Энергетический анализ влияния магнитного поля на механические свойства стали

УДК 681.518

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛИ

ПОЛЕТАЕВ В. А., д-р техн. наук, ПОТЕМКИН Д. А., асп.

Рассматривается проблема влияния магнитного поля на механические свойства металла. Описан процесс, который может возникнуть в металле под действием магнитного поля. Приведены данные по изменению плотности дислокаций в металле под действием магнитного поля.

Ключевые слова: магнитное поле, магнитная анизотропия, механические свойства металла, импульсная магнитная обработка.

POWER ANALYSIS OF MAGNETIC FIELD INFLUENCE ON STRESS-STRAIN PROPERTIES OF STEEL

POLETAYEV V.A., Ph.D., POTYOMKIN D.A., postgraduate

The article deals with the problem of magnetic field influence on stress-strain properties of metal. It describes the process occurring in metals under the magnetic field action. The data on changes in metal dislocation density under magnetic action are listed.

Key words: magnetic field, magnetic anisotropy, stress-strain properties of metal, impulse magnetic treatment.

Проблема влияния магнитного поля на механические свойства металла тесно связана с процессами, происходящими при намагничивании магнетиков. Достаточно заметно это влияние проявляется в магнитомягких материалах с Нс < 3,5 А/м. В этом случае можно создать увеличение магнитного поля с напряженностью Н0 >>НС.

Технически достижимо даже при отсутствии специального охлаждения с помощью соленоидов получить магнитное поле напряженностью Н0 ^105 + 106 А/м. В конкретном случае при обработке магнитным полем пильчатой гарнитуры чесальных машин поле Н; внутри зуба уменьшается не более чем на порядок. Это дает объемную плотность магнитной энергии ^5 ^105^106Дж/м3. Данная величина является основной для сравнения с другими энергетическими показателями процесса намагничивания, в частности: энергией магнитной анизотропии; энергией магнитострикции; энергией доменных стенок; энергией границ зерен; энергией дефектов и дислокаций [1-5]. Сравнение плотностей этих видов энергии с плотностью магнитной энергии W0 дает возможность выявить основные причины и механизм влияния магнитного поля на механические свойства магнетика (металла).

Магнитная анизотропия определяется мерой энергии, которая необходима для поворота вектора намагниченности от трудной к легкой оси намагничивания кристалла. Порядок этой величины определяется константой К1 = (3^5)-104Дж/м3 (для углеродистой стали с содержанием углерода 1 %). Если исходить только из соотношения энергий W0 и энергии анизотропии Wa, то, поскольку W0 >> Wa, насыщение, безусловно, должно достигаться. Проверка кривой намагничивания на участке насы-

щения на линейность (парапроцесс) дает возможность определить влияние магнитного поля на дислокации (дефекты). Считается [5], что именно на этом участке намагничивание идет за счет разрушения (размножения) дислокаций при вращении вектора (спинов) спонтанной намагниченности.

Основным процессом, который может привести к разрушению межзеренных (межблочных) границ, является процесс вращения однодоменных зерен мартенсита [3]. Если обозначить через г3 радиус зерна, Игр - толщину его границы, у « еху и еХ2 и еу2 - деформацию сдвига, то отношение максимальной энергии вращения к поверхностной энергии будет определяться формулой 4 2

\Л/П 20 у 24пГз2Иф О у2 3Иф

При В; = 1 Тл, Н; = 106 А/м, у2 = 10-7, Игр = 10-5 м, г3 = 10-4 м, С = 1010 Н/м2 получается, что W0/Wn = 1, т.е. магнитная энергия вращения и энергия сдвига будут одного порядка. Если заменить модуль сдвига С модулем Юнга, то W0 и Wп будут одного порядка при условиях углового рассогласования в несколько минут. Из формулы (1) видно, что решающее влияние на соотношение энергий оказывает величина углового сдвига у между решетками зерен (фрагментов, блоков). Полученные данные говорят о высокой вероятности этого процесса, который, очевидно, является необратимым, так как связан с разрушением граничной структуры.

Другим аналогичным механизмом внутренних изменений структуры является разрушение границ зерен, блоков и фрагментов при движении доменных стенок. Давление, которое оказывает стенка на границу, определяется

плотностью магнитной энергии в единице объема W0 = БД [2]. Оценка плотности упругой энергии границы определяется величиной Егр = Су0, где у0 - угол разориентирования (деформация сдвига) решеток соседних зерен (субзерен, блоков); С - модуль сдвига. Угол разори-ентирования зерен очень различен. Если для углеродистой стали С = 1010 МПа, то для зерна с углом разориентирования у0 и 3° и 0,05 рад. Егр = 2,7-107 Дж/м3.

