Temat - NetPrace.pl
advertisement
Temat Właściwości fizyczne materiałów Temat: Właściwości fizyczne materiałów Budowa krystaliczna ciał stałych: Dipol magnetyczny - układ dwóch różnoimiennych biegunów magnetycznych znajdujących się względem siebie w pewnej skończonej odległości Domena – mikroobszar spontanicznego uporządkowania pewnych zjawisk, np. dipoli elektrycznych w ferromagnetyku. Ze względu na własności magnetyczne wszystkie materiały można podzielić na 5 typów. Diamagnetyki – dla materiałów tych podatność magnetyczna przyjmuje wartości ujemne i nie zależy od temperatury. Po przyłożeniu zewnętrznego pola magnetycznego wytwarza się w nich przeciwne, wewnętrzne pole magnetyczne. Praktycznie wszystkie materiały umieszczone w polu magnetycznym wykazują ten efekt. Pozostałe cztery rodzaje różnią się między sobą sposobem oddziaływania elementarnych dipoli: Paramagnetyki – są to materiały o elementarnych dipolach rozmieszczonych przypadkowo a pod nieobecność pola magnetycznego energia dipoli jest stała i niezależna od jego kierunku. Wypadkowy moment magnetyczny dużej ilości atomów jest równy zeru. -2- Temat: Właściwości fizyczne materiałów Ferromagnetyki – poniżej temp. Curie dipole tych materiałów mają tendencje do ustawiania się równolegle jedne do drugich bez zewnętrznego pola magnetycznego – zjawisko to nazywamy namagnesowaniem spontanicznym. Kierunek zgodnego ustawienia dipoli jest słaby jedynie w mikroobszarach, zwanych domenami. Kryształy ferromagnetyczne jako całość nie wykazują na ogół wypadkowego namagnesowania. Antyferromagnetyki – w materiałach tych poniżej temp. Neela sąsiednie spiny maja tendencje do anty równoległego ustawiania się, w związku z tym nawet w domenach nie występuje wypadkowe namagnesowanie. Ferrimagnetyki (ferryty) – chociaż w materiałach tych występuje oddziaływanie ustawiające sąsiednie spiny anty równolegle, to ze względu na to, że wiążą się z nimi niejednakowe momenty magnetyczne , występuje jednak pewnie wypadkowe namagnesowanie. Czynnikiem odpowiedzialnym za oddziaływanie pomiędzy dipolami zwany energia wymiany jest funkcją stosunku odległości między atomami do promienia nie zapełnionej powłoki atomu. Przy dużych odległościach między atomami siły wymiany są słabe i materiał jest paramagnetykiem. Siły wymiany rosną przy zmniejszaniu się wspomnianego wyżej stosunku powodując równoległe ustawienie sąsiednich dipoli cechujących ferromagnetyki. Przy dalszym zmniejszaniu się stosunku odległości między atomami do rozmiarów nie zapełnionej powłoki, oddziaływanie wymienne staje się ujemne, z czym łączy się antyferromagnetyzm luz ferromagnetyzm. Np.: Mangan jest antyferromagnetykiem jeśli jednak wprowadzimy dodatki stopowe, zwiększymy tym samym odległości między jego atomami i może się on stać ferromagnetykiem. Zależności temperaturowe własności magnetycznych omówionych rodzajów materiałów. Diamagnetyzm jest niezależny od temperatury, natomiast w pozostałych typach materiałów pobudzenie termiczne przeciwstawia się porządkowaniu elementarnych momentów magnetyc znych wywołane mu przez oddziaływ anie wymienn e lub zew. pole magnetyc zne. -3- Temat: Właściwości fizyczne materiałów a) paramagnetyk b) ferromagnetyk c) antyferromag. i ferrimag. Dla ferromagnetyków przy stałym natężeniu pola mag. Początkowo podatność mag. wzrasta ze wzrostem temperatury przy czym w silnych polach mag. Jest początkowo stała. W miar e zbliżania się do temperatury Curie gwałtownie maleje i osiąga zero dla ferromagnetycznej temperatury Curie. Powyżej tej temp. materiał zachowuje się jak typowy paramagnetyk. NAMAGNESOWANIE I HISTEREZA Jedną z cech ferrimagnetyków i ferromagnetyków jest to iż ich moment magnetyczny nie jest wprost proporcjonalny do przyłożonego pola lecz wykazuje efekt histerezy. gdzie: OA – krzywa namagnesowania Br – pozostałość magnetyczna przy zerowym polu magnetycznym μi – początkowa przenikalność (nachylenie krzywej namagnesowania w początku układu) μmax- maksymalna przenikalność ( taka styczna do krzywej namagnesowania która ma największe nachylenie i przechodzi przez początek układu ) Hc- koercja Pole koercji – przeciwne pole magnetyczne o natężeniu Hc przyłożone do materiału w celu zredukowania indukcji do zera. TEORIA DOMENOWA Nie namagnesowany materiał ferromagnetyczny podzielony jest na mikroobszary namagnesowane spontanicznie – domeny. W obrębie jednej domeny spiny są ustawione równolegle, natomiast kierunek tego ustawienia zmienia się przy przejściu od jednej domeny do drugiej. Objętość namagnesowanego materiału zwiększa się w wyniku: - migracji granic domenowych, co powoduje zwiększenie jednych domen kosztem drugich - obroty wektora namagnesowania wewnątrz domen w miarę wzrostu zewnętrznego