1-6. ВЛИЯНИЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ НА МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ
Магнитные свойства электротехнических сталей являются структурно чувствительными. Они зависят от внутренних напряжений, количества примесей, их состава и дисперсности, размеров зерна, его совершенства, наличия кристаллической и магнитной текстуры.
Рис. 1-32. Влияние холодной деформации на удельные потери текстурованной стали.
P1 — удельные потери до деформации; Р2 — удельные потери после деформации.
Напряжения в стали приводят к значительному ухудшению ее магнитных свойств. На рис. 1-32 по данным [Л. 1-44] показано увеличение удельных потерь в холоднокатаной трансформаторной стали под действием небольшой пластической деформации. Это является следствием резкого увеличения плотности дислокаций в деформированном материале, которая возрастает с 106—108 до 109—1010 на квадратный сантиметр.
В [Л. 1-45] коэрцитивная сила связывается с плотностью дислокаций N следующим соотношением:
Для монокристальных образцов Fe—Si сплава увеличение коэрцитивной силы от пластической деформации для разных кристаллографических направлений происходит в разной степени.
Рис. 1-33. Зависимость коэрцитивной силы от диаметра включений.
В [Л. 1-47] показано, что можно исследовать влияние дислокационной структуры на магнитные свойства по температурной зависимости коэрцитивной силы и потерь на перемагничивание. Там же вводится понятие потерь энергии, обусловленное колебаниями дислокаций, помимо потерь от гистерезиса. При большой плотности дислокаций (деформированный материал) эта составляющая, по мнению автора, имеет большой вес в общих потерях, что подтверждается увеличением потерь с повышением температуры.
Как видно из [Л. 1-48], в отожженных образцах магнитные свойства зависят не только от средней плотности дислокаций, но и от их распределения.
При рассмотрении вопроса о влиянии примесей на магнитные свойства необходимо учитывать размеры включений и те напряжения, которые создаются вокруг включений.
- Включения стали, являющиеся обычно неферромагнитными и находящиеся в ферромагнитном окружении, увеличивают магнитостатическую энергию, которая является наибольшей [Л. 1-49, 1-50], когда размеры включений соизмеримы с шириной доменных стенок (доли микрометра). По данным работы [Л. 1-51] на рис. 1-33 показано изменение коэрцитивной силы от диаметра включений углерода. По этим данным при размере включений 0,12 мкм коэрцитивная сила получается наибольшей. Размеры включений в электротехнической стали изменяются от долей микрометра до десятков микрометров. Включения, содержащие азот, как правило, имеют наименьшие размеры.
- Второй причиной, приводящей к различному влиянию включений на магнитные свойства стали, по исследованию [Л. 1-52] является неодинаковая зона искажения матрицы вблизи включения из-за различия их коэффициентов термического расширения. Зона искажения матрицы может быть в несколько раз больше диаметра включения, и в этой зоне имеется повышенная плотность дислокаций. Из-за увеличения магнитоупругой энергии ферромагнетика происходит возрастание коэрцитивной силы. По данным [Л. 1-53, 1-5,4] наиболее вредными включениями по этой причине являются AlN, Si2N4, Al2O3, цементит и некоторые другие включения.
Если учесть, что включения на основе азота являются более мелкими, чем на основе углерода, и имеют большую зону искажения металла, то с этих позиций можно заключить о большей вредности азотосодержащих включений, чем углеродосодержащих.
Зависимость общих потерь от содержания примесей является более сложной, чем для коэрцитивной силы. Если потери от гистерезиса возрастают с увеличением включений при одной дисперсности, то потери от вихревых токов, как правило, уменьшаются. Это связано с тем, что включения искажают доменную структуру и средние размеры доменов при этом уменьшаются и в соответствии с § 1-3 потери от вихревых токов должны также снижаться.
На рис. 1-34 представлено изменение удельных потерь в стали Э43 с толщиной листа 0,35 мм при изменении содержания углерода от 0,005 до 0,03%. Приведенная зависимость составляющих потерь от содержания углерода относится к крупнозернистой стали (n=5-15 зерен на 1 мм2 площади шлифа). Как следует из этого графика, потери от вихревых токов снижаются с увеличением содержания углерода почти с той же интенсивностью, с какой возрастают потери от гистерезиса.
В [Л. 1-55] показано, что в холоднокатаной текстурованной трансформаторной стали при изменении содержания углерода от 0,003 до 0,015% при постоянной текстуре и величине зерна наблюдается следующее изменение составляющих потерь: удельные потери p1,5/50 и потери от гистерезиса возрастают соответственно на 0,10 и
0,15 вт/кг, потери от вихревых токов снижаются на 0,05 вт/кг. Различное влияние на составляющие удельных потерь оказывают азот, сера, алюминий и другие элементы.
Рис. 1-34. Зависимость составляющих потерь от содержания углерода в крупнозернистой горячекатаной трансформаторной стали толщиной 0,35 мм.
Рис. 1-35. Зависимость составляющих потерь от величины зерна в горячекатаной трансформаторной стали.
При изучении влияния тех или иных элементов на магнитные и электрические свойства производственных партий стали необходимо еще учитывать сопутствующие изменения в структурных характеристиках стали: величины зерна, кристаллической текстуры и др., а также взаимосвязь между отдельными элементами химического состава. Так, в горячекатаной трансформаторной стали, отжигаемой при температуре 800 °C, при изменении содержания серы с 0,002 до 0,10% удельные потери р1,5/50 возрастают на 0,20 вт/кг, а если учесть вредность влияния только одних сульфидных включений, исключив влияние величины зерна, то на 0,05 вт/кг. В холоднокатаной трансформаторной стали необходимо учитывать роль включений (серы, азота и др.) в формировании кристаллической текстуры, которая сама по себе имеет большое влияние на магнитные свойства стали.
Таким образом, можно говорить о двух видах влияния включений на свойства стали: без учета сопутствующих изменений структуры и с учетом такого изменения.
Большую роль в улучшении магнитных характеристик стали имеет величина зерна, увеличение которой, с одной стороны, приводит к снижению потерь от гистерезиса, а с другой стороны, в соответствии с § 1-3 — к увеличению потерь от вихревых токов. На рис. 1-35 показано изменение составляющих потерь в стали Э43 (толщина листа 0,35 мм), где отчетливо видно существенное возрастание потерь от вихревых токов с укрупнением зерна.
В холоднокатаной текстурованной трансформаторной стали влияние величины зерна на удельные потери необходимо рассматривать с учетом постоянства кристаллической текстуры, так как между величиной зерна и кристаллической текстурой имеется сильная взаимосвязь.
