Глава первая
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ
1-1. ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ СОВРЕМЕННОЙ ТЕОРИИ ФЕРРОМАГНЕТИЗМА
Согласно современной теории ферромагнетизма [Л. 1-1 —1-6] основная особенность ферромагнитных веществ (Fe, Со, Ni, Gd, Dy, Tb, Ho, Er, Tm, их сплавов и соединений) заключается в том, что они состоят из областей самопроизвольного намагничивания (доменов), намагниченных до насыщения. В образце, находящемся в размагниченном состоянии, домены располагаются так, что результирующая намагниченность образца равна нулю. Между соседними доменами имеются границы, ширина которых исчисляется долями микрона. Размеры доменов возрастают с увеличением длины образца (или кристаллитов в поликристаллическом материале), и их ширина составляет применительно к железокремнистому сплаву сотые и десятые доли миллиметра.
Вектор намагниченности в граничном слое между противоположно намагниченными доменами постепенно поворачивается из одного направления в другое. При наложении магнитного поля на ферромагнитный образец происходит перестройка векторов намагниченности отдельных доменов в направлении поля. Работа, необходимая для перестройки доменной структуры образцов, зависит от кристаллической текстуры, металлографической структуры и напряжений.
Наименьшая работа затрачивается при намагничивании ферромагнетика вдоль направления легкого намагничивания. Для монокристаллов железа и железокремнистого сплава такими направлениями являются ребра куба (<100>), для монокристаллов никеля — пространственная диагональ (<111>), а в монокристалле кобальта — гексагональная ось (<0001>).
Рис. 1-1. Порошковые фигуры.
В монокристаллах ферромагнетиков имеются и направления наиболее трудного намагничивания. Это является результатом различного магнитного взаимодействия атомов по различным кристаллографическим направлениям. Энергия, расходуемая на преодоление магнитного взаимодействия атомов при намагничивании ферромагнетика, называется энергией анизотропии. Расположение осей легкого намагничивания в монокристаллах по кристаллографическим направлениям соответствует минимуму энергии анизотропии.
Общее выражение энергии магнитной анизотропии недеформированного образца монокристалла с кубической решеткой по Акулову [Л. 1-1] имеет вид:
Рис. 1-2. Порошковые фигуры поликристаллического образца трансформаторной стали с близкой кристаллографической ориентацией зерен.
На поверхности образца ферромагнетика вдоль границ доменов имеются сильные поля рассеивания, что дает возможность визуального наблюдения этих границ [Л. 1-7, 1-8].
Достигается это путем покрытия полированной поверхности образца магнитной суспензией, причем взвешенные частицы суспензии концентрируются по границам областей самопроизвольной намагниченности.
На рис. 1-1 показана микрофотография наиболее простой порошковой фигуры, предсказанной Л. Ландау и Е. Лифшицем [Л. 1-9]. На верхней части рисунка видны замыкающие области, благодаря которым магнитный поток из одной области переходит в другую.
Когда на поверхность образца выходит ребро куба, то порошковые фигуры имеют вид, показанный на рис. 1-2. Если же на поверхность образца не выходит ни одно ребро куба, то образуются дополнительные замыкающие области и порошковые фигуры имеют более сложный вид (рис. 1-3).
Образование доменов в ферромагнитных телах приводит к снижению магнитостатической энергии. Наличие в ферромагнетике внутренних напряжений требует при его намагничивании дополнительных затрат энергии. Эта энергия называется магнитоупругой, ее величина зависит от внешних напряжений σ, приложенных к образцу и магнитострикции насыщения λ (относительное изменение размеров образца под действием магнитного поля). Магнитоупругая энергия может быть представлена формулой [Л. 1-10].
Рис. 1-3. Порошковые фигуры поликристаллического образца трансформаторной стали с различной кристаллографической ориентацией зерен.
(1-2)
где φ — угол между вектором намагниченности и направлением действующих внешних напряжений.
Рис. 1-4. Порошковые фигуры деформированного образца трансформаторной стали.
