Типы электротехнических сталей.
Краткие теоретические сведения и требования к электротехническим сталям
Краткие теоретические сведения
Основная особенность ферромагнитных веществ заключается в том, что они состоят из областей самопроизвольного намагничивания (доменов), намагниченных до насыщения. В образце, находящемся в размагниченном состоянии, домены располагаются так, что результирующая намагниченность образца равна нулю. Между соседними доменами имеются границы, ширина которых исчисляется долями микрона. Размеры доменов возрастают с увеличением длины образца, и их ширина применительно к железокремнистому сплаву сотые доли миллиметра.
Вектор намагниченности в граничном слое между противоположно намагниченными доменами постепенно поворачивается из одного направления в другое. При наложении магнитного поля на ферромагнитный образец происходит перестройка вектора намагниченности отдельных доменов в направлении поля. Работа, необходимая для перестройки доменной структуры образцов, зависит от кристаллической текстуры, металлографической структуры и напряжений.
Наименьшая работа затрачивается при намагничивании ферромагнетика вдоль направления легкого намагничивания. Для монокристаллов железа и железокремнистого сплава такими направлениями являются ребра куба <100>.
В монокристаллах ферромагнетиков имеются направления наиболее трудного намагничивания. Это является результатом различного магнитного взаимодействия атомов по различным кристаллографическим направлениям.
|
|
Энергия, расходуемая на преодоление магнитного взаимодействия атомов при намагничивании ферромагнетика, называется энергией анизотропии. Расположение осей легкого намагничивания в монокристаллах по кристаллографическим направлениям соответствует минимуму энергии анизотропии.
Образование доменов в ферромагнитных телах приводит к снижению магнитостатической энергии. Наличие в ферромагнетике внутренних напряжений требует при его намагничивании дополнительных затрат энергии. Эта энергия называется магнитоупругой, её величина зависит от внешних напряжений σ, приложенных к образцу, и магнитострикции насыщения ls (относительное изменение размеров образца под действием магнитного поля).
В отсутствии внешнего магнитного поля ферромагнитный образец, охлажденный при отжиге, не обнаруживает намагниченности. При наложении внешнего магнитного поля происходит переориентировка доменов, в результате чего образец намагничивается. Намагничивание ферромагнетика происходит процессом смещения границ доменов и процессом вращения вектора намагниченности доменов.
|
|
В материалах с тремя осями легкого намагничивания (железо) магнитная структура является более сложной, так как кроме областей со 180-градусным соседством имеются области, в которых векторы намагниченности соседних доменов располагаются под углом 90°.
При равномерном распределении доменов по трем взаимно перпендикулярным ребрам куба на каждое направление приходится 1/3 объема всех доменов. Намагничивание кристалла такого ферромагнетика в сравнительно слабых полях происходит за счет смещения границ между доменами и роста доменов, для которых вектор намагниченности составляет наименьший угол с направлением внешнего магнитного поля, а в сильных полях за счет процессов вращения вектора намагниченности доменов по направлению к магнитному полю.
При помещении образца в периодическое знакопеременное поле величина и знак вектора магнитной индукции описывается циклом гистерезиса (рис.3.1).
Площадь цикла пропорциональна энергии, затрачиваемой внешним источником на перемагничивание 1 м3 образца.
Ферромагнитные материалы характеризуются зависимостью от напряженности внешнего поля Н следующих параметров: магнитной индукции В, намагниченности J и магнитной проницаемости m. Связь между ними подчиняется следующему выражению:
|
|
В = m · m 0 · Н, (3.1)
где m0 – абсолютная магнитная проницаемость вакуума (m0=4p.10-7 Гн/м);
m - относительная магнитная проницаемость.
Особенность намагничивания ферромагнитного материала в переменном магнитном поле состоит в том, что в толще материала образуются вихревые токи, в результате чего имеется неоднородное распределение магнитной индукции по сечению листа: в середине листа её значение меньше, а в поверхностных слоях больше. Это явление называется поверхностным эффектом. Возникающие потери энергии от вихревых токов приводят к расширению цикла гистерезиса, который в этом случае называется динамическим циклом гистерезиса. Площадь динамического цикла гистерезиса пропорциональна сумме потерь от гистерезиса и вихревых токов (рис.3.2).
Таким образом, за один цикл перемагничивания ферромагнитного материала бесполезно затрачивается энергия, переходящая в тепло, пропорциональная площади динамического цикла гистерезиса. Затрата энергии за 1 секунду, отнесенная к массе материала в 1 кг, называется удельными потерями. Удельные потери в стали слагаются из потерь от гистерезиса и вихревых токов.
|
|
Цикл гистерезиса ферромагнитного образца.
