Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Влияние упругих напряжений и электроизоляционных покрытий на магнитные свойства железо-кремнистых сплавов ( обзор литературы) 16
1.1. Доменная структура пластин кремнистого железа (^3%St), ограниченных плоскостями типа (ОН) 16
1.2. Влияние упругих напряжений на доменную структуру и магнитные свойства железо-кремнистых сплавов 22
1.2 Л. Линейное растяжение (сжатие) 24
1.2.2. Плоское (двухосное) напряженное состояние 31
1.3. Влияние электроизоляционных покрытий на доменную структуру и магнитные свойства трансформаторной стали 36
1.3.1. Термостойкое магний-силикатное покрытие (грунтовый слой) 38
1.3.2. Магний-фосфатное электроизоляционное покрытие 42
1.3.3. Остаточные макронапряжения, создаваемые электроизоляционными покрытиями в трансформаторном железе 48
1.4. Постановка задачи исследований 52
ГЛАВА 2. Образцы и методика исследования 55
2.1. Исследуемые образцы 55
2.2. Методика исследования магнитных свойств 58
2.3. Способ и устройство для измерения продольных деформаций, создаваемых электроизоляционными покрытиями в листовом прокате 62
2.4. Измерение прогибов полос трансформаторной стали с электроизоляционным покрытием на одной стороне 70
2.5. Интерференционный метод изучения кривизны пластин электротехнической стали с покрытием на одной стороне 72
2.6. Методика наблюдения доменной структуры 76
ГЛАВА 3. Исследование механических напряжний, создаваемых электроизоляционными покрытиями в электротехнических сталях с ребровой текстурой 78
3.1. Определение остаточных макронапряжений и деформаций в листе трансформаторного железа с поверхностью типа (ОН) при двухстороннем удалении покрытия 78
3.2. О распределении напряжений электроизоляционных покрытий в листе электротехнической стали по толщине металла 91
3.3. Исследование напряжений электроизоляционных покрытий по кривизне пластин анизотропной электротехнической стали при одностороннем удалении покрытия 97
3.4. К вопросу об анизотропии напряжений, создаваемых электроизоляционными покрытиями
в листе трансформаторного железа с поверх ностью 108
ГЛАВА 4. Влияние плоского напряненного состояния на доменную структуру и магнитные свойства крем нистого жлеза 112
4.1. Влияние двухосного растяжения (сжатия) в плоскости (ОН) на распределение спонтанной намагниченности Js в трехосном кристалле типа Fe. - 3% Si 112
4.2. Двухосное растяжение (сжатие) кристаллов кремнистого железа в плоскостях, образующих углы В и Г с плоскостью .. 126
4.3. Роль создаваемых электроизоляционными покрытиями упруго-растягивающих напряжений в формировании магнитных свойств листовой электротехнической стали 139
4.3.1. Упруго-растягивающие макронапряжения в металле и энергетический их эквивалент 140
4.3.2. О зависимости магнитной активности электроизоляционного покрытия от совершенства ребровой текстуры и особенностей напряженного состояния в листе электротехничес кой стали 145
Краткие выводы
- Влияние упругих напряжений на доменную структуру и магнитные свойства железо-кремнистых сплавов
- Способ и устройство для измерения продольных деформаций, создаваемых электроизоляционными покрытиями в листовом прокате
- О распределении напряжений электроизоляционных покрытий в листе электротехнической стали по толщине металла
- Двухосное растяжение (сжатие) кристаллов кремнистого железа в плоскостях, образующих углы В и Г с плоскостью
Введение к работе
Актуальность темы, В связи с развитием автоматики, вычислительной техники, средств связи, радиоэлектроники, электротехники и других отраслей промышленности потребность в магнитомягких материалах постоянно растет. Неуклонно повышаются и требования к уровню их магнитных свойств. Одним из наиболее важных магнитомягких материалов является анизотропная электротехническая сталь (листовое трансформаторное железо), представляющая собой сплав железа и кремния (~3$St ) с кристаллографической текстурой (ОП)<100>. Количество этого материала и его качество в значительной мере определяют возможности энерговооружения страны, а следовательно, и её экономическую мощь в целом. Как отмечается в монографии академика СВ. Вонсовского [i] : "Годовое производство этих материалов во всем мире исчисляется многими миллионами тонн. Отсюда вытекает огромная важность задачи создания электротехнических материалов самого высокого качества. Чтобы подчеркнуть государственное значение проблемы улучшения свойств этих магнитных материалов, достаточно вспомнить, что при многокаскадной передаче электроэнергии от электростанций к потребителю в генераторах, моторах, электродвигателях и трансформаторах теряется много энергии на перемагничивание и токи фуко... Повышение качества электротехнического материала не только дает экономию за счет снижения потерь, но также позволяет значительно уменьшить габариты машин и трансформаторов, что влечет за собой большую экономию цветных металлов и других дефицитных материалов. Таким образом, проблема улучшения качества даже только трансформаторного и динамного листового железа, особенно в связи с планами стремительного роста энергетики, будет приобретать все большую актуальность. Не случайно, что над этой проблемой работают весьма интенсивно в сотнях лабораторий мира".
