Глава шестая
ВЛИЯНИЕ УПРУГИХ НАПРЯЖЕНИЙ НА МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ
6-1. ВЛИЯНИЕ УПРУГИХ НАПРЯЖЕНИЙ НА МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА СТАЛИ
Из теории ферромагнетизма следует, что упругие напряжения оказывают различное влияние на магнитные свойства ферромагнитных веществ. Магнитоупругая энергия, возникающая под действием односторонних растягивающих или сжимающих напряжений, зависит от угла между магнитным моментом и осью напряжений (§ 1-1)
(6-1)
Если величина магнитострикции λ положительная и в образце созданы растягивающие напряжения (т. е. λ и σ имеют одинаковые знаки), то минимум магнитоупругой энергии будет при наименьшем значении φ. Если λ и σ имеют разные знаки, то минимум Fмy будет при φ=90°.
Рис. 6-1. Изменение магнитной структуры ферромагнитных материалов с положительной и отрицательной магнитострикцией под действием упругих напряжений.
Так как всякая система стремится к состоянию минимума энергии, то магнитные моменты под действием упругих напряжений будут устанавливаться в таком положении, при котором магнитоупругая энергия была бы минимальной. В ферромагнетике с положительной магнитострикцией под действием внешних упругих растягивающих напряжений происходит перестройка магнитной структуры с преимущественным расположением магнитных моментов вдоль оси растяжения (рис. 6-1, б), что приводит к улучшению магнитных характеристик вдоль этого направления. Типичным представителем таких ферромагнетиков является пермаллой, у которого постоянные магнитострикции по трем главным кристаллографическим осям положительны. При сжатии образца пермаллоя магнитные моменты отходят от оси сжатия и магнитная проницаемость образца понижается (рис. 6-1, в). В никеле с отрицательной магнитострикцией при растяжении и сжатии происходят обратные явления — при растяжении проницаемость уменьшается, а при сжатии увеличивается.
В железе и железокремнистом сплаве постоянные магнитострикции имеют разные знаки (λ100>0; λ111<0), что обусловливает более сложную зависимость магнитных свойств от знака и величины упругих напряжений. В области слабых магнитных полей, где осуществляются в основном процессы смещения границ доменов (λ100>0), магнитная проницаемость вдоль оси растяжения возрастает, а в сильных полях убывает. Дочка пересечения кривых намагничивания, соответствующих σ=0 и σ>0, обнаруженная впервые на железе, называется точкой Виллари по имени ученого, открывшего это явление. С увеличением растягивающих нагрузок точка Виллари для железа смещается в область более низких индукций.
Для текстурованной кремнистой стали с сильно выраженной магнитной текстурой при наложении растягивающих напряжений вдоль направления прокатки магнитные моменты будут оставаться в прежнем положении и улучшения магнитных свойств по этой причине ожидать не следует. Для образцов стали с несовершенной магнитной текстурой под действием растягивающих напряжений имеет место улучшение свойств стали.
Изменение индукции под действием нагрузки из термодинамических соображений описывается следующим соотношением:
(6-2)
Рис. 6-2. Зависимость магнитной индукции и коэрцитивной силы горячекатаной стали от растягивающей нагрузки.
Из (6-2) следует, что возрастание магнитной индукции под действием растягивающей нагрузки имеет место только при положительной магнитострикции, непрерывно возрастающей с полем.
Рассмотрим изменение магнитных свойств электротехнических сталей основных марок под действием одностороннего упругого растяжения или сжатия.
а) Односторонние упругие растяжения
Влияние упругих растягивающих напряжений, совпадающих с направлением внешнего магнитного поля, ранее рассматривалось в [Л. 6-1, 6-2 и др]. Было показано, что при растягивающих нагрузках на кривых B=f(σ) имеется максимум, а на кривых Hc=f(σ) — минимум. Для примера на рис. 6-2 приведены зависимости B10=f(σ) и Hc=f(σ) для горячекатаной трансформаторной стали. Наличие максимума на кривых μН=f(σ) было теоретически обосновано в [Л. 6-3].
Рис. 6-3. Изменение максимальной проницаемости электротехнической стали под действием растягивающих напряжений.
а — вдоль прокатки; б — поперек прокатки; 1 — текстурованная; 2 — горячекатаная трансформаторная; 3 — горячекатаная динамная.
Прежде всего следует остановиться на вопросе восстановления магнитных характеристик после снятия растягивающих напряжений. В [Л. 6-4] делается заключение, что после снятия растягивающих нагрузок 80—200 кгс/см2 удельные потери не восстанавливаются до 15%.
Рис. 6-4. Кривые намагничивания холоднокатаной текстурованной стали вдоль (0°) и поперек (90°) прокатки при растягивающих нагрузках.
