Магнитная обработка материалов

Исследования последних лет в области магнитополевых воздействий подтверждают, что с помощью умеренных магнитных полей возможно прямое бесконтактное воздействие на динамику структурных дефектов различного уровня, влияние на их поведение и, как следствие, изменение макросвойств материала и эксплуатационных свойств изделия.

Отмечается [1], что обработка в электромагнитных полях (ЭМП) отличается низкими затратами энергии. Так, например, типичные значения энергии, сообщаемые одному атому в кристаллической решетке с параметром а в обычно используемых полях составляют по порядку величины: в магнитном поле (МП) , , в электрическом поле (ЭП) , , в поле импульсного тока длительностью , в силовом поле при деформации и тепловом при , .

Здесь – магнетон Бора, е – элементарный заряд, – удельное сопротивление, – постоянная Больцмана, Е – энергия, – модуль Юнга.

В любом реальном кристалле дефекты понижают степень симметрии решетки, локально перераспределяют электронную плотность, что вызывает появление дальнодействующих макроскопических электрических и магнитных полей [1].

На рис. 1 показаны возможные причины влияния ЭМП на отдельные элементы структуры и структурные уровни. Например, в идеальном кристалле ЭП и МП могут вызвать упорядочение по дипольным и магнитным моментам, изменение электронного и фононного спектра, а также фазовые переходы. Что касается точечных дефектов, то, хотя сами по себе они редко являются причиной разрушения материала, важным фактором является их взаимодействие с дислокациями. Например, если у дефекта существует дипольный или магнитный момент и упругая анизотропия, то его ориентация в ЭП и МП вызовет снижение напряжения течения в одних плоскостях и увеличение в других. В металлах же изменение в ЭП и МП состояния электронного газа (который можно рассматривать как совокупность точечных стопоров для дислокаций) способно оказать влияние на пластические свойства из-за эффекта электронно-дислокационного взаимодействия.

Характер взаимодействия дислокаций с полями зависит от природы поля: ЭП может оказывать силовое действие на заряженные ядра дислокаций, а неоднородное МП – на обладающие магнитным моментом [1]. Дислокации в различных кристаллах (ионных, ковалентных, металлических) обуславливают повышенную магнитную восприимчивость. Отмечается [1] возможность протекания спин-зависимых реакций между дефектами и отдельными атомами внутри ядер дислокаций и точечных комплексов. МП меняет мультиплетность состояний образующихся и диссоциирующих пар, то есть статистику этих состояний в кристалле.

Что касается действия ЭМП на макродефекты и образец в целом, то разница плотностей энергии ЭМП в соседних элементарных объемах образца или на поверхности вызывает появление электродинамических усилий, а протекающий ток – разогрев, что ведет к появлению термических напряжений.

Остановимся подробнее на магнитопластических эффектах, впервые обнаруженных в 1987 г. группой ученых под руководством профессора В.И. Альшица [2], установившей явление перемещения дислокаций под действием постоянного магнитного поля в кристаллах NaCl в отсутствии механических напряжений. Дальнейшие исследования в этой области показали, что магнитопластический эффект приводит к снижению предела текучести, уменьшению микротвердости и внутреннего трения различных монокристаллических материалов.

Согласно [3], магнитопластические эффекты (МПЭ) можно разделить на три группы касательно временных характеристик: те, что проявляются во время воздействия МП, а также обратимые и необратимые эффекты, которые имеют длительное последействие (рис. 2). Предполагается, что неравновесность кристалла обеспечивает высокую чувствительность дефектной структуры к воздействию внешних и внутренних МП.

