Обоснование выбора материала для измерительных приборов

Обоснование выбора материала для измерительных приборов

Введение

Материаловедение - наука, занимающаяся изучением состава, структуры, свойств материалов, поведением материалов при различных воздействиях: тепловых, электрических, магнитных и т.д..

Стихийными материаловедами были еще древние люди, например, научившиеся делать каменные наконечники или топоры из определенных камней со слоистой структурой. Технический прогресс человечества во многом основан на материаловедении. В свою очередь технический прогресс дает новые возможности, методы, приборы для материаловедения, позволяет создавать новые материалы.

Материаловедение относится к числу основополагающих дисциплин для машиностроительных специальностей. Это связано с тем, что получение, разработка новых материалов и способы их обработки являются основой современного производства и во многом определяют научно-технический уровень своего развития и экономический потенциал страны. Проектирование рациональных, конкурентоспособных изделий, организация их производства невозможны без достаточного уровня знаний в области материаловедения. Материаловедение является основой для изучения многих специальных дисциплин. Разнообразие свойств материалов является главным фактором, предопределяющим их широкое применение в технике. Материалы обладают отличающимися друг от друга свойствами, причем каждое зависит от особенностей внутреннего строения материала. В связи с этим материаловедение как наука занимается изучением строения материала в тесной связи с их свойствами.

1. Конструкционные материалы

измерительный прибор ферромагнетик материал

1.1    Требование к материалу

Обосновать выбор материала для изготовления деталей измерительных приборов, отличающихся постоянством размеров в интервале температур -100…+100 °С.

Подходящим является материал с наименьшим температурным линейным расширением. К этой группе материалов относят сплавы системы Fe-Ni. При больших содержаниях никеля в сплавах образуется непрерывный ряд твердых растворов с ГЦК решеткой. Согласно правилу Курнакова температурный коэффициент линейного расширения твердых растворов в функции состава изменяется по непрерывной криволинейной зависимости. В сплавах Fe-Ni эта зависимость более сложная (рис. 1), что дает возможность создавать сплавы с малым температурным коэффициентом линейного расширения - инварные сплавы.

Рис. 1. Зависимость ТКЛР от содержания никеля в железоникелевых сплавах 1 - α-фаза; 2 - γ-фаза

Заниженное значение температурного коэффициента линейного расширения в инварных сплавах имеет ферромагнитную природу и объясняется большой магнитострикцией парапроцесса. Во всех ферромагнитных материалах, кроме сплавов инварного типа, намагниченность М_s в области парапроцесса с ростом поля практически не меняется (рис. 2) (штриховая линия). В сплавах инварного типа намагниченность в этой области увеличивается (сплошная линия) в результате дополнительной ориентации спиновых моментов электронов, несколько разориентированных тепловым движением, и вызывает большие магнитострикционные явления.

Рис 2. Основная кривая намагничивания

Магнитострикция - изменение размеров ферромагнетика при его намагничивании. В области технического намагничивания (H<H_s) магнитострикция носит линейный характер, в области парапроцесса (H > H_s) - объемный. Такие же явления возникают под влиянием внутреннего магнитного поля ферромагнетика (рис. 3): в отсутствие внешнего поля форма и размер домена искажены магнитострикцией. Истинные размеры выявляются лишь при нагреве до температур выше температуры точки Кюри (t >θ), когда устраняются все магнитострикционные деформации в связи с переходом в парамагнитное состояние. Истинные размеры домена условно показаны на рис. 3 в виде наименьшего квадрата. При охлаждении до температур ниже точки Кюри (t<θ) линейная магнитострикция искажает форму домена, вытягивая его в направлении вектора самопроизвольной намагниченности (превращая квадрат в прямоугольник). Объемная магнитострикция увеличивает размеры домена (прямоугольника).

Рис 3. Схема изменения формы и размера домена ферромагнетика под влиянием внутреннего магнитного поля

В кристаллах ферромагнетика, исключая сплавы инварного типа, магнитострикция, возникшая из-за внутреннего поля, не обнаруживается, так как объемная магнитострикция в них мала, а линейная - компенсируется деформацией доменов в различных направлениях. В сплавах же инварного типа размеры ферромагнетика оказываются увеличенными, так как в них велика объемная магнитострикция. Температурный коэффициент линейного расширения для ферромагнетиков в общем виде определяется формулой

где α₀ - нормальный коэффициент линейного расширения, определяемый энергией связи атомов;

Δ - ферромагнитная часть коэффициента линейного расширения, основной составляющей которой является объемная магнитострикция парапроцесса.

