Магнитотвердые материалы - раздел Образование, МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Магнитотвердые Материалы (Мтм), В Отличие От Ммм, Имеют Больш...
Магнитотвердые материалы (МТМ), в отличие от МММ, имеют большие коэрцитивную силу (от 5 до 600кА/м) и площадь петли гистерезиса, большие потери при перемагничивании, высокие значения остаточной индукции Вr до 1,1 Тл. Намагничиваются в сильных полях при напряженности намагничивающего поля до Нs > 1000 кА/м. МТМ применяются для изготовления постоянных магнитов – источников постоянных магнитных полей, которые во многих случаях получить выгоднее, чем электромагнитные поля (дешевле, в меньших габаритах, конструктивно проще).
Свойства постоянного магнита определяются характером размагничивающей ветви петли гистерезиса, лежащей во II квадрате (рисунок 51). Чем больше Нс и Br, тем больше материал подходит для постоянного магнита. Но индукция в постоянном магните равна остаточной Br только в том случае, если нет размагничивающего поля.
Постоянные магниты имеют рабочий воздушный зазор, на разомкнутых концах магнита возникают полюсы, которые и создают размагничивающее поле Нd, снижающее индукцию внутри магнита до Вd < Br (рисунок 53).
Важной характеристикой МТМ является удельная магнитная энергия
Wmax = Bd∙Hd/2, где Bd и Hd – значения индукции Bd и напряженности Hd соответственно, определенных на кривой размагничивания.
Размагничивание связано с теми же процессами, что и намагничивание: смещение границ доменов и вращением векторов намагничивания. Сохранение намагниченности МТМ после процесса намагничивания связано с химическим составом и структурным состоянием МТМ. Для большинства МТМ основным процессом при размагничивании является процесс вращения векторов намагничивания, который и определяет значения Нс, Вr, Wmax.
Наибольшие значения этих параметров получают в МТМ, имеющих однодоменную неравновесную форму кристаллов с неферромагнитными включениями больших размеров, а также в большом количестве различного рода искажения в кристаллической решетки (структура перенасыщенного твердого раствора внедрения) и большие остаточные напряжения. Перечисленные условия затрудняют поворот векторов намагничивания, затрудняют размагничивание.
МТМ для постоянных магнитов по способу получения подразделяют на литые, порошковые и деформируемые. Магнитные характеристики МТМ некоторых систем промышленных сплавов приведены в таблице 10.
Исторически первыми МТМ были стали, закаленные на мартенсит, что и дало название материалу– магнитотвердые. Сейчас до 80% от всех используемых МТМ составляют сплавы на основе Fe – Ni – Al (альни), Fe – Ni – Al – Co (альнико), легированные различными добавками. Высококоэрцитивное состояние этих сплавов обуславливается механизмом дисперсионного твердения: при высоких температурах, до 1300°С, при закалке образуется, при неограниченном растворении компонентов, однофазная структура α–фаза. При медленном охлаждении до определенной температуры происходит распад равновесной α-фазы на две фазы, α1 и α2, причем α1-фаза по составу близка к чистому Fe и является сильномагнитной, а α2-фаза состоит из Al – Ni и является слабомагнитной, которая препятствует повороту магнитных моментов. Материалы с такой структурой имеют большие значения Нс.
Магнитные свойства литых сплавов марок ЮНД, ЮНДК зависят от химического состава, термической, термомагнитной обработки (охлаждении сплава от высоких температур ~ 1200°С с наложением на образец сильного магнитного поля, при этом возникает магнитная текстура и сплав становится магнитоанизотропным). Для улучшения магнитных свойств в таких сплавах создают кристаллические текстуры путем направленной кристаллизации сплава – так называемая ориентированная столбчатая структура, которая обозначается в марке сплава буквой А. Магнитная энергия Wmax повышается при этом на 60…70% и достигает 40 кДж/м3. Кобальт улучшает магнитные свойства сплавов. Изделия получают из этих сплавов в основном методами литья. Сплавы отличаются высокой твердостью и хрупкостью, поэтому обработка резанием нецелесообразна, хотя возможна.
Порошковые МТМ системы Fe – Ni – Al – Co позволяют изготавливать постоянные магниты, не требующие последующей обработки. Детали получают прессованием и последующим спеканием при t° ~ 1300°C в защитной атмосфере мелкодисперсных порошков компонентов сплава, дозированных в требуемом процентном соотношении. Магнитотвердые порошковые сплавы системы
Al – Ni – Fe по магнитным свойствам несколько уступают литым той же системы.