Рисунок 2 – Три основных типа поведения немагнитных материалов в МП: 1 – эффекты возникающие под действием МП, 2 – необратимые постэффекты, 3 – последействие с медленной релаксацией

В работах [2, 4–6] проводили исследования влияния слабого постоянного МП (слабое МП из условия , а для металлов добавляется еще условие ( – магнетон Бора, B – индукция МП, – постоянная Больцмана, – циклотронная частота, и – заряд и масса электрона, – частота столкновения электрона с рассеивающими центрами)) на механические свойства различных немагнитных кристаллов (NaCl, CsI и др.), а также металлов (Zn, Al). В опытах с немагнитными кристаллами наблюдали инициирование движения дислокаций магнитным полем с В = 0,1…1,6 Тл без приложения дополнительного механического нагружения. Отмечается, что с увеличением времени экспозиции образцов в МП средняя длина пробега дислокаций L росла линейно, а при изменении температуры длина пробега L практически не менялась. При перемене знака поля на обратный, направление движения дислокаций не менялось, благодаря чему авторы исключили возможность объяснения эффекта действием пондермоторных сил или вихревого электрического поля. Доказано [6], что МП понижает высоту потенциальных барьеров для движения дислокаций, а движущей силой для транспорта дислокаций является случайная мозаика полей внутренних напряжений. Предполагается, что МП влияет на взаимодействие движущихся дислокаций с примесными центрами и на внутреннюю структуру тех и других. Анализ зависимости средней скорости движения краевых дислокаций от пройденного расстояния в кристаллах NaCl, необработанных и обработанных в МП, показал, что МП индуцировало эффект последействия: облегчало движение дислокаций после отключения поля.

Исследование влияния МП с В = 0,2 Тл, которое прикладывали при внедрении индентора в кристаллы висмута, показало, что наблюдается рост микротвердости и уменьшение размеров двойниковых прослоек вокруг отпечатка [7].

Противоположные результаты получены на алюминии [8], установлено, что выдержка в магнитном поле снижает микротвердость алюминия, при этом существует пороговое значение индукции постоянного магнитного поля, начиная с которого наблюдается эффект линейного снижения микротвердости. Обнаружено, что ползучесть в условиях внешнего магнитного поля приводит к уменьшению среднего размера ямок вязкого излома более чем в 2 раза и способствует увеличению скалярной плотности дислокаций, формирующих субструктуру дислокационного хаоса. Это говорит о росте степени закрепления дислокаций и увеличении прочности материала.

Таким образом, влияние магнитного поля на диамагнитные материалы сводится к следующему [3]:

1. МП влияет на неупругие и пластические свойства твердых тел различной природы на всех структурных уровнях и степенях деформации (от до 1).

2. Существует пороговый характер постэффектов влияния МП и насыщение МПЭ по магнитному полю, что косвенно свидетельствует о селективном влиянии на определенные дефекты в кристалле, т.е. МП особым образом меняет соотношение факторов, влияющих на физико-механические свойства.

3. МПЭ возникает в неравновесных структурах.

4. Существует несколько каналов влияния МП на структуру и свойства материала. Предполагается, что МП индуцирует многостадийные процессы релаксации дефектной структуры. Часть этих процессов (депиннинг дислокаций, распад примесных комплексов и последующая рекомбинация продуктов распада на других дефектах структуры и между собой) носит уникальный характер и не может быть инициируема такими традиционными воздействиями как термическая обработка, механическое воздействие и др.

5. Сильное и слабое МП действует на различные объекты в кристалле.

К методам обработки в постоянном МП относятся следующие:

· Обработка одним импульсом с последующим размагничиванием через 8-24 ч;

· Обработка направленной (локальной) концентрацией магнитного потока на заготовку;

· Динамическая обработка, когда деталь в поле постоянной напряженности вращается с некоторым ускорением частоты вращения (1-50 с) в течение 1-5 мин;

· Обработка без последующего размагниченности;

· Обработка при свободном перемещении заготовки в полости индуктора;

· Обработка детали при свободном перемещении в непосредственной близости от полости индуктора.

Различают следующие методы обработки в импульсном магнитном поле:

· Обработка без последующего размагничивания;

· Многоцикловая обработка (2-10 циклов) с выдержкой между циклами 1-20 мин;

· Обработка с применением ферромагнитных сердечников и локальных концентраторов магнитного поля;

· Обработка в металлических контейнерах или камерах с применением феррожидкостей;

· Комбинированные методы.

Далее смотри во втором файле «часть вторая»