкладом, вносимым компонентом из армко-железа. Это можно объяснить тем, что при максимальных напряжениях растяжения составного образца магнитная проницаемость его составляющей из никеля принимает минимальные значения, в то время как значения магнитной проницаемости железной составляющей все еще высоки. О влиянии слоя из армко-железа говорит и тот факт, что абсолютные значения двуслойного образца в сильных полях ниже аналогичных значений образца из никеля. Причем под действием сжимающих напряжений, когда происходит сближение значений магнитной проницаемости никеля и армко-железа, влияние слоя армко-железа снижается, при этом значения магнитострикции составного образца и образца никеля становятся близки (рис. 3, кривые 5, 6 и 5', 6').

О вкладе того или иного компонента в формирование магнитных характеристик составного образца под действием приложенной нагрузки можно судить на основе анализа полевых зависимостей дифференциальной магнитной проницаемости, представленных на рис. 4. В исходном ненагруженном состоянии на кривой м_d(H) имеются два максимума, соответствующие магнитомягкой (армко-железо) и магнитожесткой (никель) компонентам. Величина максимума дифференциальной магнитной проницаемости, соответствующего армко-железу, значительно превышает величину максимума от никеля, несмотря на то, что анализируемый объем составляющей из этого материала существенно превышает объем слоя из армко-железа. При увеличении растягивающих напряжений величина максимумов, соответствующих магнитомягкому компоненту, сначала резко увеличивается, затем постепенно снижается, в то время как величина максимума, наблюдаемого в более сильных полях, уменьшается, и пик становится неразличимым уже при 34 МПа. Малая величина дифференциальной и максимальной проницаемостей никеля при растяжении свидетельствуют о том, что магнитный поток при растяжении, в основном, сосредоточен в компоненте из армко-железа, вследствие чего магнитные свойства составного образца по величине ближе к соответствующим значениям железной составляющей, чем к никелевой.

Рис. 3 Полевые зависимости магнитострикции при различных значениях приложенных напряжений. Кривые 1 - 6 - для двуслойного образца, измерения со стороны слоя из никеля, кривая 1 - = 0; 2 - 23; 3 - 68; 4 - 102; 5 - -44; 6 - -85 МПа. Кривые 1' - 6' - для образца из никеля, кривая 1' - = 0; 2' - 25; 3' - 62; 4' - 100; 5' - -50; 6' - -88 МПа

С ростом сжимающих напряжений величина максимума дифференциальной магнитной проницаемости составного образца, соответствующего магнитожесткому слою из никеля, существенно возрастает, при этом напряженность поля, при которой этот максимум наблюдается, смещается в сторону меньших полей. Величина максимума, отвечающего компоненту из армко-железа, с увеличением сжимающей нагрузки снижается, при этом отсутствие пика наблюдается при 62,5 МПа. Следовательно, при сжатии основной вклад в формирование магнитных характеристик составного образца вносит никелевый компонент, поэтому значения магнитных характеристик двуслойного образца близки к соответствующим значениям составляющей из никеля.

Рис. 4 Полевые зависимости дифференциальной магнитной проницаемости двуслойного образца при различных значениях приложенных напряжений. Кривая 1 - = 0; 2 - 11,3; 3 - 34; 4 - 102,1; 5 - -12,5; 6 - -37,5; 7 - -62,5; 8 - -100 Мпа

Применение накладных преобразователей имеет существенное преимущество по сравнению с измерениями в замкнутой магнитной цепи на стационарной установке. Преимущество заключается в возможности определения магнитных характеристик в различных направлениях по отношению к оси действующих приложенных напряжений. Результаты исследований, проведенных с использованием накладных преобразователей, представлены на рис. 5 и 6. На рис. 5 показаны зависимости от приложенных напряжений относительных значений коэрцитивной силы и среднеквадратичных значений напряжений МШБ U, полученных при расположении преобразователя на образцах из армко-железа и никеля в двух направлениях: вдоль (кривые 1 и 2) и поперек оси приложения нагрузки (кривые 1' и 2'). Значения коэрцитивной силы Н_сэ, определенные с использованием П-образного приставного электромагнита, приведены к значению коэрцитивной силы Н_сэ⁰ при нулевой нагрузке.

Зависимости от приложенных напряжений относительных значений коэрцитивной силы и среднеквадратичных значений напряжений U, полученных при расположении преобразователя в двух взаимно-перпендикулярных направлениях на составном образце со стороны слоя из армко-железа (кривые 1 и 1') и со стороны слоя из никеля (кривые 2 и 2'), приведены на рис. 6. В случае, когда приставной датчик был расположен со стороны составляющей из армко-железа, полученные зависимости коэрцитивной силы двуслойных образцов при растяжении и сжатии качественно подобны зависимостям, соответствующим образцу из армко-железа. Это объясняется тем, что при таком варианте расположения приставного датчика не осуществляется полного промагничивания всего составного материала, магнитный поток распределяется неравномерно: большая его часть локализуется в компоненте с более высокой магнитной проницаемостью, то есть в слое из армко-железа. Количественные же отличия кривых 1 и 1' рис. 5 и кривых 1 и 1' рис. 6 при формировании измеряемых магнитных характеристик составного образца обусловлены вкладом составляющей из никеля.

