Магнетизм и намагничивание

Носители магнетизма в металле – элементарные электрические токи в атомах (гипотеза Ампера), создаваемые вращением электронов вокруг ядра (рис. 2.61, а), прецессионным движением (качанием) электронных орбит (рис. 2.61, б) и вращением электронов вокруг своей оси – спином электрона (рис. 2.61, в). Последний вносит наибольший вклад в образование магнитного поля в атоме.

Элементарные токи в каждом атоме формируют атомные магнитные моменты , которые, складываясь между собой, образуют магнитное поле атома и, в конечном счете, вещества в целом. Однако большинство веществ не проявляет магнитных свойств, так как магнитные моменты их атомов направлены произвольно и взаимно компенсируют друг друга, т. е. размагничиваются уже в небольшом своем объеме.

Существуют материалы с высокой способностью к намагничиванию – ферромагнетики. Их в природе насчитывается немного. Главный среди них – железо. На его основе с добавками никеля, кобальта, вольфрама и алюминия созданы все ферромагнитные сплавы. У них совершенно особая структура. Даже если нет внешнего магнитного поля, моменты миллионов соседних атомов самопроизвольно выстраиваются параллельно друг другу, образуя микроскопические области, так называемые домены – идеальные магниты в миниатюре. Это крошечные, в обычном представлении, но огромные по сравнению с размерами атомов области. Число атомов в них составляет порядка 10¹⁵, а размеры в поперечнике достигают 10 мкм. Все магнитные моменты атомов внутри домена ориентированы одинаково, т. е. эта область намагничена до насыщения и представляет собой относительно сильный постоянный магнит. Она характеризуется магнитным моментом домена.

Если нет внешнего магнитного поля, то магнитные моменты доменов направлены беспорядочно и взаимно компенсируют друг друга. Поэтому ферромагнетик в обычном своем состоянии не имеет результирующего магнитного момента, т. е. его намагниченность равна нулю.

Магнитные величины. При наложении на ферромагнетик внешнего магнитного поля каждый домен дает слагающую магнитного момента по направлению этого поля. Моменты доменов суммируются, и ферромагнетик приобретает результирующий магнитный момент . Свойство вещества увеличивать свой магнитный момент за счет возникновения элементарных магнитных моментов под действием внешнего магнитного поля называют намагничиванием. В качестве его меры принят вектор намагниченности , количественно равный магнитному моменту некоторого объема V вещества в точке внутри него . Вектор намагниченности характеризует собственное магнитное поле вещества, возникающее изнутри от суммарного действия доменов, и в десятки и сотни раз превышает первопричину, т. е. намагничивающее поле Н. Этому способствует не только значение напряженности Н внешнего поля, но и кристаллическая структура ферромагнетика, так как в пределах кристалла моменты доменов легче выстраиваются в одном направлении. Намагниченность М, А/м, связана с напряженностью Н зависимостью:

, (2.41)

где коэффициент χ – магнитная восприимчивость вещества.

Магнитная восприимчивость χ – безразмерная величина, характеризующая способность вещества намагничиваться. Она сложным образом зависит от напряженности магнитного поля Н, температуры, давления, способа изготовления, термообработки и химического состава, а также от «магнитной предыстории» материала. В зависимости от модуля и знака восприимчивости χ все вещества условно делят на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Диамагнетики имеют отрицательную магнитную восприимчивость: χ = –(10^–5–10^–7). Это означает, что они намагничиваются во внешнем магнитном поле навстречу вектору напряженности этого поля.

Парамагнетики намагничиваются во внешнем магнитном поле по направлению вектора его напряженности, т. е. имеют положительную магнитную восприимчивость: χ = 10^–1–10^–5.

Ферромагнетики – это вещества, в которых при температуре, меньшей точки Кюри, устанавливается состояние самопроизвольной намагниченности. Характерные признаки ферромагнетиков – высокое значение магнитной восприимчивости (χ = 1–10⁵) и существенная зависимость ее значения от напряженности внешнего магнитного поля.