Многие магнитные характеристики ферромагнетиков в конечном счете определяются их доменной структурой (ДО и особенностями ее перестройки (поведения) в магнитном поле, при изменении температуры, под влиянием механических напряжений и других воздействий. Упругие механические напряжения^ как правило существенным образом изменяют ДС, процессы намагничивания (перемагничива-ния) в кристаллах кремнистого железа и такие практически важные его свойства, как мощность электромагнитных потерь, магнитную проницаемость, коэрцитивную силу, магнитострикцию. Изучение магнито-упругих явлений позволяет глубже понять физику процессов формирования магнитных свойств в данном материале, без знания которых невозможно его эффективное использование, и до настоящего времени привлекает пристальное внимание многих исследователей как в нашей стране, так и за рубежем. Указанные исследования важны также и потому, что реальные (используемые на практике) магнитные материалы всегда испытывают воздействие остаточных механических напряжений 6.
Теория и опыт свидетельствуют о том [1,2,3] , что магнито-упругие явления могут существенно различаться в зависимости от вида, величины и характера, а также от ориентации напряжений (компонент тензорабїр в кристалле. Влияние простого (одноосного) растяжения (сжатия) на ДС и магнитные характеристики различных магнитомягких материалов, в том числе и железо-кремнистых сплавов, достаточно хорошо изучено в ряде теоретических и экспериментальных работ. В тоже время малоизученными остаются магнито-упругие эффекты, вызванные действием внешних упругих напряжений (более сложного вида, чем одноосное и, в частности, - влиянием шюеокго (двухосного) напряженного состояния. До опубликования наших работ не были выявлены основные закономерности влияния двухосного растяжения (сжатия) на распределение спонтанной намаг- ниченности 3S и поведение ДС в кристалле кремнистого железа (г2%> 51) в зависимости от знака, ориентации и величины отношения главных напряжений тензора бцв кристалле. Мы не встречали работ, посвященных экспериментальному исследованию ДС пластин кремнистого железа, поверхности которых совпадают или близки к плоскости типа (ОН), подвергающихся действию двухосного растяжения (сжатия). Между тем, такие исследования имеют не только научный, но и вполне определенный практический интерес, поскольку реальные магнитные материалы в процессе их производства и экс-. плуатации наиболее часто оказываются подвержены действию именно плоского напряженного состояния. К примеру, в пластинах трансформаторной стали подобного рода напряжения возникают в следствие нанесения на поверхность листа электроизоляционных (без которых в магнитопроводах обычного назначения данный материал применяться не может) и защитных (азотирование, борирование) покрытий, при изгибе (вибрациях) пластин стали, ускоренном их охлажедении в процессе нормализующего отжига, за счет неодинакового нагрева отдельных участков магнитопровода в работающем трансформаторе и т.п.
Сравнительно недавно было обнаружено, что магнитные свойства анизотропной электротехнической стали (ЭС) с ребровой текстурой, а также чувствительность к вредным технологическим напряжениям могут быть заметно улучшены в результате формирования на поверхности листа электроизоляционных покрытий (ЭП) - керамических пленок толщиной порядка нескольких микрон. Несмотря на тот повышенный интерес, который в последнее время вызывает проблема "магнитоактивных покрытий", целый ряд относящихся к ней вопросов все еще не решен. Считается, что одной из основных причин данного эффекта являются остаточные упругие макронапряжения бLj, возникающие в металлической матрице сплава Fe-3%Sl из-за различия коэф- фициентов термического расширения металла и покрытия (керамики). Однако систематические исследования указанных напряжений до настоящего времени не проводились. Во многом такая ситуация возникла из-за отсутствия надежной методики прямого экспериментального исследования создаваемых покрытием напряжений в металле. В следствие недостаточной изученности индуцируемого Ш напряженного состояния в листе трансформаторного железа в литературе высказываются противоречивые точки зрения относительно его вида, величины напряжений в металле, характера и степени их анизотропии в плоскости листа и однородности по его толщине. Вместе с тем, такие сведения крайне важны для разработки, совершенствования и выбора наиболее эффективных Ш для сталей различного назначения. Кроме того, в поступающих для нужд трансформаторостроения ЭС контроль создаваемых ЭП напряжений представляется необходимым в такой же мере, как и принятый в настоящее время контроль их магнитных характеристик. Располагая информацией о таких напряжениях можно более точно прогнозировать "уровень устойчивости" основных магнитных свойств материала к воздействию вредных технологических напряжений (например, к сжатию вдоль HI, к напряжениям изгиба и т.п.), а значит и эффективность использования той или иной марки (партии) стали в магнитопроводе конкретного типа. Цель и задачи исследования.В данной работе проведено экспериментальное и теоретическое исследование остаточных упругих напряжений 6 Lj, создаваемых Ш в листовой анизотропной ЭС с кристаллографической текстурой (0П)<100>; изучено влияние подобного рода напряжений (плоского напряженного состояния) на ДС и некоторые магнитные свойства кремнистого железа. Работа выполнена с целью расширить представления о магнитоупругих явлениях, - о связи между магнитными свойствами трехосных кристаллов типа Fe—3%5L и их напряженно-деформированным состоянием, - а также с целью более глубокого понимания механизма воздействия Ш на ДС и магнитные свойства трансформаторного железа, выявления возможностей повышения качества данного материала и эффективности его использования в готовом изделии.
Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи: а).Разработать надежную методику И технику определения остаточных упругих макронапряжений, возникающих в листовой анизотропной ЭС с кристаллографической текстурой (ОН) <100>при нанесении Ш; б). Теоретически и экспериментально изучить характерные особенности таких напряжений (вид напряженного состояния, ориентацию главных напряжений в металле, степень их анизотропии в плоскости листа и однородности по его толщине). Экспериментальные исследования провести на образцах ряда трансформаторных сталей отечественного и зарубежного производства (используемых на предприятиях "Союзтрансформатора") с промышленными ЭП на них; в). На основе анализа энергии упругих напряжений%$и экспериментально исследовать закономерности распределения спонтанной намагниченности Э5в трехосном ферромагнетике типа ге-3%Я испытывающем плоское напряженное состояние. Детально изучить влияние двухосного растяжения на ДС и магнитострикцию пластин кремнистого железа (~3%SL ), поверхности которых близки или же совпадают с плоскостью типа (ОН), в зависимости от величины и ориентации главных напряжений тенз ора (э у.; г). Используя результаты исследований по пп. а-в, уточнить роль создаваемых Ш механических напряжений в формировании магнитных свойств сталей с ребровой текстурой; выявить основные причины неодинаковой "магнитной активности" различных покрытий; проанализировать возможности и пути совершенствования магнитоактив- ных покрытий для ЭС различного назначения.
Научная новизна. В работе получен ряд новых научных результатов.
Разработаны методика и устройство для исследования остаточных упругих напряжений, создаваемых ЭП в листовой ЭС с ребровой текстурой, основанные на измерении линейных деформаций пластин в процессе двухстороннего удаления покрытия, а также усовершенствована применявшаяся ранее методика определения указанных напряжений по кривизне пластин с покрытием на одной стороне.
Предложены формулы для* расчета индуцируемых покрытием напряжений 6ijb пластине трансформаторного железа с поверхностью типа (ОН) на основе результатов измерения вышеупомянутых линейных деформаций &л или радиусов кривизны R^ .
Прямыми опытами установлено, что ЭП наводят в металле плоское напряженное состояние (двухосное растяжение в плоскости листа) , главные напряжения которого <зі и (э2 ориентированы соответственно вдоль и поперек НП, а их величины практически не изменяются по толщине металла, что согласуется с результатами теоретического анализа в рамках классической теории упругости.
Обнаружено, что промышленные Ш могут вызывать не только изотропное растяжение в плоскости листа трансформаторного железа с текстурой (0ЇІ)<І00>, но и более общие случаи плоского напряженного состояния, когда главные его напряжения, не равны между собой (di Ф ().
С помощью анализа энергии внешних упругих напряжений 1$ детально изучены основные закономерности распределения спонтанной намагниченности 35 в трехосном ферромагнетике типа сплава Fe -3% Si испытывающем плоское напряженное состояние. Наиболее подробно в этом плане рассмотрены случаи двухосного растяжения (сжатия) в кристаллографической плоскости (0ЇІ) и плоскостях, образующих с ней некоторые углы ft и у. Основные результаты расчета подтверждены соответствующими экспериментальными исследованиями.
Впервые экспериментально исследовано влияние двухосного растяжения на ДС кремнистого железа. Выявлены и подчеркиваются условия (случаи) благоприятного воздействия этого типа напряжений на ДС и магнитные свойства пластин Fe- 3$ Si, поверхности которых образуют небольшие углы с кристаллографической плоскостью (0ЇІ) или совпадают с ней. В этом плане детально проанализирован и экспериментально изучен случай изотропного растяжения в плоскости листа ЭС с текстурой (0ЇІХІ00).