Рис. 3.1
Статический и динамический цикл гистерезиса.
Рис. 3.2
1 – статический цикл; 2 – динамический цикл.
Потери от гистерезиса Рг, Вт/кг, могут быть рассчитаны по формуле:
Рг = S · f / g, (3.2)
где S – площадь статического цикла гистерезиса, Тл·А/м;
g - плотность материала, кг/м3;
f – частота изменения магнитного поля, Гц.
Площадь статистического цикла в свою очередь зависит от максимальной индукции, коэрцитивной силы, остаточной индукции.
Потери от вихревых токов Рв можно легко вычислить при условии равномерного изменения магнитной индукции по всему сечению листа и параллельно вектору напряженности магнитного поля:
Рв = 4Вм · f2 · d2 · Kf2 · 10-10 / (3 · g · r) (3.3)
где Вм – амплитуда магнитной индукции, Тл;
f – частота переменного тока, Гц;
d – толщина пластины, мм;
Kf – коэффициент формы кривой магнитной индукции;
r - удельное электрическое сопротивление материала пластины, ом·м.
Типы электротехнических сталей.
В соответствии с назначением выпускаемые горячекатаные и холоднокатаные стали разделяются на два класса: изотропные и анизотропные.
Изотропные – все марки малотекстурованной стали с анизотропией магнитных свойств, ограниченной определенным уровнем, и марки горячекатаной стали, имеющие слабо выраженную текстуру. Уровень магнитных свойств электротехнических сталей в значительной степени зависит от способа их изготовления, содержания, хранения, толщины листов и ленты, характера структуры и текстуры металла.
Изотропные электротехнические стали по степени легирования кремнием разделяются на шесть групп, указанных в табл. 3.1
Таблица 3.1
Типы изотропных электротехнических сталей
Группа легирования | Si, % | Марка |
нелегированная | 0,4 | 2011, 2012, 2013 |
низколегированная | 0,4 – 0,8 | 2011, 2112 |
слаболегированная | 0,8 – 1,8 | 2211, 2212, 2214, 2216, 1211, 1213 |
среднелегированная | 1,8 – 2,8 | 2311, 2312, 1311, 1312, 1313 |
повышеннолегированная | 2,8 – 3,8 | 2411, 2412, 1411, 1412, 1413 |
высоколегированная | 3,8 – 4,8 | 1511, 1512, 1514, 1521, 1562, 1572 |
Наименование марки складывается из четырех цифр: первая цифра означает способ производства (1 – горячекатаная, 2 – холоднокатаная), вторая – содержание Si в стали, третья – группу по основной нормируемой характеристике, четвертая – порядковый номер типа стали.
По основной нормируемой характеристике электротехническую сталь подразделяют на группы: 0 – удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл и частоте 50 Гц (Р1,7/50), 1 – удельные потери при магнитной индукции 1,5 Тл и частоте 50 Гц (Р1,5/50), 2 – удельные потери при магнитной индукции 1,0 Тл и частоте 400 Гц (Р1,0/400), 6 – магнитная индукция в слабых полях при напряженности поля 0,4 А/м (В0,4), 7 – магнитная индукция в средних магнитных полях при напряженности поля 10 А/м (В10). Электротехническая сталь, выпускаемая в листах, рулонах и ленте, имеет следующие нормируемые показатели качества: по точности прокатки по толщине (Н – нормальной точности, П – повышенной), по неплоскостности (классы 1 и 2); по термической обработке (ТО – термически обработанная на магнитные свойства, без термической обработки – без обозначения), по виду покрытия (без покрытия с металлической поверхностью – без обозначения; с термостойким покрытием, не ухудшающим штампуемость,- М; с нетермостойким электроизоляционным покрытием, улучшающим штампуемость, - НШ; с термостойким электроизоляционным покрытием, улучшающим штампуемость,- ТШ; с термостойким электроизоляционным покрытием, не ухудшающим штампуемость,-Т), по коэффициенту заполнения (группы А и В), по точности изготовления по ширине (нормальной точности – без обозначения, повышенной точности - Ш).
Свойства электротехнических сталей почти во всех странах нормируются ГОСТом, который определяет минимально допустимый уровень качества и магнитных свойств стали.
Отечественная сталь отличается от зарубежной большим числом нормируемых показателей качества. Так ГОСТ 21427.3 нормирует глубину залегания поверхностных дефектов, телескопичность, среднее арифметическое число перегибов, конкретные требования к электроизоляционному покрытию.
Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 265; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!