Магнитотвердые ферриты на основе оксидов бария и кобальта по магнитным свойствам уступают литым сплавам (таблица 10). Но они имеют большое удельное сопротивление ρ (относятся к диэлектрикам), поэтому могут использоваться в качестве постоянных магнитов в высокочастотных магнитных полях без потерь на вихревые токи. Обозначение магнитотвердых ферритов приведено в [1, 3,9]. Изготавливают постоянные магниты из феррита также методами порошковой металлургии: прессованием и спеканием.
МТМ на основе редкоземельных металлов (самарий, неодим и другие) также получают из металлических порошков. Эти материалы имеют очень хорошие магнитные свойства. Для материалов на основе соединений неодим – железо – бор значение магнитной энергии достигает Wmax ~ 250…400 кДж/м3 за счет применения монокристаллических порошков с размерами, близкими к критическому размеру домена (~ 3…10мкм) [1,3,9].
Сплавы на основе железо – ниобий – бор имеют хорошие магнитные характеристики, в три раза дешевле самарий-кобальтовых сплавов. Их недостаток–малое значение рабочей точки Кюри, всего 80°C.
Сплавы на основе пластичных металлов (Fe, Co, Cu) относятся к деформируемым МТМ, что позволяет изготавливать из них постоянные магниты методами штамповки, например, стрелки магнитных компасов. В качестве исходного материала используют тонкие ленты, проволоку. Магнитные свойства деформируемых МТМ приведены в таблице 10. Улучшение свойств достигают после термообработки, в результате которой получают мелкодисперсные ферромагнитные фазы в немагнитной основной фазе. При пластической деформации в сплавах кунифе, викаллое, хромко возможно формирование кристаллографической текстуры, что дополнительно улучшает магнитные свойства. Сплавы на основе благородных металлов имеет высокие значения магнитных параметров (таблица 10), но применяются ограниченно из-за присутствия драгоценных металлов.
Таблица 10
Магнитные характеристики МТМ промышленных сплавов
| Система сплава
| Wmax, кДж/м3
| Нс, кА/м
| Вr, Тл
|
| Литейные сплавы системы Al – Ni –Co (марок ЮНДЧ, ЮНДК18)
| 3,8…30
| 40…110
| 0,5…1,02
|
| Порошковые сплавы системы Al – Ni – Co (марок ММК1, ММК7)
| 3…10
| 24…118
| 0,6…0,95
|
| Ферриты бариевые (6БИ240)
| 3…14
| 120…180
| 0,19…0,39
|
| Ферриты кобальтовые (10КА165)
| 5…7
| 140…127
| 0,23…0,28
|
| Самарий – кобальт (КС37)
| 55…65
| 540…560
| 0,77…0,82
|
| Самарий – презиодим – кобальт (КСП37)
| 65…72
| 500…520
| 0,85…0,9
|
| Деформируемые МТМ:
-викаллой системы V – Co – Fe (52К13Ф)
|
8,8
|
|
0,6
|
| -кунифе системы Cu – Ni – Fe
| 6,7
|
| 0,55
|
| -платинакс системы Pt – Co (ПлК78)
|
|
| 0,80
|
Примечание: в скобках приведено обозначения сплава.
В качестве МТМ с удовлетворительными магнитными свойствами используют низколегированные мартенситные стали после термообработки (закалки). Из них изготавливают постоянные магниты только в неответственных случаях.
Все темы данного раздела:
Теоретический материал
Материаловедение – наука, изучающая строение и свойства материалов, закономерности и связи между их составом, структурой и свойствами, их изменения под влиянием различных воздейств
Общие понятия и определения
Рассмотрим некоторые понятия, используемые при изучении дисциплины.
Вещество – есть совокупность взаимосвязанных атомов, ионов или молекул. Вещество и физи
Требования к материалам при их выборе
Современные приборы и устройства работают в различных условиях, при действии статических, вибрационных, ударных нагрузок, при высоких и низких температурах, давлениях, влажности, в контакте с разли
Вопросы для самоконтроля
1. Что изучает материаловедение?
2. Объяснить понятия: вещество, материал, характеристика, параметр, свойство, качество материала.
3. Как связаны между собой понят
Тема 2. Строение металлов
Методические указания. Необходимо понять, как устроены кристаллические и аморфные структуры. Обратить внимание, что тип химической связи не только определяет делени
Кристаллические и аморфные тела
Имеются две разновидности твердых тел, различающихся по свойствам – кристаллические и аморфные.