Полученные данные позволяют утверждать, что эффективность воздействия промышленных ЭП на ДС, магнитные свойства анизотропных ЭС, а также их чувствительность к вредным технологическим напряжениям определяется главным образом особенностями индуцируемого покрытием напряженно-деформированного состояния в листе стали и зависит от степени совершенства ее кристаллографической текстуры (Oil)
Практическая ценность. Методика, а также результаты исследования остаточных упругих напряжений, создаваемых ЭП в ЭС с ребровой текстурой, внедрены и использовались во Всесоюзном институте трансформаторостроения (г. Запорожье) для оценки качества и эффективности применения ЭС различных марок (поставщиков) на предприятиях "Союзтрансформатора" при выполнении заданий Мин-электротехпрома СССР в 1979-1983 гг. (см. Приложение I).
С целью повышения магнитной активности широко применяемых в в настоящее время ЭП для ЭС с ребровой текстурой рекомендуется (необходимо) прежде всего добиться того, чтобы вызываемое покрытием в металле плоское напряженное состояние стало близким к изотропному растяжению в плоскости листа. Сами напряжения дол- жны иметь при этом достаточно высокий уровень (~1 кгс-мм ).
Результаты исследования магнитоупругих эффектов, возникающих под действием плоского напряженного состояния, кроме того могут быть использованы в физике и технике магнитных пленок, например, для управления их доменной структурой путем двухосного растяжения (сжатия), а также при чтении вузовского спецкурса по специальности "Физика магнитных явлений" в разделах "и-зика магнитомягких материалов" и "Доменная структура ферромагнетиков" .
В первой главе дан критический анализ имеющихся работ по влиянию упругих напряжений и ЭП на ДС и магнитные свойства же-лезокремнистых сплавов, в том числе - анизотропной ЭС с ребровой текстурой. Отмечается ряд нерешенных вопросов физики магнитных явлений, представляющих научный и практический интерес; поставлены задачи исследования.
Во второй главе описываются методики измерения магнитных свойств, наблюдения ДС, техника подготовки образцов и особенности создания в них плоского напряженного состояния, методика исследования кривизны пластин анизотропной ЭС с ЭП на одной стороне. Наиболее подробно описаны способ и устройство, разработанные нами с целью измерения продольных деформаций, возникающих в листовом трансформаторном железе при двухстороннем стравливании Ш.
Третья глава посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию остаточных упругих напряжений, образующихся в листовой ЭС с ребровой текстурой вследствие нанесения ЭП.
В четвертой главе изложены результаты исследований влияния плоского напряженного состояния на ДС и некоторые магнитные свойства трансформаторного (кремнистого) железа. Здесь же, в свете полученных данных, рассмотрен вопрос о роли создаваемых ЭП напряжений в формировании магнитных свойств анизотропной ЭС; уточняются причины неодинаковой магнитной активности различных покрытий, и ее зависимости от степени совершенства ребровой текстуры; анализируются возможности и пути совершенствования магнито-активных покрытий для ЭС различного назначения.
Автор защищает:
Способ и устройство для экспериментального исследования продольных деформаций, создаваемых ЭП в листовом прокате;
Методику (формулы) расчета остаточных упругих макронапряжений Col}, создаваемых ЭП в листе трансформаторного железа с плоскостью поверхности типа (ОН), учитывающую вид напряженного состояния и анизотропию упругих свойств данного материала;
Результаты экспериментального исследования указанных напряжений (э1]в трансформаторных сталях различных марок отечественного и зарубежного производства с промышленными ЭП;
Результаты экспериментального и теоретического исследования влияния плоского напряженного состояния на ДС и магнитные свойства кремнистого железа (~3$Sl);
Исследования причин неодинаковой магнитной активности промышленных ЭП различного состава и ее зависимости от степени совершенства ребровой текстуры; анализ возможностей и путей повышения благоприятного воздействия ЭП на ДС, магнитные свойства анизотропных ЭС, а также их чувствительность к вредным технологическим напряжениям.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались на: семинаре "Важнейшие достижения физики магнитных явлений в магнитоупорядоченных твердых телах и сверхпроводниках и перспектива их практического использования" Научного совета АН УССР по проблеме "Физика твердого тела" в г. Харькове (1974 г.); заседании секции "Электротехнические стали" Научного совета АН СССР по проблеме "Физика магнитных явлений" в г.Свердловске (1979 г.);
4- , 5- и 6-ом Всесоюзных совещаниях по физике и металловедению электротехнических сталей и сплавов (Череповец,1974г., Челябинск, 1978 г.; Аша, 1981 г.);
Всесоюзных конференциях по физике магнитных явлений (Баку, 1975 г.; Донецк, 1977 г.; Харьков, 1979 г.).