а — σ=0; b — σ=71 кгс/см2; с — σ=276 кгс/см2; d — σ=468 кгс/см2; е — σ=627 кгс/см2; f— σ=931 кгс/см2.
Однако в [Л. 6-5] показано, что даже при растягивающих нагрузках до 1 700 кгс/см2 и их дальнейшем снятии магнитные характеристики восстанавливаются в полной мере. Это подтверждается и другими исследованиями.
В [Л. 6-6] исследовано влияние растягивающих нагрузок до 10 кгс/см2 для текстурованной и нетекстурованной стали. На рис. 6-3 по данным [Л. 6-6] приведено изменение максимальной проницаемости в текстурованной и нетекстурованной стали под действием растягивающих усилий. Максимальная проницаемость в текстурованной стали с возрастанием σ вдоль прокатки непрерывно снижается, а в нетекстурованной до σ=200 кгс/см2 повышается, а с дальнейшим увеличением нагрузки уменьшается.
Рис. 6-5. Кривые намагничивания стали Э12 при (различных растягивающих нагрузках.
Кривые намагничивания холоднокатаной текстурованной стали при упругом растяжении образцов по [Л. 6-6] представлены на рис. 6-4. Если для продольных образцов при всех нагрузках имеет место только снижение проницаемости, то для поперечных образцов до σ=70 кгс/см2 проницаемость стали повышается. Для образцов горячекатаной динамной стали (рис. 6-5) имеет место сначала повышение, а затем снижение магнитной проницаемости [Л. 6-2], что находится в соответствии с рис. 6-3.
Изучение удельных потерь при растягивающих нагрузках проводилось в [Л. 6-7, 6-8 и др.]. В этих работах показано, что изменение удельных потерь в текстурованной стали с растягивающими нагрузками тесным образом связано с величиной магнитострикции, что видно из табл. 6-1.
Удельные потери в текстурованной стали с разной магнитной текстурой при растягивающих нагрузках
В [Л. 6-9] рассматривалось изменение магнитных характеристик при растяжении образцов до 28 кгс/см2, находящихся при разных температурах (20—300°C). Из табл. 6-2, где приведены эти данные, следует, что снижение потерь при всех температурах образца является малым (2—3%).
Таблица 6-2
Удельные потери в холоднокатаной стали при разных температурах и растягивающих нагрузках
Таблица 6-3
Удельные потери в холоднокатаной текстурованной стали при растягивающих нагрузках для образцов, вырезанных под разными углами к прокатке
С увеличением растягивающих нагрузок до 800 кгс/см2 по данным [Л. 6-7] удельные потери холоднокатаной стали хорошего качества изменяются весьма незначительно. При этом мало изменяются и составляющие удельных потерь. Такая же картина имеет место и для образцов, вырезанных под углом 55° к прокатке. Зато для поперечных образцов происходит заметное снижение потерь [Л. 6-8]. В табл. 6-3 приведены эти данные.
Существенное снижение удельных потерь для поперечных образцов следует объяснить наведением магнитной текстуры вдоль оси растяжения. Это в соответствии с {Л. 2-3'5] вызывает прежде всего значительное снижение потерь на вихревые токи, что видно из следующих данных:
Однако в [Л. 6-10] показано, что для крупнокристаллических образцов с диаметром зерна 10—15 мм и монокристаллов с ориентацией (110) [001] при растягивающих нагрузках до 160 кгс/см2 можно добиться снижения удельных потерь в 2 раза. Для нетекстурованной стали, где магнитная текстура отсутствует, удельные потери от растягивающих напряжений также снижаются (табл. 6-4).
Таблица 6-4
Удельные потери и коэрцитивная сила в горячекатаной стали при растягивающих нагрузках
Односторонние упругие сжатия
Рис. 6-6. Три вида сжимающих напряжений.
а — прессующее; б — боковое; в — торцевое.
Можно различать три вида сжимающих напряжений, указанных на рис. 6-6. На практике чаще всего реализуется первый тип сжимающих напряжений (рис. 6-6, а),
который будет именоваться «прессующим давлением». Второй и третий типы сжимающих напряжений (6-6, б и в) осуществляются на практике значительно реже. Сжимающие напряжения по рис. 6-6, б будем называть боковым давлением, а по рис. 6-6, в — торцевым давлением. Если в первых двух видах сжимающих напряжений направление усилия и прилагаемого магнитного поля взаимноперпендикулярны, то для третьего вида напряжения они непараллельны между собой.
Прессующее давление
Рис. 6-7. Влияние прессующих давлений на изменение удельных потерь в стали Э330А с толщиной листа 0,35 мм (f=50 гц).
Изменение удельных потерь ∆р/р, %, стали Э330А от величины прессующего давления по данным [Л. 6-11] показано на рис. 6-7. До 4 кгс/см2 имеется почти линейная зависимость возрастания удельных потерь, а при σ>4 кгс/см2 возрастание удельных потерь замедляется.