Изменение размеров детали из инварного сплава при нагреве, описываемое формулой А_t = А₂₀(1 +αt), показано в виде схемы (рис. 4).

Рис 4. Схема изменения размера кристалла инварного сплава при нагреве

Нормальная составляющая размера А₀, определяемая энергией связи атомов, растет вследствие уменьшения энергии при нагреве. Этот рост компенсируется уменьшением магнитострикции, так как при нагреве уменьшается намагниченность ферромагнетика из-за тепловых колебаний атомов.

В результате размер А при нагреве до температуры точки Кюри увеличивается незначительно, а для некоторых инварных сплавов даже уменьшается, т. е. коэффициент линейного расширения имеет отрицательное значение.

Так, сплав, содержащий 54% Co, 9% Cr и 37% Fе, в интервале температур от 20 до 70°С имеет α = -1,2*10^-6 1/°С. Этот сплав из-за высокого содержания хрома имеет хорошие антикоррозионные свойства.

При нагреве выше температуры точки Кюри ферромагнитная часть коэффициента теплового расширения исчезает вследствие перехода сплава в парамагнитное состояние, и коэффициент α резко возрастает. Все сказанное объясняет аномально заниженные значения коэффициента α у инварных сплавов.

В инварных железоникелевых сплавах, содержащих 29-45% Ni, обнаружена ферромагнитная аномалия коэффициента α. Минимальное значение коэффициента α в интервале температур 0 - 100 °С имеет сплав с 36% Ni. При более высоких температурах этот минимум наблюдается в сплавах с большим содержанием никеля.

Сплав 36Н, называемый инваром (неизменный),- основной представитель сплавов с минимальным коэффициентом α. Значения коэффициента α в значительной степени зависят от содержания примесей (особенно углерода) и технологии термической обработки сплава.

Таблица 1. Свойства сплавов инварного типа (ГОСТ 10994 - 74)

1.2    Химический состав и свойства материала 36Н

% Ni (никель), остальное Fe (железо). Низкое значение коэффициента а в области температур -100 ÷ 100 °С. Хорошие механические, технологические и антикоррозионные свойства.

Вышеприведённые свойства позволяют использовать инвар как конструкционный материал для деталей приборов, от которых требуется постоянство размеров при изменении температуры в условиях эксплуатации.

1.4    Термическая (химико-термическая) обработка материала

Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагревания и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств.

Термической обработке подвергают слитки, отливки, полуфабрикаты, сварные соединения, детали машин, инструменты. Основные виды термической обработки - отжиг, закалка, отпуск и старение.

Закалка - термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется неравновесная структура. Неравновесные структуры при термической обработке можно получить только в том случае, когда в сплавах имеются превращения в твердом состоянии: переменная растворимость, полиморфные превращения твердых растворов, распад высокотемпературного твердого раствора по эвтектоидной реакции и др. Для получения неравновесной структуры сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твердом состоянии, после чего быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение при охлаждении.

Конструкционные и инструментальные сплавы закаливают для упрочнения. Сильно упрочняются при закалке сплавы, претерпевающие в равновесных условиях эвтектоидное превращение. Прочность возрастает либо вследствие мартенситного фазового перехода, либо вследствие понижения температуры эвтектоидной реакции, приводящих к измельчению зерен, образующих эвтектоидную смесь. Если в результате закалки при температуре 20 - 25 °С фиксируется состояние высокотемпературного твердого раствора, значительного упрочнения сплава непосредственно после закалки не происходит; основное упрочнение создается при повторном низкотемпературном нагреве или во время выдержки при температуре 20-25°С.

В сплавах с особыми свойствами закалка позволяет изменить структурно-чувствительные физические или химические свойства: увеличить удельное электрическое сопротивление или коэрцитивную силу, повысить коррозионную стойкость и др. Отпуск и старение - термическая обработка, в результате которой в предварительно закаленных сплавах происходят фазовые превращения, приближающие их структуру к равновесной.