Магнитоупругая энергия зависит от направления вектора намагниченности в кристалле и создает дополнительные выгодные энергетические направления. Если магнитоупругая энергия больше энергии магнитной анизотропии (λσ>Α), то домены ориентируются не вдоль кристаллографических осей легкого намагничивания, а связаны с направлением приложенных к образцу напряжений. В образцах с большими механическими напряжениями стенки между доменами извилисты, вследствие чего магнитная структура является более сложной по сравнению с недеформированным кристаллом (рис. 1-4).
Рассмотрим процессы намагничивания и перемагничивания ферромагнетиков, исходя из их доменной структуры. В отсутствие внешнего магнитного поля ферромагнитный образец, охлажденный при отжиге с температуры выше точки Кюри, не обнаруживает намагниченности. При наложении внешнего магнитного поля происходит переориентировка доменов, в результате чего образец намагничивается.
Намагничивание ферромагнетика происходит процессом смещения границ доменов и процессом вращения вектора намагниченности доменов. Рассмотрим процесс намагничивания на образце, имеющем только одну ось легкого намагничивания (кобальт).
Рис. 1-5. Схема намагничивания образца за счет процессов смещения границ между доменами.
а — Н=0; б — Н1>0, в— Н2>Н1
Рис. 1-6. Схема намагничивания за счет процессов смещения и вращения доменов.
а — Н=0; б — процесс смещения при Н=НН1 окончен; в — при Н2>Н1 происходит процесс вращения; г — при Н3>Н2 процесс вращения окончен.
При наложении внешнего поля вдоль этой оси весь процесс будет осуществляться за счет смещения границ доменов (рис. 1-5).
Рис. 1-7. Типы соседств доменов.
а — 180-градусное; б — 90-градусное.
При напряженности магнитного поля Н1 (рис. 1-5,6) домены, направленные вдоль поля, значительно расширены за счет доменов, в которых магнитные моменты антипараллельны полю и при напряженности поля Н2 (рис. 1-5, в) эти области полностью исчезают.
Если магнитное поле приложено не вдоль оси легкого намагничивания, а под некоторым углом к ней, то процесс намагничивания осуществляется сначала за счет смещения границ доменов (рис. 1-6, б), а затем путем вращения вектора самопроизвольной намагниченности к направлению внешнего поля (рис. 1-6, в, г). На рис. 1-5 и 1-6 для упрощения изложения не показаны замыкающие области на торцах образцов.
В материале -с одной осью легкого намагничивания направления вектора намагниченности в соседних доменах прямо противоположны, т. е. угол между ними составляет 180° (рис. 1-7, а), такое расположение доменов называется 180-градусным соседством.
В материалах с тремя осями легкого намагничивания (железо) магнитная структура является более сложной, так как кроме областей со 180-градусным соседством -имеются области, в которых векторы намагниченности соседних доменов располагаются под углом 90° (рис. 1-7, б). Домены с таким расположением вектора намагниченности получили название областей с 90-градусным соседством.
При равномерном распределении доменов по трем взаимно перпендикулярным ребрам куба на каждое направление приходится 1/3 объема всех доменов. Это соответствует случаю отсутствия магнитной текстуры в стали. Если в образце имеется неравномерное распределение доменов по различным направлениям, вызванное кристаллической текстурой, анизотропией формы образца или односторонними растяжениями, то в таком образце имеется магнитная текстура.
Намагничивание кристалла ферромагнетика с тремя осями легкого намагничивания в сравнительно слабых полях происходит за счет смещения границ между доменами и роста доменов, для которых вектор намагниченности составляет наименьший угол с направлением внешнего магнитного поля, а в сильных полях за счет процессов вращения вектора намагниченности доменов по направлению к магнитному полю. При намагничивании реальных ферромагнетиков нельзя строго установить границы между завершением процессов смещения и началом процессов вращения. В некоторой области магнитных полей эти два процесса существуют одновременно.
Различают процессы обратимого и необратимого смещения границ между доменами. Обратимое смещение границ происходит в очень слабых магнитных полях (для электротехнической стали — десятые доли ампер на метр) и характеризуется тем, что при исчезновении внешнего магнитного поля границы возвращаются в прежнее положение.
В достаточно сильных магнитных полях (для электротехнической стали порядка 5-104 а/м) намагниченность образцов достигает почти предельного значения, что соответствует так называемому техническому насыщению. При дальнейшем увеличении поля происходит лишь незначительный рост намагниченности вплоть до истинного насыщения.