pola. Pierwsze stadium magnetyzacji, określające początkową przenikalność, związane jest z odwracalnym ruchem ścian domenowych prowadzącym do zwiększenia objętości korzystnie zorientowanych domen. Drugie stadium, w którym indukcja szybko rośnie, związane jest z nieodwracalnym ruchem ścian domenowych, a jeśli on jest niemożliwy z nieodwracalnymi obrotami wektorów namagnesowania przeskakujących ku kierunkom łatwego namagnesowania, zbliżonym do kierunku przyłożonego pola. Ostatnie stadium, w którym indukcja osiąga nasycenie, wiążę się z odwracalnymi obrotami wektorów namagnesowania, które stopniowo odchylają się od kierunków łatwego namagnesowania i ustawiają się zgodnie z przyłożonym polem. -4- Temat: Właściwości fizyczne materiałów Przy zmniejszaniu natężenia zewnętrznego pola wektory namagnesowania powracają z powrotem do najbliższego kierunku łatwej magnetyzacji, co wiąże się ze spadkiem namagnesowania od nasycenia do pozostałości magnetycznej. Przebieg krzywej rozmagnesowania poczynając od pozostałości magnetycznej przez punkt koercji do namagnesowania nasycenia w przeciwnym kierunku wiąże się nieodwracalnym ruchem ścian domenowych, a jeśli jest on niemożliwy, odwracalnymi obrotami wektorów namagnesowania. Łatwość migracji ścian domenowych mająca pierwszorzędne znaczenie w określaniu kształtu pętli B-H jest w bardzo silnym stopniu zależna od struktury materiału. Zależność własności magnetycznych od kierunku krystalograficznego opisuje ANIZOTROPIA MAGNETOKRYSTALICZNA Energia układu magnetycznego jest najniższa, gdy wszystkie spiny ustawione są w krysztale wzdłuż kierunku łatwego namagnesowania. Przy namagnesowaniu tak zorientowanej próbki początkowa przenikalność jest największa i najszybciej osiąga nasycenie. GRANICA DOMEM I RUCH ŚCIAN DOMENOWYCH Granica domen czasem nazywana jest ścianą Blocha. Kierunek namagnesowania nie może się na granicy domeny zmieniać w sposób skokowy, lecz zmiany muszą być stopniowe. Siły wymiany zezwalają jedynie na nieznaczne zmiany kierunków spinów przy przejściu od jednego atomu do drugiego. Jednak grubość ścianki ograniczona jest przez energię anizotropii magnetokrystaliczej oraz energię magnetostrykcji, obie będące funkcjami grubości ściany. Energia magnetostatyczna jest przeważnie nieistotna gdyż ściana domenowa stara się przeważnie tak ustawić, aby nie było na niej swobodnych biegunów magnetycznych. Ruch domen jest hamowany przez naprężenia wewnętrzne i niejednorodności materiału magnetycznego. Na granicy domen pojawia się skomplikowany stan naprężeń, który powoduje, iż granica domenowa oddziałuje ze wszystkimi niejednorodnymi naprężeniami istniejącymi w materiale. Materiały magnetyczne miękkie – to materiały mające wąskie pętle histerezy. Nazywane są materiałami magnetycznie miękkimi Materiały magnetyczne twarde – to materiały o szerokich pętlach. Właściwości plastyczne materiałów: - gęstość - granica plastyczności i wytrzymałość -5- Temat: Właściwości fizyczne materiałów - twardość - odporność na pękanie - odporność na pełzanie - wytrzymałość zmęczeniowa - odporność termiczna - sprężystość i tłumienie - odporność na ścieranie i zużycie Stan plastyczny Stan plastyczny to zdolność metali do odkształceń trwałych (pozostających po usunięciu siły powodującej odkształcenie) bez powstawania pęknięć, w wyniku nieodwracalnych przemieszczeń atomów w strukturze krystalograficznej. Wskaźnikami plastyczności są najczęściej przewężenie i wydłużenie wyznaczane w próbie rozciągania oraz wyniki innych prób technologicznych (np. próba Erichsena, określająca podatność metalu do tłoczenia). Stan kruchy Stan kruchy (kruchość) to skłonność materiału do utraty spójności bez wystąpienia wyraźnej strefy odkształcenia plastycznego. Miary odkształcenia plastycznego: Wytrzymałość na rozciąganie Rm – naprężenie odpowiadające największej sile rozciągającej, zarejestrowanej w trakcie próby, odniesionej do przekroju poprzecznego próbki. gdzie: Granica (wyraźna) plastyczności Re – naprężenie, przy którym występuje wyraźne wydłużenie próbki (tzw. płynięcie materiału) bez wzrostu obciążenia, a czasami nawet przy jego spadku. Rozróżnia się ponadto: Górną granicę plastyczności ReH – naprężenie rozciągające w momencie pojawienia się nagłego wydłużenia, po którym występuje krótkotrwały spadek obciążenia Dolną granicę plastyczności ReL – najmniejsze naprężenie rozciągające w trakcie płynięcia materiału. Wydłużenie względne An (A5, lub A10) – określane jako procentowy stosunek trwałego wydłużenia próbki do długości pierwotnej -6- Temat: Właściwości fizyczne materiałów Przewężenie Z – określane jako procentowy ubytek pola przekroju poprzecznego próbki w miejscu zerwania do jej pierwotnego pola powierzchni przekroju w tym miejscu. -7-