Сочетание закалки с отпуском или старением практически всегда предполагает получение более высокого уровня свойств (твердости, характеристик прочности, коэрцитивной силы, удельного электрического сопротивления и др.) по сравнению с отожженным состоянием.

В большинстве сплавов после закалки получают пересыщенный твердый раствор (или смесь твердых растворов); в этом случае основной процесс, происходящий при отпуске или старении, распад пересыщенного твердого раствора. Температуру и выдержку выбирают таким образом, чтобы равновесное состояние сплава при обработке не достигалось, как это происходит при отжиге. Скорость охлаждения с температуры отпуска или старения за редким исключением не влияет на структуру и свойства сплавов.

Термин «отпуск» используют обычно применительно к сталям и другим сплавам, испытывающим при закалке полиморфное превращение (двухфазные алюминиевые бронзы, некоторые сплавы на основе титана); термин «старение» - применительно к сплавам, не претерпевающим при закалке полиморфного превращения (сплавы на основе алюминия, аустенитные стали, никелевые сплавы и др.).

- Закалка, в процессе которой все примеси переходят в твердый раствор.

- Средний отпуск в течение 1 часа приводит к выделению мелкодисперсных фаз.

- Старение в течение 48 часов снимает все остаточные внутренние напряжения, возникающие в процессе технологической обработки деталей, и стабилизирует значение коэффициента α.

Углерод в процессе термической обработки образует с железом и никелем пересыщенные твердые растворы внедрения. В процессе эксплуатации, выделяясь, углерод вызывает «ползучесть» значения коэффициента а. Это связано с изменением параметра кристаллической решетки и магнитострикции парапроцесса, поэтому содержание углерода в сплаве должно быть минимальным (не более 0,05 %). Минимальное значение коэффициента а у инвара достигается после закалки от 830 °С, в процессе которой все примеси переходят в твердый раствор. Отпуск при 315 °С в течение 1 ч приводит к выделению мелкодисперсных избыточных фаз; последующее старение при 95°С в течение 48 ч снимает все остаточные внутренние напряжения, возникающие в процессе технологической обработки деталей, и стабилизирует значение коэффициента а.

Свойства инвара дополнительно улучшают легированием кобальтом, который частично заменяет никель, и медью. Сплав такого типа, называемый суперинвар, имеет еще более низкое значение коэффициента а.

2.Магнитно-твёрдые материалы

2.1 Требование к материалу

Выбрать материал для изготовления постоянных магнитов. Привести обзор строения, свойств, технологии получения, обработки и области применения.

.2 Строение и свойства материалов

Магнитно-твердые материалы используют для изготовления постоянных магнитов. Они намагничиваются в сильных полях H > 1000 кА/м, имеют большие потери при перемагничивании, остаточную индукцию В_r = 0,5 ÷ 1 и коэрцитивную силу H_c ≤ 560 кА/м.

Важной характеристикой магнитно-твердых материалов является максимальная удельная магнитная мощность max, которая в лучших материалах достигает значений. Удельная магнитная мощность при размагничивании изменяется от 0 до , как это показано на рис. 15.16, и соответствует половине произведения определенных на кривой размагничивания значений индукции Bx и напряженности Hx. Более выпуклая форма кривой размагничивания соответствует большей магнитной мощности. Размагничивание связано с теми же процессами, что и намагничивание: смещением доменной стенки и вращением векторов намагничивания. Необратимость этих процессов приводит к несовпадению кривых намагничивания и размагничивания, а при перемагничивании к появлению петли гистерезиса. Существующие теории необратимость процессов намагничивания связывают либо со смещением доменной стенки, либо с вращением векторов. В последнем случае даются количественные закономерности, определяющие Нс. При различном химическом составе и структурном состоянии материала доля участия каждого из этих двух процессов различна, но для большинства магнитно-твердых материалов основным процессом при размагничивании, видимо, является процесс вращения векторов намагничивания, который и определяет величины Нс, Вr и max . Для однодоменных кристаллов размагничивание идет только в результате вращения векторов намагничивания. Размер однодоменных кристаллов определяется формой кристалла, параметром кристаллической решетки и магнитными характеристиками (точкой Кюри , константой анизотропии К и намагниченностью насыщения Мs). Для железа диаметр однодоменного кристалла равен 0,05 мкм. Для однодоменных частиц значения Нс определяются различными видами анизотропии (табл.2). Значения Нс зависят от константы кристаллографической анизотропии К и намагниченности насыщения Мs. Наибольшее значение К и Нс среди рассматриваемых металлов имеет кобальт, а наименьшее - никель, поэтому кобальт используется в большинстве магнитно-твердых материалов. Влияние анизотропии формы на Нс велико для всех ферромагнетиков, и оно более сильное, чем влияние остальных видов анизотропии. Анизотропия формы вызывает появление размагничивающего поля Нр, так как магнитная система не замкнута. Такое противоположно направленное поле Hр уменьшает намагничивающее поле и тем самым увеличивает Нс. Величина Нр анизотропна, а поэтому для однодоменного неравноосного кристалла значение Нс зависит от отношения осей кристалла.