Исходя из современных представлений теории ферромагнетизма, кривую намагничивания можно разделить примерно на четыре участка (рис. 1-8). Первый участок соответствует обратимому смещению границ между областями самопроизвольной намагниченности (напряженность поля для электротехнической стали десятые доли ампер на метр).
Второй участок отражает необратимое смещение границ. Изменение намагниченности на этом участке происходит скачкообразно (за счет необратимых скачков Баркгаузена). Эти скачки обусловливают ступенчатость кривой намагничивания в области полей, соответствующих участку 2. Характер изменения намагниченности в увеличенном масштабе на рис. 1-8 показан справа. На этом участке имеется наиболее крутой подъем кривой намагничивания.
Рис. 1-8. Кривая намагничивания ферромагнитного образца.
1 — обратимое смещение границ между доменами; 2 — необратимое смещение границ; 3 — намагничивание за счет процесса вращения доменов; 4 — намагничивание образца до насыщения.
Рис. 1-9. Кривые намагничивания монокристальных образцов железа никеля и кобальта для различных кристаллографических направлений.
Интервал напряженности магнитных полей, соответствующих участку 2, зависит от кристаллической текстуры стали. Для нетекстурованной стали максимальное поле, соответствующее этому процессу, составляет 4-102—8-102 а/м, а для текстурованной стали при намагничивании образца вдоль направления прокатки оно значительно меньше.
Третий участок характеризуется процессом вращения вектора намагничивания к направлению внешнего поля.
Рис. 1-10. Цикл гистерезиса ферромагнитного образца.
На этом участке достигается техническое насыщение ферромагнетика. Намагниченность электротехнической стали при напряженности магнитного поля 1·105 а/м отличается от намагниченности истинного насыщения меньше чем на 1 %.
Четвертый участок кривой намагничивания соответствует процессу истинного намагничивания ферромагнетика, называемому парапроцессом. На этом участке полностью заканчиваются процессы вращения (Н=106 а/м для электротехнических сталей).
При намагничивании монокристальных образцов вдоль различных кристаллографических направлений вид кривых намагничивания будет различным (рис. 1-9). Намагничивание монокристаллов железа вдоль ребер куба осуществляется за счет процессов смещения, и кривая намагничивания идет круто. При намагничивании вдоль пространственной диагонали, где большую роль играют процессы вращения, кривая намагничивания идет полого.
При помещении ферромагнитного образца в периодическое знакопеременное поле величина и знак вектора магнитной индукции описываются циклом гистерезиса (рис. 1-10).
Площадь цикла пропорциональна энергии, затрачиваемой внешним источником на перемагничивание 1 м3 образца.
В процессе намагничивания и перемагничивания ферромагнитных тел происходит изменение их размеров, называемое магнитострикцией. Явление магнитострикции вызывается изменением силы магнитного взаимодействия между атомами в процессе намагничивания, в результате чего изменяется параметр решетки. Различают несколько видов магнитострикции:
- продольную — относительное изменение длины образцов (λ=Δl/l) вдоль направления намагничивания;
- поперечную — относительное изменение линейных размеров образца в направлении, перпендикулярном приложенному полю (λ=Δl/l).
- объемную — относительное изменение объема образца (λ=Δυ/υ) в процессе намагничивания.
Явление магнитострикции наблюдается в ферромагнетиках, имеющих домены с 90-градусным соседством и в области полей, где намагничивание происходит за счет процессов вращения.
Намагничивание образцов за счет смещения границ между доменами со 180-градусным соседством не вызывает изменения их размеров. Таким образом, по величине магнитострикции насыщения можно судить о магнитной текстуре ферромагнетиков.
Магнитострикция различных ферромагнетиков может быть положительной и отрицательной, что соответствует удлинению или укорочению образца.
Значения магнитострикции при намагничивании ферромагнетика до насыщения вдоль осей <100> и <111> называют постоянными магнитострикции и обозначают λ100 и λ111. Магнитострикция монокристалла при намагничивании образца вдоль оси <110> не является самостоятельной характеристикой и определяется постоянными магнитострикции λ100 и λ111.