поле М от доменов и намагничивающее поле Н складываются, образуя в веществе суммарное поле, характеризуемое магнитной индукцией В,

. (2.42)

Формула (2.42) учитывает и воздействующее поле Н, и тот вклад М, который привносит само вещество. Если Н характеризует магнитное поле, внешнее по отношению к ферромагнетику, то В определяет значение и 23.41) в формулу (2.42), имеем:

, т. е.

. (2.43)

Здесь , Гн/м, – абсолютная магнитная проницаемость, характеризующая способность вещества к намагничиванию; m₀ = 4p10^–7 Гн/м – магнитная проницаемость вакуума. Размерности m_а и m₀ совпадают;

– относительная магнитная проницаемость, величина безразмерная, широко употребляемая в инженерной практике, показывает, во сколько раз магнитные свойства (индукция) данного вещества лучше магнитных свойств вакуума, т. е. . Относительная магнитная проницаемость μ, так же как и χ, зависит от Н.

У диамагнитных веществ (медь, серебро, золото, цинк и др.) значения μ на несколько десятитысячных долей меньше единицы; у парамагнитных (алюминий, хром, платина, марганец и др.) μ на несколько десятитысячных больше единицы. Ферромагнитные материалы имеют μ >> 1, исчисляемое сотнями и тысячами единиц. Однородное магнитное поле в диамагнетиках ослабляется, в парамагнетиках усиливается. Среда с неоднородным магнитным полем диамагнитные вещества выталкивает, парамагнитные втягивает в себя.

Поскольку значения μ для диамагнитных и парамагнитных веществ почти не отличаются от единицы, и взаимодействие их с внешним полем слабое, то принимают, что магнитные свойства диамагнетиков и парамагнетиков равноценны вакууму.

В соответствии с ГОСТ 21105-87 магнитный контроль применим только для деталей из ферромагнитных материалов с μ ≥ 40.

Магнитная индукция В – основная характеристика магнитного поля в намагниченной среде, зависящая от свойств среды – μ_а в формуле (2.43). Величина векторная, определяется по механическому действию магнитного поля на проводник длиной l с током I по закону Ампера (2.20) в виде: , т. е. .

Положив F = 1Н, I = 1А, l = 1м, получим, что в системе единиц СИ магнитная индукция измеряется в ньютонах, деленных на ампер-метр, или килограммах – ампер-секунда в квадрате: .

Этим тождественным единицам присвоено наименование «тесла» – Tл. 1 Tл – достаточно крупная единица. При магнитном контроле используются поля 0,025–0,060 Tл или 25–60 мTл от постоянных магнитов, при намагничивании деталей в соленоидах – до 100–200 мTл, электромагнитами – до 1,0 Tл. Магнитная индукция в ферромагнетиках может достигать 2–2,5 Tл.

Первопричиной индукции В является намагниченность М (см. формулы (2.41) и (2.42)), которая в сотни и сотни раз превышает напряженность Н в слабых намагничивающих полях. В сильных полях величина М становится сравнимой с Н. Последняя, являясь, в отличие от В вспомогательной магнитной величиной, не зависит от свойств среды.

Линии магнитного поля, пронизывающие деталь или вещество, называют линиями магнитной индукции. представляя собой как бы «упругие нити (М. Фарадей)», они, как и линии напряженности Н, нигде не пересекаются. Любая магнитная линия индукции является замкнутой на себя независимо от того, через какие среды ей приходится проходить.

Совокупность (общее число) магнитных линий, проходящих сквозь некоторую поверхность, ограниченную контуром, называют магнитным потоком Ф, который является величиной скалярной. Его определяют как сумму произведений векторной функции В на элементарные площадки , взятую по всей площади рассматриваемой поверхности S. В однородном поле

, (2.44)

где S – площадь пронизываемой плоскости, расположенной под углом α к линиям магнитной индукции В.

На основе закона электромагнитной индукции (М. Фарадей)

или , (2.45)

где е – наведенная ЭДС, В.