Кристаллическиетела – сохраняют свою форму, остаются тверды
Строение чистых металлов
Большинство металлов и сплавов имеют кристаллическое строение. Свойства кристаллов зависят от ряда факторов и поэтому могут рассматриваться с разных позиций:
- пространственного расположен
Кристаллографические направления и индексы
Кристаллографическими направлениями являются прямые, выходящие из принятой точки отсчета, вдоль которых на определенном расстоянии друг от друга располагаются атомы
Анизотропия
Свойства кристаллов по различным кристаллографическим направлениям неодинаковы, так как число атомов и расстояния между ними разные по этим направлениям.
Анизотропи
Влияние типа химической связи на структуру и свойства кристаллов. Типы кристаллов
Тип связи, возникающий между частицами в кристалле, определяется электронным строением атомов, вступающих во взаимодействие. Частицы сближаются до определенного расстояния d
Дефекты кристаллического строения
Строение кристаллов отличается от идеальных, рассмотренных выше. В реальных кристаллах всегда имеются дефекты. В зависимости от размеров дефекты кристаллического строения подразделяются на точечные
Дислокационный механизм пластической деформации
Рассмотрим механизм перемещения дислокации при пластической деформации. На рисунке 10 изображена схема передвижения одной из дислокаций под действием силы Р и возникающих при этом н
Вопросы для самоконтроля
1. Чем характеризуется кристаллическое и аморфное строение материала?
2. Виды кристаллов в зависимости от типа химической связи между микрочастицами (атомами, ионами, молекулами).
Строение сплавов
Более широкое применение в технике находят сплавы металлов с металлами, и металлов с неметаллами (карбидами, нитридами и другие), так как они обладают большим разнообразием свойств
Диаграммы состояния двойных сплавов
При охлаждении в сплавах происходят изменения, образуются новые фазы (твердые, жидкие), структуры. Эти изменения можно проследить на основе анализа диаграмм состояния
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое сплав и как его получают? Зачем нужны сплавы?
2. Что такое фаза сплава?
3. Как можно классифицировать сплавы?
4. Какие виды структуры при взаимодействии комп
Тема 4. Строение неметаллических материалов
Методические указания. При изучении данного раздела темы необходимо получить общее представление о многообразии неметаллических материалов, их широком применении не только как конс
Строение полимеров
Полимерами называются вещества с большой молекулярной массой, у которых молекулы состоят из одинаковых многократно повторяющихся групп атомов-звеньев, соединенных химическими связя
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое полимеры? Назовите известные вам полимеры.
2. Какие свойства отличают полимеры от металлов?
3. По каким признакам классифицируют полимеры, приведите п
Строение стекол
Стекло представляет собой изотропное твердое тело, образующееся при охлаждении расплава стеклообразующих оксидов SiO2, Ba2O3, P2O5
Строение керамики
Керамикой называют материалы, полученные спеканием (обжигом) при высоких температурах минеральных порошков и оксидов. При спекании исходные вещества взаимодействуют между собой, об
Композиционные материалы
Композиционными (КМ) называют сложные материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам( нерастворимые или малорастворимые один в другом) компоненты, разделенные
Вопросы для самоконтроля
1. Что представляет собой КМ?
2. Чем определяются свойства КМ? Как их можно изменить?
3. Какие материалы используют в качестве упрочнителя, и какие – матрицы?
Тема 5. Свойства материалов и их определение
Методические указания. Начать изучение темы – с классификации свойств. Можно придерживаться и другой классификации, но указанные ниже свойства свести в соответствую
Механические (прочностные) свойства материалов
Механические (прочностные) свойства характеризуют способность материала противостоять деформации или разрушению. Деформация – изменение размеров или формы тела под действием внешни
Твердость материала
Твердость характеризует способность материала сопротивляться внедрению в его поверхность более твердого тела – индентора. В качестве индентора используют закаленны
Теплофизические свойства
Наибольшее значение из теплофизических свойств имеют для материалов те, которые определяют способность отводить тепло, выделяющееся в процессе работы (теплопроводность), тепловое расширение, устойч
Изменение свойств материалов
На основе изучения взаимосвязи состава, структуры и свойств материалов отметим применяемые на практике способы изменения их различных свойств.
Повышение прочности материала повышает надежн
Вопросы для самоконтроля
1. Как можно классифицировать свойства материалов?