Диссертационная работа выполнена на кафедре общей и теоретической физики Запорожского государственного педагогического института в рамках разработанной в 1976-1980 гг. темы "Исследование магнитных, электрических и механических свойств ферромагнетиков и слабомагнитных материалов", № государственной регистрации 80.026450, а также разрабатываемой в I98I-I985 гг. комплексной темы "Исследование магнитных, электрических и механических свойств ферромагнетиков и слабомагнитных материалов и зависимости этих свойств от состояния поверхности, фазового состояния и внешних полей", № гос. регистрации 0I830080I48.
Влияние упругих напряжений на доменную структуру и магнитные свойства железо-кремнистых сплавов
Общие сведения. Формирование магнитной текстуры. Механические напряжения являются одним из основных факторов,, оказывающих существенное влияние на ДС и ряд важнейших характеристик магнитомягких материалов: электромагнитные потери, магнитост-рикцию, коэрцитивную силу, магнитную проницаемость и др. 1,2, 52-54 . Термодинамически это связано с тем, что при упругом деформировании ферромагнетика его свободная энергия изменяется на величину энергии внешних упругих напряжений, которая для кубического кристалла может быть представлена в виде 1,2 : fв - 4 Ко (б«аі + бггК бзз0- ) - 3 Л ш(аАб« + а Аб»+ ч азб«), (I I) где б ц- компоненты тензора напряжений, СЦ- направляющие косинусы 35,Л 00 и Хщ - константы магнит о стрикции.
В следствие изменения ДС при наложении (о Lj. прежде всего могут изменяться концентрации и пространственное распределение магнитных фаз ГЦ по объему кристалла. Если при этом возникает явно выраженная анизотропия распределения фаз ГЬ;, (преимуществен-ная ориентация векторов Js вдоль некоторых направлений в образце), принято говорить, что ферромагнетик обладает магнитной текстурой (текстурой доменов) [1,2,55,56]. Разумеется, исследование магнитной текстуры (МТ) не несет в такой мере исчерпывающей информации о распределении намагниченности 0S в ферромагнитном образце, какую можно получить путем непосредственного наблюдения его ДС. Тем не менее, изучение закономерностей формирования МТ (получение данных о перераспределении намагниченности 35 по объему образца в целом) представляет вполне определенный интерес; оно позволяет выяснить (вскрыть) механизмы влияния напряжений(5LJ., на магнитньш свойства изучаемого материала и предсказать характер изменения последних [1,2,55,56] в зависимости от особенностей напряженного состояния в веществе.
Как известно, магнитоупругие эффекты особенно велики в тех случаях, когда энергия б превышает другие виды магнитной анизотропии и прежде всего - энергию кристаллографической анизотропии ік. В ферромагнетиках с изотропной магнитострикцией (.Ліоо= Лш= =AS) при условии б-»1« (или _Л$ э»К!, где КІ - константа магнитной кристаллографической анизотропии) будет возникать предельная МТ [1,2], которая в значительной мере предопределяет ход процессов намагничивания и уровень магнитных свойств ферромагнитного материала. Поэтому наиболее резкая МТ напряжений, в пределе приводящая к магнитной одноосности, сравнительно легко может быть достигнута в тех материалах (с-A«o= -АшЬ которые обладают небольшой величиной Кі или достаточно высоким пределом упругости
Характер возникающей при этом МТ зависит от соотношения знаков магнитострикцииЯ5и напряжений (э . Если обе эти величины имеют одинаковые знаки О и б 0 при растяжении пермолоя), то векторы ориентируются параллельно направлению(о . Магнитные характеристики таких материалов в поле Н II (5 заметно улучшаются по сравнению с исходным (ненапряженным) состоянием [1,2,54]. В случаях, когда знаки б и -Лs противоположны (растяжение никеля: Л5 0, б 0), намагниченность 3S будег ориентирована перпендикулярно направлению О . Намагничивание вдоль оси напряжений 6 при этом осуществляется за счет одних только процессов вращения векторов 0S в направление поля Н , что и является причиной снижения кривых намагничивания В(Н) [1,2,54].
Формирование МТ в материалах с анизотропной магнитострикци при наложении внешних упруго-растягивающих одноосных напряжений э имеет ряд особенностей, выявленных и детально изученных в работах Дунаева Ф.Н. [55-59].
Теория и опыт указывают на то [1,2,35], что магнитоупругие явления вполне определенным образом зависят от вида напряженного состояния (одноосное, плоское, объемное) в кристалле. В настоящее время достаточно хорошо изучены закономерности влияния одноосных упругих напряжений на ДС и магнитные характеристики кремнистого железа чего нельзя сказать в отношении напряжений более сложного вида, и в частности, - плоского (двухосного) напряженного состояния.