Таблица 2. Значения Н_с однодоменных кристаллов для различных видов анизотропии

Кристаллографическая  Формы  Магнитно-упругая для  = 200 МПа40

Все описанное позволяет сформулировать требования к составу и структуре магнитно-твердых материалов. Преимущественное применение имеют сплавы, а не чистые металлы. Можно использовать однофазные сплавы с однодоменной неравноосной формой кристаллов либо многофазные сплавы с различной магнитностью основы и включений. Для ферромагнитных включений желательна однодоменная неравноосная форма кристаллов; для неферромагнитных включений важны их количество и размер; ферромагнитная основа должна иметь различного рода искажения: структура - предпочтительно неравновесный пересыщенный твердый раствор внедрения; желательны остаточные внутренние напряжения. Перечисленные условия обеспечивают высокие значения Н_с, В_r и _max.

Свойства магнитно-твердых материалов оценивают стабильностью в условиях длительной эксплуатации при возможных колебаниях температуры. Нестабильность свойств может вызываться структурными изменениями (структурное старение), а также ударами и вибрацией (магнитное старение). В последнем случае свойства легко восстанавливаются повторным намагничиванием. Структурная нестабильность при нагреве ограничивает применение магнитно-твердых материалов с неравновесной структурой.

Свойства магнитно-твердого материала определяют на образцах-кольцах. Полученные значения В_r и _max предельные, так как при иной форме магнита на незамкнутых концах возникает размагничивающее поле Н_р и свойства будут занижены.

2.3 Технология получения

Магнитно-твердые материалы для постоянных магнитов классифицируют по способу изготовления на литые, порошковые, деформируемые. Магнитно-твердые литые материалы.

Ими являются сплавы Fе-Ni-Аl на основе железа. Сплавы при 20 °С в своей структуре содержат ферромагнитную фазу β1 с большим содержанием железа, вкрапленную в слабоферромагнитную фазу β2. При термической обработке высокотемпературная фаза β испытывает превращение β β1 +β2, в результате чего удается получить однодоменные кристаллы ферромагнитной фазы β1 пластинчатой формы, которая обеспечивает большие значения Нс, Вr и max.Закалка включает нагрев до температур 1200-1280 °С (в зависимости от состава) и охлаждение с определенной критической для каждого сплава скоростью, обеспечивающей наибольшую диспермность выделений фазы β1. При последующем отпуске (590-650 °С) происходит дораспад фаз и дополнительное улучшение магнитных свойств. Сплавы Fе-Ni-А1 содержат 12-35% Ni, 6,5-16% А1. Применяют сплавы, дополнительно легированные Си, Со, Ti, Nb. Все они улучшают магнитные свойства, а медь снижает их разброс при неизбежных колебаниях состава. Маркируют эти сплавы так же, как и стали. Магнитные свойства некоторых промышленных сплавов приведены в табл. 3.

Магнитные свойства можно значительно улучшить, если охлаждение при закалке проводить в сильном магнитном поле (H > 120 кА/м). В таком случае пластинки в результате магнито-стрикционных напряжений растут вдоль поля и векторы намагничивания ориентируются в том же направлении. Материал после термической обработки приобретает магнитную анизотропию, что значительно увеличивает Н_с и _max. Наибольший эффект от такой термомагнитной обработки (80%) получен на сплавах с повышенным содержанием кобальта.

Таблица 3. Магнитные свойства литых сплавов Fе - Ni - А1 для изготовления магнитов (ГОСТ 17809-72)

Сплав     _max,

кДж/м³H_c,

кА/мB_r,