Поскольку W0 = 105 + 106 Дж/м3, то, видимо, энергии магнитного поля с такой напряженностью недостаточно для разрушения границ между зернами. Если у0 < 1°, то Егр < 2,8-105 Дж/м3, и энергии магнитного поля достаточно для магнитных превращений.

Явление магнитострикции означает возникновение механических (упругих) напряжений, приводящих к изменению линейных размеров и объемов магнетика. Если сопоставить это явление с наклепом, то необходимо сравнить магнитострикционное напряжение ат. с пределом текучести а0.. Принимая а0. = 400 МПа,

сравним эту величину с ат. =-^-, где

Ет = ЕX2 - энергия магнитострикции; X - относительное удлинение; Е - модуль Юнга, равный 200 МПа.

Полагая X = 10-5^10-6, находим, что ат. = Е X = 2МПа. Из этого следует, что даже

при максимальной величине X = 10-5 величина ат. меньше а0. на два порядка. Однако следует

учесть, что величина X определяется напряжением сжатия (растяжения). Если ее сравнивать с напряжением сдвига ат., то, поскольку модуль

сдвига на 1-2 порядка меньше модуля Юнга, получается, что эти величины могут быть близки. Необратимые изменения структуры, связанные с движением и размножением дислокаций, определяются именно сдвиговыми напряжениями, которые в силу специфической структуры металла всегда сопутствуют любой деформации сжатия и растяжения.

Как известно [4], сочленение блоков друг с другом происходит посредством дислокаций с энергией магнитного давления. Следуя [4], определим энергию краевой Е0 дислокации на единицу длины:

ОЬ2

-!п—,

4п

где Ь - вектор Бюргерса; ц - коэффициент Пуансона; !й - длина дислокации; г0 - размер ядра дислокации.

Длину дислокации можно принять равной радиусу зерна, т.е. !й = г3, так как длина дислокации ограничивается размерами кристаллита. Принимая Ь =10-10м, 2г3 = !й = 10-5м, г0 =5-10-10 м,

Е0!й/Ы = 0,4 -10-22 Дж/м3.

получаем, что энергия краевой дислокации на единицу длины равна е0 = 0,33-10-10 Дж/м. Число атомов в ядре дислокации равно ц = !й пг0!/а3 =7,5106 при а =10-10. Энергия одной дислокации равна Е0!й. Тогда энергия дислокации, приходящаяся на один атом, определяется следующим образом:

Магнитная энергия, приходящаяся на один атом, определяется как:

Wo/N = 106/2 1030 = 0,5 10-24 Дж/м3.

Таким образом, плотность энергии в ядре дислокации примерно на два порядка превышает плотность магнитной энергии. Со статистической точки зрения это означает, что примерно одна из 100 дислокаций может заметно передвигаться за счет давлений магнитного поля. Энергия винтовой дислокации примерно в три раза меньше энергии краевой дислокации. Поэтому вероятность ее движения соответственно выше, чем у краевой. Кроме того, энергетический объем дислокации не ограничивается ее ядром. Он существенно больше, и потому гипотеза о воздействии поля на дислокацию представляется вполне оправданной.

Что касается дефектов (вакансий), то

-20

энергия их миграции не менее 1,4-10" Дж. Сравнение этой величины с магнитной энергией, приходящейся на один атом

(Л = 0,5-10-20Дж/м3), показывает, что эти величины несравнимы, когда энергия на один атом уменьшится на порядок. Например, теп-

1, т

ловая энергия на один атом равна —кТ, где

к = 1,410-23 - постоянная Больцмана. Из этого следует, что энергия при закаливании (закалка) сравнима с энергией точечных дефектов.

Кроме оценок по энергии, целесообразно сравнить напряжения, создаваемые дислокациями, с магнитным давлением. Оценка напряжения, создаваемого дислокацией, дается следующим отношением:

ай = -0Ьи 104 Па.

Й 4п !н

Сравнение с магнитным давлением (Рт = W0 = 105 Па) показывает, что магнитное давление может существенно превышать локальные напряжения дислокаций и приводить к их разрушению.