Как видно из рис. 6, к напряжениям сжатия наиболее чувствительна коэрцитивная сила, измеренная приставным датчиком со стороны материала с отрицательной магнитострикцией, а к растягивающим одноосным напряжениям - коэрцитивная сила, измеренная со стороны компонента с положительной магнитострикцией. В то же время среднеквадратичные значения напряжения магнитных шумов Баркгаузена, измеренные как вдоль, так и поперек направления нагружения, при расположении датчика со стороны никелевой составляющей, имеют достаточно высокую чувствительность во всем интервале приложенных одноосных напряжений.

Рис. 5 Зависимости H_сэ/Н_сэ⁰()(а) и среднеквадратичных значений напряжения U (б) от величины приложенных напряжений, полученные в полузамкнутой магнитной цепи, для образцов из армко-железа и никеля. Кривые 1, 2 - измерения вдоль направления оси приложения нагрузки, 1', 2' - поперек оси приложения нагрузки. Кривые 1, 1' - армко-железо, кривые 2, 2' - никель

Рис. 6 Зависимости H_сэ/Н_сэ⁰() (а) и среднеквадратичных значений напряжения U (б) от величины приложенных напряжений, полученные в полузамкнутой магнитной цепи, для составного образца. Кривые 1, 2 - измерения вдоль направления оси приложения нагрузки, 1', 2' - поперек оси приложения нагрузки. Кривые 1, 1' - датчики расположены со стороны армко-железа, кривые 2, 2' - со стороны никеля

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В условиях упругого деформирования одноосным растяжением и сжатием изучены закономерности изменения ряда магнитных характеристик армко-железа и никеля, обладающих магнитострикцией разных знаков, а также двуслойного материала, составленного из них.

Установлен характер изменения магнитострикции составного образца Fe-Ni при увеличении приложенных растягивающих и сжимающих напряжений. Отмечено, что на деформационное поведение полевых зависимостей магнитострикции составного образца, измеренных со стороны одной составляющей, существенное влияние оказывает вторая, удаленная от измерительного устройства составляющая. В частности, это влияние проявляется в наличии в слабых полях особенностей в виде нехарактерных положительных или отрицательных участков при максимальных растягивающих и сжимающих напряжениях при измерениях магнитострикции составного образца соответственно со стороны никеля и армко-железа.

Для оценки напряженного состояния двуслойного материала, составляющие которого обладают магнитострикцией разных знаков, предпочтительнее использовать в качестве информативного параметра среднеквадратичные значения напряжения магнитных шумов Баркгаузена, измеренные как вдоль, так и поперек направления нагружения, при этом расположение датчика должно быть со стороны слоя, обладающего отрицательной магнитострикцией.

При выполнении настоящей работы для проведения измерений магнитных и механических характеристик было использовано оборудование ЦКП “Пластометрия” при ИМАШ УрО РАН.

Работа выполнена при частичной поддержке Программы УрО_25П (проект № 12-П-1-1027 и проект № 12-Т-1-1010), междисциплинарного проекта с ИОС УрО РАН им. И.Я. Постовского и ИПХЭТ СО РАН № 12-М-123-2045, гранта РФФИ № 13-01-00732.

Литература

1. Э.С. Горкунов, С.М. Задворкин, И.Г. Емельянов, С.Ю. Митропольская. Закономерности изменения магнитных характеристик двухслойных изделий из углеродистых сталей в условиях растяжения. Физика металлов и металловедение. 2007, Т. 103, № 6, с. 657-666.

2. Э.С. Горкунов, С.М. Задворкин, А.М. Поволоцкая, Д.И. Вичужанин. Оценка деформационного состояния одно- и двуслойных ферромагнитных материалов по их магнитным характеристикам. Дефектоскопия. 2007, № 11, с. 3-14.

3. Э.С. Горкунов, С.М. Задворкин, Е.А. Путилова, А.М. Поволоцкая, Л.С. Горулева, И.А. Веретенникова, И.С. Каманцев. Использование магнитного структурно-фазового анализа для диагностики состояния композиционного материала “сталь 08Х18Н10Т - сталь Ст3” и составляющих его компонент, подвергнутых пластической деформации. Дефектоскопия. 2012, № 6, с. 30-43.

4. С.В. Вонсовский, Я.С. Шур. Ферромагнетизм. М.-Л.: ОГИЗ. 1948, 816 с.

Размещено на Allbest.ru