С увеличением амплитуды магнитной индукции значения ∆р/р, %, снижаются. Следует заметить, что в разных образцах одной и той же марки и одних и тех же прессующих давлениях возрастание потерь (∆р/р, %) отличается до 2 раз. Так, для стали Э330А при σ=10 кгс/см2 величина ∆р/р, %, изменяется от 25 до 60%. Основная доля увеличения удельных потерь от прессующих давлений приходится на вихревые токи, что видно из следующих данных:
Рис. 6-8. Кривые намагничивания образцов холоднокатаной стали Э330А при разных значениях прессующего давления.
Заметное увеличение потерь от вихревых токов при прессующих давлениях следует связать со снижением магнитной текстуры. Для поперечных образцов повышение общих потерь при прессующих давлениях происходит в меньшей степени и только за счет потерь от вихревых токов, а потери от гистерезиса при этом даже несколько понижаются:
В [Л. 6-12] показано, что изменение Δρ/ρ, %, при прессующих давлениях в зависимости от угла к направлению прокатки (0—55°) проходит по линейному закону,
а для φ=55-90 значения практически остаются постоянными:
Магнитная проницаемость для продольных образцов с увеличением прессующего давления снижается (рис. 6-8). Наибольшее снижение проницаемости происходит в средних магнитных полях, а при Н>1000 а/м проницаемость остается неизменной.
Для образцов горячекатаной стали увеличение удельных потерь и снижение магнитной проницаемости от прессующих давлений в несколько раз меньше, чем для текстурованной стали:
Боковое давление
Рис. 6-9. Увеличение удельных потерь стали Э330А от бокового давления (f=50 гц).
При боковом давлении σ=0-10 кгс/см2 (рис. 6-6, б) магнитные характеристики ухудшаются в такой же степени, что и при прессующем (рис. 6-9, 6-10). С увеличением бокового давления до 40 кгс/см2 происходит дальнейшее увеличение удельных потерь и снижение проницаемости [Л. 6-11]. Увеличение удельных потерь при боковом, как и прессующем давлении, происходит в основном за счет возрастания потерь от вихревых токов:
Для поперечных образцов холоднокатаной стали от бокового давления магнитные характеристики изменяются слабее, чем для продольных образцов: 
Горячекатаная сталь к боковому давлению менее чувствительна, чем холоднокатаная текстурованная. Для примера приведем изменение свойств от бокового давления для стали Э43:
Для образцов динамной стали увеличение удельных потерь еще меньше.
Торцевое давление
Применительно к одной величине давления (10 кгс/см2) изменения магнитных характеристик от торцевого давления (Δρ/ρ и ΔΗ/Η) являются наименьшими по сравнению с боковым и прессующим давлениями (рис. 6-11, 6-12), но с увеличением торцевых давлений до 200 кгс/см2 удельные потери увеличиваются более чем в 2 раза [Л. 6-11] и возрастание происходит в основном за счет потерь от вихревых токов.
Рис. 6-11. Увеличение удельных потерь стали Э330А от торцевого давления (f=50 гц).
Для стали М-6 имеем следующее изменение потерь с возрастанием торцевого давления:
Для поперечных образцов потери от гистерезиса и вихревых токов от торцевого давления возрастают почти в одинаковой степени:
Заметное увеличение потерь от вихревых токов при трех видах сжимающих нагрузок следует связать с разрушением магнитной текстуры. По данным [Л. 6-13] имеется следующее изменение магнитострикции λ1,5 при В=1,5 тл от торцевого давления:
В [Л. 6-14] исследовалось влияние сжимающих и растягивающих торцевых давлений при нагрузках до 2 000 кгс/см2 для текстурованной и нетекстурованной стали. Из рис. 6-13 следует, что при сжимающих нагрузках
1 000 кгс/см2 удельные потери p1,5/50 увеличиваются в 5 раз для текстурованной стали и в 1,7 раза для нетекстурованной.
Рис. 6-12. Кривые намагничивания стали Э330А при разных значениях торцевого давления.
В [Л. 6-14] исследовалась также полная удельная мощность, в·а/кг, которая оказалась более чувствительной к торцевым давлениям, чем удельные потери.
В [Л. 6-9] изменение удельных потерь при торцевом давлении исследовалось при разных температурах образца (табл. 6-5).
Таблица 6-5
Удельные потери и коэрцитивная сила при разных торцевых давлениях и температурах образцов текстурованной стали
Из данных табл. 6-5 следует, что с повышением температуры образца возрастание удельных потерь от растягивающих нагрузок несколько усиливается.
Рис. 6-13. Зависимость удельных потерь и полной удельной мощности от торцевых давлений.
а — горячекатаная (Si=3,4%); б — холоднокатаная, продольные образцы; в — холоднокатаная, поперечные образцы.