2. Назвать механические прочностные свойства материалов и как определяют их показатели при испытаниях?
3. Для че
Тема 6. Термическая и химико-термическая обработка
Методические указания. Задачей данной темы является ознакомление с методами обработки материалов, позволяющими изменить их структуру и фазовый состав, а, следовательно, и свойства.
Диффузия
Диффузия – взаимное проникновение атомов соприкасающихся веществ (компонентов), обусловленное тепловым движением частиц. Атомы перемещаются на расстояния, большие параметров криста
Термическая обработка
Термической обработкой(ТО) называют процессы, связанные с нагревом, выдержкой и охлаждением металла (материала), находящемся в твердом состоянии, с целью изменения
Химико-термическая обработка
Химико-термической обработкой называют процесс поверхностного насыщения сплава различными элементами с целью придания ей тех или иных свойств. При ХТО происходит изменение состава и структуры повер
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое ТО, ее цели, и за счет чего они достигаются?
2. Основные элементы режима ТО и их роль.
3. Все ли виды сплавов могут подвергаться упрочняющей ТО и почему?
4.
Общая характеристика железоуглеродистых сплавов
Сплавы железа (Fe) с углеродом (С) – стали, чугуны, являются наиболее распространенными материалами в машино-и приборостроении. Они обладают прочностью, жесткостью, надежностью, дол
Углеродистые стали
Углеродистые стали сравнительно дешевы и сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением, свариваемостью. Их недостаток – меньшая в сравнении с ле
Легированные стали
Легированные стали по назначению разделяют на конструкционные, инструментальные, и стали и сплавы с особыми свойствами. Их производят и поставляют качественными, высококачественными
Стали и сплавы с особыми свойствами
Деление сталей и сплавов с особыми свойствами на группы (классы) приводят с учетом их превалирующих свойств. Химический состав, свойства регламентированы соответствующими стандартами для каждой гру
Сортамент сталей
Большинство выплавляемого металлургическими заводами металла перерабатывается в различные продукты прокатного производства. Форма поперечного сечения прокатанного изделия называется его про
Вопросы для самопроверки
1. Назовите компоненты сплава железа и углерода.
2. Причины широкого применения сплавов Fe-C.
3. Классификация сталей.
4. Основные структуры (фазы) сплава Fe-C.
Медь и ее сплавы
Медь относится к проводниковым материалам с малым удельным сопротивлением, характеризуется высокой электропроводимостью, теплопроводностью, пластичностью, коррозионной стойкостью в
Алюминий и его сплавы
Алюминий и его сплавы относятся к группе материалов с малой плотностью и высокой удельной прочностью и жесткостью. К этой же группе относятся Mg, Be, Ti и их сплавы, а также композ
Сплавы магния
Достоинством магниевых сплавов является их высокая удельная прочность, немагнитность, они не дают искры при ударах и трении, обладают демпфирующими свойствами. Осно
Титан и его сплавы
Титан имеет две полиморфные модификации: низкотемпературную (до 882оС) − α-Ti, имеющий ГП кристаллическую решетку, и высокотемпературную −β-Ti, кото
Бериллий и сплавы на его основе
Бериллий обладает полиморфизмом и имеет низкотемпературную модификацию α-Ве до температуры 1250оС, ГП кристаллическую решетку; и высокотемпературную β
Вопросы для самоконтроля
1. Состав сплавов Fe – C и роль компонентов в нем.
2. Дать характеристику углеродистых сталей, их применение, обозначение.
3. Структурные составляющие сплава Fe – C.
4. Д
Тема 8. Неметаллические конструкционные материалы
Методические указания.. В рамках темы в основном рассматриваются конструкционные материалы на основе полимеров, пластмассы, стекла, керамика. Однако эти же материал
Термопластичные и термореактивные пластмассы
Термопластичные пластмассы (термопласты, полимеры) под нагрузкой ведут себя как вязкоупругие вещества. Стандартные испытания на растяжение и удар дают приближенную
Керамика, стекла, ситаллы
Керамика, стекла, ситаллы имеют хорошие прочностные свойства. Но их характерная особенность – хрупкость, поэтому прочность на сжатие у них в несколько раз больше прочности на изгиб
Вопросы для самоконтроля
1. Назовите группы неметаллических конструкционных материалов и их свойства. Отличие неметаллических материалов, их характеристик от аналогичных параметров металлических конструкционных материалов.