Положив е = 1В, t = 1с, получим: 1 единица магнитного потока = 1 В×1 с = 1 В×с = 1 Вб, которая в системе СИ называется «вебер» – Вб. Это очень крупная единица измерения, что видно из соотношения между данными единицами на основе выражения (2.43): , т. е. Вб – поток, создаваемый однородным магнитным полем с индукцией 1 Тл через площадь поперечного сечения 1 м². В практике магнитного контроля используют тысячные и миллионные доли Вб, т. е. мВб и мкВб.

Линии магнитной индукции, пересекая границы различных веществ, никогда не разрываются. Магнитный поток целиком проходит через замкнутую цепь ферромагнетиков. Такую совокупность называют магнитной цепью, которая представляет собой, например, деталь, намагничиваемую соленоидом, либо изделие, сопряженное с приставным магнитом. Здесь, так же как и для электрических цепей, используют законы, аналогичные законам Ома и Кирхгофа.

Если линии магнитной индукции замыкаются через ферромагнитный сердечник (магнитопровод), то магнитный поток в нем

, (2.46)

где F = Iw – магнитодвижущая сила (МДС), А×виток;

l_ср – длина средней линии магнитопровода, м;

S – сечение магнитопровода, м²;

– магнитное сопротивление, .

Магнитный поток в магнитной цепи прямо пропорционален МДС и обратно пропорционален магнитному сопротивлению. Магнитное сопротивление R_m ферромагнетика прямо пропорционально его длине, обратно пропорционально площади поперечного сечения и абсолютной магнитной проницаемости.

Для замкнутой магнитной цепи, содержащей участки l₁, l₂, l₃, …, МДС определяется законом полного тока:

. (2.47)

Так как H = B/μ_a = Ф/μ_aS, то

. (2.48)

Отсюда следует основной закон магнитной цепи:

. (2.49)

Кривая намагничивания и петля гистерезиса. кривая намагничивания и петля гистерезиса показывают процесс изменения намагниченности ферромагнетиков (рис. 2.62).

схема снятия кривой намагничивания ферромагнитного стержня, помещенного в соленоид, по обмотке которого протекает электрический ток I, приведена на рис. 2.63, а.

значение тока можно изменять реостатом R. Соленоид создает направленное по оси ферромагнетика поле в соответствии с (2.33).

В начальный момент цепь тока I разомкнута, напряженность Н и намагниченность М стержня равны нулю, домены ориентированы произвольно и магнитный момент При замыкании цепи и постепенном увеличении тока от нуля растет напряженность Н. Границы между доменами перемещаются так, что объем доменов с ориентацией магнитных моментов по намагничивающему полю Н растет за счет доменов других направлений. Магнитная индукция в ферромагнетике формируется как сумма намагниченности М, т. е. индукции, создаваемой доменами, и напряженности внешнего поля Н (см. (2.42)). зависимости μ₀Н, μ₀М и В = μ_аН изображены на рис. 2.63, б. Кривая М(Н) показывает, что намагниченность стержня вначале быстро увеличивается, а затем ее значение снижается до предельного μ₀М_m. Составляющая μ₀Н изменяется пропорционально напряженности внешнего поля Н. Складывая ординаты кривых μ₀Н и μ₀М, получаем зависимость, изображаемую кривой (рис. 2.63, б), называемой кривой первоначального намагничивания (КПН).

Кривая B = (рис. 2.63, б) нелинейна и может быть условно разделена на пять участков. Участок 1 соответствует упругому смещению границ между доменами. На участке 2 (область Релея) ориентация доменов в направлении внешнего поля скачкообразно изменяется и намагниченность ферромагнетика увеличивается. Участок 3 показывает необратимые смещения границ между доменами. Здесь магнитная проницаемость достигает максимального значения μ_max. В пределах участка 4 домены вырастают до максимально возможных размеров, и большинство атомных магнитных моментов во всем стержне оказывается выстроенным вдоль внешнего поля. Резервы роста внутреннего поля М за счет доменов исчерпаны, материал достигает состояния намагниченности насыщения М_s или технического насыщения, характеризуемого индукцией В_m и напряженностью Н_m. Увеличение Н > H_m на участке 5 уже не приводит к увеличению внутреннего поля М, индукция В возрастает только за счет увеличения внешнего поля – Н. Здесь КПН становится линейной,

Из-за нелинейного характера КПН выделяют начальную и максимальную магнитную проницаемость (рис. 2.64), которые определяются как тангенсы углов наклона касательных к кривой намагничивания в точках Н = 0 и Н = Н_m: ;

.

