Введение к работе
Актуальность^теш. Неослабевающий научный и практический интерес к процессам перемагничиванпя в тексурованных электротехнических сталях (ТЭТС) обуславливается как большим объёмом её производства и потребления (в СНГ производится около 350 тысяч тонн такой стали) так и возможностью достаточно детально исследовать кристалло-магнитную (в том числе и доменную) структуру материала как в статическом режиме, так и в динамике, как наиболее простую.
Под термином ТЗТС понимают холоднокатанную ленту толщиной 0.20 - 0.50 мм из сплава Fe-32Si со средним размером кристаллитоз (зерен) от і до 20 ш. Сплав Fe-3Si представляет собой в идеальном случае кристалл с объемноцентрпрованной кубической (0ЦК) решёткой, в которой атомы кремния (Si) являются атомами замещения в узлах кристаллической решётки. Кремний вводится для снижения электропроводности кристалла без существенного снижения магнитных и механических свойств (до 5-6 Si). Причем меазеренные границы составляют не более 1-2% от площади самих зерен. Каждое зерно характеризуется преобладанием сквозной по толщине ленты 180 доменной структуры (ДО, поведение которой в переменных магнитных полях и обуславливает в основном (70-85%) магнитные свойства данного материала. Причём на поведение ДС влияют упругие напряжения, которые существенно могут изменить показатели качества исходного материала. Теоретически исследовалось влияние упругих напряжений на начальную магнитную восприимчивость и коэрцитивную силу, на магнитные потери же такое влияние исследовалось только экспериментально и связывалось, как правило только качественно, с изменением периода доменной структуры. Однако для' высокотекстурованных материалов упругие напряжения изменяют не только период доменной структуры, но и условия её динамического поведения. В связи с этим возникает необходимость исследования влияния упругих напряжений на динамическое поведение 180 ДС в 0ЦК ферромагнетиках, учитывая не только изменение периода ДС, но и изменение условий движения ДГ. Кроме того потребители ТЭТС в процессе производства из неё, например, витых ленточных магнитопроводов, подвергают . данный материал сложным технологическим воздействиям, основными из которых являются растягивающие, сжимающие, изгибающие напряжения и их комбинации и
поэтому исследование влияния упругих напряжений на магнитные свойства текстурованных ферромагнитных материалов с ОЦК структурой имеет как научное, так и прикладное значение.
Цели и задачи работы. Целью настоящей работы является построение и экспериментальная проверка теории динамического магнитного гистерезиса, обусловленного вихревыми токами, текстурованных листовых ОЦК ферромагнетиков со сквозной по сечению 180 ДС с учетом магнитоупругого взаимодействия, влияющего на условия движения доменных границ.
В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие основные задачи:
1.Исследование влияния упругих напряжений на магнитострикцию насыщения ферромагнетиков с ОЦК структурой и учёт этого влияния при расчёте концентраций магнитных фаз с помощью энергетической статистики Акулова и Кондорского.
2. Исследование влияния упругих напряжений (растяжения,сжатия, изгиба) на начальную магнитную восприимчивость ОЦК ферромагнетиков (и ленты ТЭТС в т.ч.) и связи её с условиями движения 180 ДГ.
3.Исследование динамики периодической 180 ДС с учётом магнитоупругого взаимодействия для получения выражения для динамического магнитного гистерезиса, обусловленного вихревыми токами, и сравнение теоретических расчётов с экспериментальными результатами. Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Рассчитано с помощью тензора магнитной анизотропии Акулова (ТМАА) влияние упругих напряжений на магнитострикцию насыщения ферромагнетиков с ОЦК структурой в случае, когда к кристаллу сначала приложены упругие напряжения б, а затем магнитное поле. Рассмотрены частные случаи такого влияния для продольного и поперечного эффектов в кристаллографических плоскостях (100),(110).(111).
2.Методом энергетической статистики Акулова и Кондорского проведён расчёт объёмов магнитных фаз в упругонапряжбнном ферромагнетике с ОЦК структурой, учитывающий влияние упругих напряжений на магнитострикцию насыщения.
3.Рассчитано выражение для. начальной магнитной восприимчивости ОЦК ферромагнетика в упругонапряжбнном состоянии,обусловленной процессом инверсии (смещением ДГ), учитывающее квадратичные члены по б. Получены выражения для начальной магнитной восприимчивости ленты анизотропной электротехнической стали вдоль направления про-
катки в функции упругих напряжений в случаях растяжения и изгиба и проведена их экспериментальная проверка на образцах ТЭТС 3404.