Одноосные упругие напряжения в кристалле кремнистого железа ( 3%.Sl ) приводят к изменению типа магнитной структуры (структуры основных доменов)[6,8,13,14,60-63], размеров основных и замыкающих доменов (при неизменном типе ДС)[8,ІЗ,І7,6І,62,64], вида и ориентации границ между ними. [15,17,18,201, могут уменьшить или полностью уничтожить объем каплевидных замыкающих комплексов [13,14,17,62,64,65], объем замыкающих областей на границах зерен и около включений [13,17,451; изменяют поведение ДС в процессе перемагничивания [66-71]. При одноосном растяжении б 00 вдоль тетрагональной оси Ю0 полосовая ДС (рис.1.1) в пластинах Fe -3% Si с поверхностью типа (0ЇІ) сохраняется (стабилизируется)[13,60,62,68].
Способ и устройство для измерения продольных деформаций, создаваемых электроизоляционными покрытиями в листовом прокате
Так называемые механические методы определения внутренних макронапряженийбijв стержнях и пластинах основаны на измерении их деформацийEifrили перемещений (прогибов), вызванных преднамеренным нарушением статического равновесия систем внутренних сил, которые соответствуют этим напряжениям. В [161,98] с целью определения напряжений, создаваемых ЭП в ЛЭС, мы измеряли линейные деформации растяжения (сжатия), возникающие в плоскости листа при удалении ЭП с обеих сторон его поверхностей одновременно. Для случая анизотропной ЭС с ребровой текстурой этот способ предполагает вырезку пластин размерами 280 х 30 х 0,35 мм с длинной стороной вдоль и поперек Ш, нормализующий отжиг образцов, измерение их продольных деформаций методом выносных тензодатчиков [156] в процессе стравливания (в растворе НШ покрытия и последующий расчет упругих напряжений в металле, соответствующих измеренным деформациям. Отличительной особенностью данного способа является то, что воздействию травителя подвергаются две полоски одновременно: исследуемая (рабочая) полоска с покрытием и находящаяся рядом с ней (компенсационная) полоска без покрытия. Нижние концы обоих образцов закреплены неподвижно в емкости с тра-вителем, а верхние - соединены с выносными проволочными тензо -датчиками, включенными в смежные плечи моста постоянного тока (см. рис. 2.2), для осуществления автоматического вычитания (компенсации) термического удлинения рабочего образца за счет эквивалентного теплового расширения компенсационной полоски трансформаторного железа, на которой ЭП удалено ранее.
Изготовленное для реализации данного способа устройство регистрирует продольные деформации растяжения (сжатия), вызванные в рабочей полоске действием сил, приложенных к ее поверхностям со стороны ЭП. Общий вид и принципиальная схема измерительного устройства показаны на рис. 2.3. Условно его можно представить в виде трех, жестко скрепленных между собой узлов А, В, С и кварцевой цилиндрической емкости Д. Узел А, к основанию I которого неподвижно крепятся нижние концы образцов 2 и 3 с помощью прижимного винта 4, выполнен из стеклотекстолита, обладающего сравнительно небольшим коэффициентом термического расширения (менее Г I0_t)) [162] и кислостойкостыо. Для того, чтобы в процессе стравливания ЭП образцы не искривлялись (исходная их кри визна не изменялась) они слегка прижимаются упругими полосками 5 из стеклотекстолита (к узким полочкам основания А), обеспечивающими свободный доступ кислоты практически ко всей поверхности образцов. Такой прижим, вместе с тем не препятствует свободному изменению размеров пластин в самой их плоскости.
Верхние концы полос 2 и 3 проникают в переходной узел В че -рез узкие щели в изолирующем цилиндре (фланце) 6, к которому посредством трех бронзовых шпилек 7 жестко крипится другой изолирующий фланец 8, несколько большего диаметра. В подготовленной к измерениям установке фланец 8 через резиновую прокладку 9 герметично закрывает горловину кварцевой емкости Д с кислотой. Изолирующий цилиндр б с резиновым кислотостойким уплотнением 10 и фланец 8 вместе со стенками кварцевой емкости (трубы) Д образуют перезодную камеру В, изолирующую от паров кислоты измерительный узел С. Різ этой камеры В через штуцер II отсасываются (за пределы рабочего помещения) пары кислоты, проникающие сюда сквозь щели для образцов во фланце 6. Таким образом узел С, основу которого составляют проволочные тензодатчики 12 и 13, оказывается защищен от воздействия паров кислоты. Через штуцер 14, расположенный чуть ниже основания изолирующего цилиндра 6 над уровнем кислоты, производится отсос наиболее концентрированных паров кислоты и газов, выделяющихся в процессе стравливания ЭП. Штуцер 15 предназначен для наполнения (или освобождения) кварцевой емкости травителем, уровень которого устанавливается чуть ниже отверствия штуцера 14. До залива в рабочую кварцевую емкость кислота находится в другой емкости, которая через штуцер 15 образует с первой сообщающиеся сосуды. Опуская или поднимая такую вспомогательную емкость, легко установить требуемый уровень кислоты в рабочей емкости.