Используют также дифференциальную магнитную проницаемость (рис. 2.64).: .

Значения дифференциальной магнитной проницаемости m_d, получаемые по восходящей и нисходящей петлям гистерезиса, отличаются друг от друга.

Если напряженность Н уменьшать, поле В в стержне будет также уменьшаться, но не «вдоль» той кривой, по которой оно нарастало (рис. 2.62). Это явление называется магнитным гистерезисом (уменьшение В «запаздывает»). При Н = 0 индукция В в стержне не становится равной нулю, а принимает положительное значение В_r, т. е. «остается» в материале. Остаточной индукцией В_r (рис. 2.62) называют индукцию, значение которой сохраняется в предварительно намагниченном до насыщения ферромагнетике после снятия намагничивающего поля. Если значение индукции велико, то материал может быть хорошим постоянным магнитом. Чтобы размагнитить стержень, т. е. уменьшить В_r до нуля, необходимо изменить знак и увеличивать поле Н в обратном направлении до значения коэрцитивной силы Н_с, т. е. удерживающей намагниченность (рис. 2.62). Коэрцитивной силой Н_с называют величину размагничивающего поля, которое должно быть приложено, чтобы установить нулевое значение индукции в ферромагнетике.

Когда воздействующее поле совершает полный цикл изменения (от +Н_m до 0 и далее до –Н_m, а затем в обратную сторону до 0 и далее до +Н_m), индукция В изменяется по симметричной замкнутой кривой, называемой петлей гистерезиса. При совершении нескольких циклов перемагничивания петля принимает окончательную неизменяемую форму и называется предельной. Существуют также частные петли гистерезиса, получаемые при меньших, чем Н_m, значениях предельной напряженности поля. При несимметричном относительно нуля изменении значений напряженности поля, обычно в небольших пределах, но с сохранением знака, формируются несимметричные частные циклы.

Если время установления напряженности поля соизмеримо с временем перемагничивания материала, то определяемые в этом режиме характеристики называют динамическими. Основным влияющим фактором при этом являются вихревые токи. Они создают магнитное поле, направленное навстречу внешнему полю, уменьшающему магнитную индукцию. При увеличении частоты вихревые токи возрастают, что приводит к уменьшению В. Вихревые токи вызывают тепловые потери, что приводит к расширению петли гистерезиса. В связи с этим различают статическую и динамическую петли гистерезиса. Статическую получают при очень медленном изменении Н, при котором можно пренебречь действием вихревых токов. при перемагничивании ферромагнетиков переменным полем Н, когда влияние вихревых токов становится значительным, получают динамическую петлю, как геометрическое место вершин частных динамических петель. Отношение индукции к напряженности по этой кривой называют динамической магнитной проницаемостью m_дин.

Необходимо подчеркнуть, что отмеченные четыре параметра – остаточная индукция В_r, коэрцитивная сила Н_с, относительная магнитная проницаемость m_н и m_max – являются основными, по ним производят анализ и выбор магнитных материалов для решения различных задач, в том числе и дефектоскопических. Их значения приводятся в справочниках по магнитным материалам.

Чем выше намагниченность материала М, тем выше его относительная проницаемость m и индукция поля В внутри материала. Начальная проницаемость m_н характеризует свойства материала в слабых магнитных полях. Если материал имеет узкую петлю ( ), более высокие значения m_н, то его относят к магнитомягким материалам (МММ) (рис. 2.65). Это незакаленные малоуглеродистые электротехнические стали и пермаллои – предельно магнитомягкие (Н_с £ 1 А/м), преимущественно железоникелевые сплавы.

По значению Н_с обычно судят о принадлежности ферромагнетиков к магнитотвердым материалам (Н_с ³ 10³ А/м) (МТМ). Ширина петли магнитотвердых сталей в десятки, сотни раз превышает ширину петли гистерезиса магнитомягких. К ним относят закаленные высокоуглеродистые (инструментальные) легированные конструкционные стали, ферриты, а также сплавы для постоянных магнитов.