4.Обоснована связь скорости ДГ с действующим на неё магнитным полем и дано на этой основе определение подвижности ДГ как скорости, приобретаемой ДГ в направлении нормали к самой себе, при единичной скорости изменения действующего на неё магнитного поля.Интерпретирована и установлена взаимосвязь модуля подвижности ДГ с и начальной магнитной восприимчивости эе|1ач, как свойств ферромагнитного материала, независящих как от геометрии образца, так и от условий намагничивания.
5.Построены модель движения изгибающейся 180 ДГ и на этой основе уравнение изменения магнитной индукции в зависимости от параметров движения и намагничивающего поля для ленты ТЭТС. В результате решения построенного уравнения для случая движения плоских ДГ получены в параметрической форме выражения для петель динамического магнитного гистерезиса, обусловленного вихревыми токами, в виде наклонных эллипсов.
6.По аналогии со скин-эффектом введена физически обоснованная форма изгибающейся в процессе движения 180 ДГ, с использованием которой получены выражения для магнитных полей макро- и микровихревых токов, противодействующих процессу перемагничивания в технически важном режиме интегральной по сечению ленты синусоидальной индукции. Это дало возможность рассчитать внешнее однородное намагничивающее поле, необходимое для создания такого режима.
7. Рассчитаны удельные магнитные потери, обусловленные, вихревыми токами, для ленты ОЦК ферромагнетика с периодической 180 ДС. Исследовано влияние на удельные магнитные потери структурного соотношения средней ширины доменов Ъ к толщине ленты h, частоты перемагничивания f. упругих напряжений б. Установлен нелинейный характер этих зависимостей и показано их удовлетворительное согласие с экспериментальными данными. Практическая ценность работы заключается в следующем:
1.Разработаны рекомендации производителям витых ленточных магнитопроводов по оптимизации их магнитных характеристик (снижение удельных магнитных потерь, увеличение удельной мощности) путём создания в наматываемой ленте ТЭТС упругонапряжённого состояния. соответствующего максимальному значению магнитное восприимчивости и минимальному значению удельных магнитных потері
и фиксации такого состояния в намотанном магнитопроводе.
2. Установленная зависимость удельных магнитных потерь от упругих напряжений позволяет производить выходной контроль магнитных характеристик ТЭТС в процессе её намотки в рулоны после холодной прокатки (в ходе намотки лента находится под натяжением), т.е. приводить реальные результаты выходного контроля ц ненагруженному материалу.
Основные положения, выносимые на защиту:
і. Расчёт влияния упругих напряжений ' на магнитострикция насыщения и уточнённый расчёт и функции распределения магнитных фаз в упругодеформированном ферромагнетике с ОЦК структурой.
2. Выражение для начальной магнитной восприимчивости эс„ач упруго напряжённого ОЦК-ферромагнетика (упруго растянутой, упруго изогнутой ленты ТЭТС в том ч.) и его экспериментальная проверка.
3.Определение подвижности ДГ как скорости, приобретаемой ДГ в направлении нормали.к самой себе, при единичной скорости изменения действующего на неё магнитного поля; обоснование связи модуля подвижности однородного ферромагнетика с начальной магнитной восприимчивостью и выражение.. определяющее эту связь.
4.Модель движения изгибающейся 180 ДГ в периодической сквозной ДС тонкой ленты ТЭТС и уравнение изменения магнитной индукции на любой глубине в зависимости от условий и параметров движения ДГ.
5; Расчёт и аналитические выражения - полей макро- и. микровихревых токов в режиме синусоидальной индукции при динамика. 180 ДС с учётом физически обоснованной формы изгибающейся ДГ. Получение в параметрической форме петель гистерезиса, обусловленных макровихревыми токами в случае движения плоских ДГ.
6. Расчёт вихретоковой части удельных магнитных потерь в ТЭТС со сквозной 180 ДС и установление зависимости её от частоты перемагничивания, . амплитуды магнитной индукции, параметра магнитной структуры, упругих напряжений; сравнение результатов с экспериментальными данными в режиме синусоидальной индукции.
Аппробация работы,публикации. Основные положения и результаты работы доложены и .обсуждены на VIII и IX Всесоюзных совещаниях по физике электротехнических сталей и сплавов, IX Уральской региональной научно-технической конференции "Современные магнитные, электромагнитные и акустические методы и приборы иеразрушающего контроля", международной конференции по магнетизму
"ІСМ'94" в Варшаве (Польша) 22-26 августа 1994 г. По теме диссертационной работы опубликовано десять научных работ.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, четырёх глав, выводов, списка литературы и изложена на 133 листах машинописного текста. Работа содержит 20 рисунков на 24 листах и список литературы из 95 наименований.