О распределении напряжений электроизоляционных покрытий в листе электротехнической стали по толщине металла
В заключение отметим следующее. Согласно результатам работ [76,124,126], нанесение Ш изучаемого здесь типа (обычное магний-фосфатное) приводит к такому же изменению магнитных свойств анизотропной ЭС, как и одноосная упруго-растягивающая вдоль Ш наг-рузкабнп- (0,1-0,2) кгс мм . С другой стороны, наши исследования [112,113] позволяют утверждать, что по своему возздействию на ДС и магнитные характеристики данного материала плоское напряженное состояние, определяемое напряжениями бі = (0,5-0,6)кгемм , Р ибг= (0,7-0,8) кгс-мм , эквивалентно одноосному растяжению о (5НП« (0,1-0,25) кгс мм .
Вышесказанное косвенным образом указывает на достоверность результатов нашего исследования механических напряжений, создаваемых ЭП в ЛЭС с ребровой текстурой.
Ряд исследователей [115,135,142,170] считает, что наведенные ЭП макронапряжения локализованы (затухают) в тонком поверхностном слое металла, примыкающем к покрытию. Авторы же других работ [76,94,97,116,136] склоняются к мысли об однородности таких напряжений по толщине металла h м( см. рис. 3.6). Отмеченные разногласия обусловлены прежде всего тем, что как первая, так и вторая точки зрения принимались без соответствующего на то обоснования (аргументации) в рамках теории упругости, а надежных экспериментальных данных получено не было..Единственную в своем роде попытку [135] решить этот вопрос путем экспериментального (рентгеновский метод) определения межплоскостных расстояний в приповерхностных и срединных слоях пластин кремнистого железа с электроизоляционной керамической пленкой на поверхности образца вряд ли можно признать удачной в силу недостаточной чувствительности применяемого метода. По данным самих же авторов [135] погрешность определения напряжений (деформаций) в металле превышала р 0,5 кгс мм , что мало приемлемо для случая создаваемых ЭП напряжений, величина которых имеет тот же порядок ( см. 3.1 ).
Очевидно индуцируемое ЭП в листе анизотропной ЭС напряженное состояние необходимо рассматривать, как вызванное действием внешних (со стороны покрытия) касательных сил fyи Ъ ,равномерно распределенных по поверхностям металла -Хз (Рис« 3.7). В таком случае [ЯЪ\ компоненты 6/3- бц- 6#= 0. Более того, как показано в 3.1, для пластин кремнистого железа с поверхностью типа (0ЇІ) и компонента б/2я 0, а главные напряжения 6у и ориентированы вдоль осей 100 и iOII . Вопрос о зависимости внутренних напряжений в у от координаты Х$ в тонкой пластинке, которая подвергается действию касательных сил fy (см. рис. 3.7), насколько нам известно, в теории упругости специально не рассматривался. (Подобные расчеты имеются лишь для случаев /96j , когда пластина находится под действием сил, распределенных по боковым ее граням Xj- -Ни Хц= -fit).
Если, следуя [115,135,142,170], предположить,что создаваемые ЭП в листе ЭС растягивающие макронапряжения 6tj пренебрежимо малы практически по всей толщине \ім за исключением поверхностных слоев (рис. 3.6,6), тогда из закона Гука неизбежно следует аналогичная зависимость от JCj и для деформаций Sj. В частности - срединные слои металла не должны деформироваться (&j - 0)при нанесении (удалении) покрытия, что мы и попытались обнаружить на опыте (прямыми измерениями).
Экспериментальные исследования проводили на образцах транс -94 форматорных сталей М6Ї и 3405 в форме полос размерами 280 х 30 х х 0,35 мм, вырезанных вдоль и поперек НИ, с промышленными ЭП на них. Эти образцы принадлежали к группе полос, результаты экспериментального исследования которых представлены в табл. 3.1. и на рис. 3.3.-3.5. Как и ранее (см. 3.1), на таких полосках измеряли линейные деформации вдоль длинной оси, возникающие в процессе удаления ЭП одновременно с обеих сторон образца в растворе Н(Х. Различие заключалось лишь в том, что в последнем случае верхние концы полос (10-15 мм по длине образца) перед началом измерений подвергали механической, а затем - химической полировке в растворе На02 HF -Н20 , после чего они превращались в тонкие слои металла толщиной 0,08-0,10 мм, являющиеся продолжением центральных (срединных) слоев пластины (см. рис. 3.8). Крепление выносных проволочных тензодатчиков одним концом к такому слою металла давало возможность измерять его продольные деформации (цгриг) в процессе стравливания ЭП. Средние (для пяти образцов, вырезанных вдоль и поперек Ш) величины регистрируемых деформаций &L и 6 г а также расчитанные по ним (см. 3.1) значения ёъ , бі и б2представлены в табл. 3.2.