Теоретические материалы
Электротехнические материалы (рисунок 1) подразделяют на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Различаются эти группы по значению удельного электрического сопротивления, характеру з
Энергетические зоны твердого тела
Согласно к
Понятие об электропроводности
Электропроводность характеризует способность материала проводить электрический ток.
Закон Ома выражает зависимость плотности тока j от нап
Электрические свойства и параметры проводниковых материалов
К основным электрическим характеристикам проводниковых материалов, характеризующим их свойства, можно отнести удельную электропроводность, удельное электрическое сопротивление, контактную разность
Полупроводниковые материалы
К полупроводниковым относятся материалы, обладающие удельным сопротивлением в пределах 10-5…108 Ом*м. Их отличительными особенностями от других материалов явля
Вопросы для самоконтроля
1. Сущность зонной теории.
2. В чем суть теории электропроводности Друде?
3. Основные параметры электропроводности, их размерности.
4. Классификация элект
Тема 10. Диэлектрические материалы
Методические указания. При изучении темы обратить внимание на понятие диэлектрик, их классификацию по назначению, применению и природе. Знать основные свойства диэлектриков, физиче
Поляризация диэлектриков и ее виды
В диэлектриках электрические заряды прочно связаны с атомами, молекулами или ионами и в электрическом поле могут лишь смещаться. При этом центры положительных и отрицательных зарядов, которые без д
Влияние температуры и частоты на поляризацию
К основным внешним факторам, влияющим на поляризацию диэлектриков, относятся температура и частота электрического поля. На рисунке 37 показаны общие закономерности влияния указанных факторов на пол
Электропроводность диэлектриков. Виды электропроводности
Электропроводность диэлектриков связана с наличием в них свободных носителей. В отличие от металлов, в диэлектриках электропроводность может быть трех видов: электронная, ионная и молионная. Электр
Параметры электропроводности диэлектриков и их зависимости
Электропроводность диэлектриков характеризуют: удельной объемной σv и поверхностной σs проводимостью, или удельным объемным ρ
Диэлектрические потери
В диэлектрике под действием приложенного к нему напряжения протекает электрический ток, следовательно, в нем рассеивается энергия. Диэлектрическими потерями Pназыва
Электрическая прочность диэлектриков
Если повышать приложенное к диэлектрику напряжение, то по достижении им определенного критического значения Uпр произойдет потеря диэлектриком изоляционных свойств. Сквоз
Нагревостойкость диэлектриков
Нагревостойкость диэлектриков – их способность выдерживать в течение длительного времени нагрев до определенной температуры, сохраняя свои важнейшие свойства. Нагре
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое диэлектрик и их классификация?
2. Назвать основные свойства диэлектриков.
3. Поляризация, ее основные виды и влияющие на нее факторы. Чем отличаются у
Тема 11. Магнитные материалы
Методические указания. Необходимо иметь понятие о природе магнетизма, обменной энергии между электронами недостроенных подуровней соседних атомов, доменной структуре магнитных мате
Общие положения
Магнитными называются материалы, которые применяются в технике с учетом их магнитных свойств и характеризуются способностью накапливать, хранить и трансформировать магнитную энергию
Основные свойства и параметры магнитных материалов
Согласно квантовой теории, все основные свойства ферромагнетиков обусловлены доменной структурой их кристаллов. Домен - макроскопическая область кристалла размером в единицы или де
Магнитомягкие материалы
МММ можно подразделить на следующие группы: технически чистое железо (включая низкоуглеродистые нелегированные стали); электротехнические стали; сплавы с высокой начальной магнитной
Вопросы для самоконтроля
1. Объясните причину магнетизма в ферро-и ферримагнетиках.
2. Как классифицируются материалы по магнитным свойствам и назначению?
3. Какие основные параметры харак
Теоретические материалы
Надежность работы машин и приборов зависит от качества их изготовления. В общем смысле под качеством понимают степень соответствия показателей изделия потребительским требованиям. Показателями каче
Точность размеров
Под точностью обработки понимают степень соответствия размеров, формы, взаимного расположения, шероховатости поверхностей и других параметров изделий после их изготовления значения
Шероховатость поверхности
Шероховатость поверхности –совокупность микронеровностей обработанной поверхности с относительно малыми шагами. Она получается в результате взаимодействия инструмента с материалом
Список сокращений и условных обозначений
ГП – гексагональная плотноупакованная кристаллическая решетка
ГЦК – гранецентрированная кубическая кристаллическая решетка
КМ – композиционные материалы
М
Новости и инфо для студентов