На подвижном составе железных дорог к магнитомягким материалам относят стали для изготовления ударно-тяговых механизмов, рам тележек, колесных пар и др., к магнитотвердым – стали роликов, внутренних и наружных колец буксовых подшипников (ШХ9, ШХ15С и др.), рельсовые стали.

Характеристика связей магнитных и физико-механических свойств ферромагнетиков. с физической точки зрения ферромагнетики обладают характерными механическими, магнитными и электрическими свойствами, которые описываются упругими константами, магнитной восприимчивостью, электропроводностью и могут быть измерены. С технической точки зрения интерес представляют такие параметры металлов, как твердость, пластичность, предел прочности, геометрические размеры. В магнитном контроле используются зависимости, существующие между отдельными физическими (магнитными) свойствами и техническими, например, приведенные в табл. 2.17. Эти связи возникают тогда, когда одни и те же физические и химические процессы образования структуры и фазового состава ферромагнитных сталей формируют также и их магнитные свойства, или в процессе эксплуатации изделий, когда их свойства деградируют. Закономерности данных связей не поддаются расчету, носят корреляционный характер и устанавливаются в основном экспериментально.

Таблица 2.17

Измеряемые физические и технические свойства

ферромагнетиков

многочисленные исследования [19] указывают на следующие факторы, образующие связи магнитных и физико-механических свойств ферромагнитных материалов.

Химический состав ферромагнетиков. Сплавы ферромагнетиков друг с другом или с неферромагнитными материалами дают широкий спектр получаемых значений магнитных параметров. Например, присадки никеля до 30 % уменьшают намагниченность М, повышение его содержания от 30 % ведет к интенсивному росту М, а затем – к монотонному ее уменьшению до значения в чистом никеле. Небольшие колебания примесей углерода или легирующих элементов также приводят к резким изменениям магнитных свойств материалов. Например, при увеличении содержания углерода в стали на 15 % магнитная проницаемость m_max может уменьшаться, коэрцитивная сила Н_с увеличиваться более чем в 10 раз, в то время как индукция насыщения В_s и остаточная В_r остаются практически неизменными. Такие изменения открывают широкие возможности для магнитного контроля химического состава ферромагнитных материалов. Исследования свидетельствуют о том, что оценку значений магнитных параметров одного вида стали нельзя распространять на другие близкие по физико-механическим свойствам стали, так как даже незначительные примеси могут сильно изменить магнитные свойства.

Механическая обработка. проявляется как влияющий фактор при целенаправленной обработке или как сопутствующее явление при реализации разнообразных технологических операций. Например, наклеп, сопровождающий штамповку или токарную обработку, приводит к увеличению коэрцитивной силы Н_с и уменьшению магнитной проницаемости m. Аналогичный эффект имеет место на поверхностях катания колес и рельсов в процессе эксплуатации подвижного состава железных дорог.

термическая обработка. Закалка и отпуск – основные виды термической обработки – сильно изменяют структуру и магнитные свойства стали. характер изменения величин В_r, m_max, Н_с, а также твердости по Роквеллу (HRC) легированной стали ШХ15 в зависимости от температуры закалки Т_зак и отпуска Т_отп показан на рис. 2.66, 2.67. Из этих зависимостей видно, что коэрцитивная сила Н_с изменяется немонотонно с изменением Т_зак. Значит, изменение Н_с для определения Т_зак данной марки неэффективно. В то же время методы, основанные на измерении m_max, здесь пригодны. Монотонная зависимость тех же характеристик от Т_отп позволяет применить для контроля низкотемпературного отпуска коэрцитиметрический метод.

Химико-термическая обработка. Различные ее виды, основанные на поверхностном насыщении стальных деталей углеродом (цементация), азотом (азотирование), бором (борирование) и другими элементами с целью повышения их поверхностной прочности, также приводят к значительным изменениям магнитных свойств ферромагнитных материалов.

Вопросы, изложенные в этом разделе, рассмотрены в [49].