Измерения показали, что при удалении ЭП в центральном слое металла толщиной - 0,1 мм вдоль и поперек НП возникают деформации сжатия (в табл. 3.21взяты с обратным знаком), значения которых близки к величинам соответствующих деформаций (см. табл. 3.1), испытываемых пластиной в целом (образцы с обычными неутонченными краями). Из этих данных следует, что при нанесении ЭП в листе трансформаторного железа возникают растягивающие макронапряжения, которые не затухают в поверхностных слоях металла.
Двухосное растяжение (сжатие) кристаллов кремнистого железа в плоскостях, образующих углы В и Г с плоскостью
В интервале [0; 3524 ) приЯ 0061 0 и k k0 энергетически наиболее выгодной является ориентация векторов Os вдоль оси Юф. Если жек Ео, то осями легчайшего намагничивания становятся оси (010) и 001 , расположенные под углом 45 к плоскости (Oil). Вместе с тем, приА 00бі 0 минимумам A.Q , для тех же значений k » отвечает прямо противоположная ориентация Ds по ОЛН.
Разъясним вышесказанное, на примере сплава Fe -3$ Si . Предположим, что кристалл подвергается двухосному растяжению (или сжатию) в плоскости (011) таким образом, что бі составляет угол оС=15 с осью 100 ;(б2 » разумеется, ориентировано перпендикулярно б4 . Из (4.6) для об =15 получаем fe0 =2,25. Таким образом, если величины (э± и (52 изменяясь, остаются такими, что их отношение fe. = / 5i =2,25, то исходные концентрации магнитных фазИі+П-L (а значит и первоначальный тип ДС) сохраняются после наложения внешних напряжений бtj. В случае растягивающих напряжений (б 0, бг 0;Л{00б1 0) при k 2,25 будет расти объем доменов с 3S Ю0 , а при к 2,25 - магнитные фазы 11 +Пгс намагниченностью s II 001 . Сжимающие напряжения (( 0,6 0) Для тех же соотношений между к. и k0 будут вызывать противоположное перераспределение спонтанной намагниченности % по ОЛН в кристалле Fe -3% «SL , поскольку теперь уже в Ї4.4) -А/0об . 0.
В интервале (543б ; 90] - область II на графике R.0 C L) рис. 4.2 - для величин k ke( k k0) характер перераспределения намагниченности tJs будет аналогичен тому, что имел место при значениях k k0 ( fe 1?о) в интервале углов I от 0 до 3524 ,
Поскольку для двухосного растяжения (сжатия) к 0, то в интервале углов Л от 3524 до 543б (область III на рис.4.2) RoW не существует, то есть не существует таких значений к"= = 2/бА при которых достигалось бы равновесие магнитных фаз ГЦ + П;, согласно (4.5). Как следует из (4.4), в интервале [3524 ; 543б ] распределение векторов 3S по ОЛН не зависит от величины к , а определяется лишь знаком множителя -А.т 6 - К примеру, двухосное растяжение сплава Fe -3$SLB плоскости (ОН), когда 6d образует сосью 100 угол Л =40, при любых значениях к s 2/ способствует росту фаз М +ГЦс векторами3SЦ 100 , а сжатие -увеличивает объем доменов, намагниченных параллельно осям 010 и 001 . Это происходит по той причине, что оба главных напряжения (С5 1 и 62) тензора (оу. при данных сС действуют заодно; каждое из них в отдельности и оба вместе ориентируют намагниченность 55 вдоль одних и тех же ОЛН в кристалле: при сжатии - вдоль 0Ю и 001 , при растяжении - параллельно оси 100 .
Выражение (4.7), в отличие от (4.4), не зависит от об , то есть от того, каким образом ориентированы в плоскости (011) главные напряжения тензора (4.2). Подвергая кристалл действию одинаковых по величине и знаку взаимно-перпендикулярных усилий G = 6 = э , действующих в одном случае, например, вдоль осей Ю0 и 0П , а в другом - под углами об =30 к указанным осям в плоскости (011), для обеих случаев получим одинаковые напряженные состояния и, как следствие, - энергетически тождественные условия для ори-ентации векторов rfy по ОЛН.
Под влиянием изотропного растяжения в плоскости (011) осью легчайшего намагничивания становится направление 100 , а при сжатии - две других ОЛН: 010 и 00I . Покажем это [107], используя метод почленного анализа lQ , который был предложен и развит Ф.Н. Дунаевым Г57-59] для изучения эффектов, вызванных одноосными упругими напряжениями б , а затем неоднократно использовался при решении аналогичных задач в работах зарубежных исследователей (см. напр. [172,1731).
Подсчитав и сравнив функции А, В и С, можно выяснить особенности распределения векторов s по ОЛН в кристалле типа Те. -2$ Si для рассматриваемого случая напряженного состояния