Вклад дислокаций в упрочнение оценивается по формуле [5]

т = Т0 + кСЬ^/р,

где т0 - начальное напряжение движения дислокаций (сдвиговое); к - коэффициент пропорциональности; Ь - вектор Бюргера; р - средняя плотность дислокаций; С - модуль упругости.

Полагаем ртах = 1018 м-2, ттах = а0 = 400 МПа. Тогда, поскольку ттах >> т0, то

к =

оь^Р

= 0,4.

Тогда при минимальной плотности дислокаций р = 1012 м-2 получаем, что

ттах = кСЬТР = 0,4• 1010 • 1010 • 106 = 0,4 МПа.

Эту величину можно принять за т0. В итоге формулу (6) можно заменить на формулу

Ат = кСЬ^Р,

где Атт1п = т0; Аттах = ст0.

По аналогии формулу для оценки влияния магнитного поля можно записать в виде

Н = К н С^ТР,

где Кн - новый коэффициент.

Вывод этой формулы состоит в следующем. Объемная плотность магнитной энергии W0 определяется формулой *=^

Энергия сдвига равна Wz = С уд = туд.

Очевидно, что влияние магнитного поля возможно, если ВН/2 «ту0. Отсюда т = ВН/у0 • 2 ,

если Втах = 2 Тл, то т = Н/у0 и Н = КнС^ТР , где

Кн = К У0 .

12 6

При ртп = 10 имеем Н = К у0 • 10 , получается довольно малая величина магнитного поля, при котором возможен эффект упрочнения.

Если у0 = 25° = 0,42 рад. (угол разориен-тирования), то Н = 0,168-106 А/м; если у0 = 15° = 0,25 рад., то Н = 0,1 • 106 А/м; если у0 = 1° = 0,017 рад., то Н = 0,6-104 А/м; если У0 = 0,1° = 0,001 рад., то Н = 0,4103 А/м.

Из этих сугубо приближенных оценок можно сделать вывод, что с точки зрения влияния магнитного поля на механические свойства металла наиболее вероятен механизм размножения дислокаций под действием магнитного давления.

Для подтверждения проведенных выше расчетов был проведен рентгеноструктурный анализ образцов из стали 65, обработанных импульсным магнитным полем. Образцы стали 65 с исходной структурой зернистого перлита были закалены в масле до структуры мартенсита при следующих режимах импульсной магнитной обработки: напряженность магнитного поля - 500 и 300 кА/м; количество импульсов - 5, 15, 30, 60 и 180; длительность импульсов - 1 с; интервал между импульсами - 1 с.

Анализ графиков изменения плотности дислокаций металлических образцов из стали 65, обработанных разной напряженностью магнитного поля (рис. 1), показывает, что величина плотности дислокаций изменяется в зависимости от количества импульсов.

Наибольшая плотность дислокаций в поверхностном слое деталей возникает при количестве импульсов = 5.

Рис. 1. Изменение плотности дислокаций на поверхности металла: 1 - Н = 300 кА/м; 2 - Н = 500 кА/м

При послойном снятии металла с поверхности образцов, обработанных импульсным магнитным полем, установлено, что глубина изменения плотности дислокаций (рис. 2) находится в пределах 60^120 мкм в зависимости от величины напряженности магнитного поля.

Рис. 2. Изменение плотности дислокаций при послойном снятии металла (количество импульсов - 5):1 -Н = 300 кА/м; 2 - Н = 500 кА/м

Заключение

Исследования показали, что импульсная магнитная обработка влияет на механические свойства металлов.

Список литературы

1. Вонсовский С.В. Магнетизм. - М.: Наука, 1984.

2. Преображенский А.А. Теория магнетизма, магнитные материалы и элементы. - М.: Высш. шк., 1972.

3. Лившиц Б.Г., Крапошин В.С., Линецкий Я.Л.

Физические свойства металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1980.

4. Мишин Д.Д. Магнитные материалы: Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. шк., 1991.

5. Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. Магнитные характеристики и практические применения: Пер. с японского. - М.: Мир, 1987.

Полетаев Владимир Алексеевич,

ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой технологии автоматизированного машиностроения, телефон (4932) 26-97-72, e-mail: poletaev@tam.ispu.ru

Потемкин Дмитрий Александрович,

ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», аспирант кафедры технологии автоматизированного машиностроения, телефон (4932) 26-97-72, e-mail: poletaev@tam.ispu.ru