Ötvözetek mágneses tulajdonságú fázisainak vizsgálata a hiperbolikus modell alkalmazásával

Dr. Mészáros Istvánegyetemi docens

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Anyagtudomány és Technológia Tanszék

2008.AGY 4, Kecskemét, 2008.

R. Bozorth: Ferromagnetism

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

-800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800

Normál mágnesezési görbe

A hiperbolikus modell alkalmazásamágneses fázisokra bontásra

Model Based Data Evaluation (MBDE)Mészáros 2007.

1. Szimmetrikus belső (minor) hurkok mérése.2. Normál mágnesezési görbe.3. Többfázisú hiperbolikus modell (MHM) illesztése a

normál görbére.4. A mágnesezési görbék felbontása (dekompozíció).5. A komponensek hiszterézis görbéinek számítása

(minor+telítési). Irreverzibilis fázisok és reverzibilis fázis (légrés).

N

ii fAM

1

N

ii fAM

1

ii HNf tanh

ii HNf tanh

m

N

ki HHforffA

121

Többfázisú hiperbolikus modell (MHM)

Bármely hiszterézis hurok előállítható a hiszterézismentes görbe egyidejű αi vízszintes és β függőleges szimmetrikus eltolásával.

Előnyei:

Fizikai háttér

Minden illesztőparaméternek egyértelmű fizikai jelentése van

Kis számú illesztő paraméter

N

ii

N

iiiiiii

A

HNAHNA

MM

1

1

0 2

tanhtanh

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

-800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800

Normál mágnesezési görbe

Mérési összeállítás

AC permeameter, detektor tekercs a mintán

Szimmetrikus belső (minor) hurkok sorozatának mérése

Mért minor hurkok száma: 200

Gerjesztés: szinusos (H), 5 Hz

Hmax = 2150 A/m

Hiszteresis hurkok: 1000 pont pár

Akkomodációs késleltetés: 5 sec

A vizsgálat célja:

Kísérleti mintasorozatokon annak igazolása, hogy a több mágnesezhető (ferro- ill. ferrimágneses) fázist tartalmazó ötvözetek esetén a mágneses mérések eredményeiből a mágnesezhető fázisok relatív mennyisége és ezek mágneses tulajdonságai teljes mértékben meghatározhatóak.

Kiértékelés (fázis dekompozíció): hiperbolikus modell több fázisú rendszerekre.

Vizsgált minták (lemez)Sample name

Description Measured coercive field

(A/m)

Cross section (mm2)

S4 Low carbon steel (AISI 1010) annealed 266 (265) 15.28

S6 Medium carbon steel (AISI 1050) cold rolled

308 (301) 15.28

S8 High carbon steel (AISI 1074) cold rolled

555 (567) 20.13

S11 Permalloy (Fe-76%Ni) cold rolled 172 (165) 9.7

S13 Medium carbon steel (AISI 1050) annealed

336 (321) 6.35

S17 High carbon steel (AISI 1080) normalized

513 (503) 7.98

Vizsgát minta összeállítások(27 kombináció)

Néhány példa:

S6 + S17

S4 + S17

S6 + S8

S11 + S13

S11 + 2*S13

…

Méréssel meghatározott normál mágnesezési görbe

S6+S17 minták

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 2 4 6 8 10 12H (Rel. units)

B (R

el. u

nits

)

Measured

A mérési eredményekre illesztett, a hiperbolikus modell szerinti, elméleti görbe

Sample: S6+S17Hyperbolic_2 model

R2 = 0.99993

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 2 4 6 8 10 12H (Rel. units)

B (R

el. u

nits

)

MeasuredHyperbolic model

S6+S17

S6+S17

1. Fázis (S17)

irreverzibilis

48,2 vol%

Hc=444,4 A/m

S6+S17

2. Fázis (S6)

irreverzibilis

24,9 vol%

Hc=156,1 A/m

S6+S17 minta eredményei

MBDE fázis dekompozíció eredménye:S6 Hc=156,1 A/m 65,9 vol%S17 Hc=444,4 A/m 34,1 vol%

S6 Hc=160 A/m 15,28 mm2 65,7 vol%S17 Hc=426,8 A/m 7,98 mm2 34,3 vol%

MBDE kiértékelés

Mérés Minta geometriából számolva

Alloy S6 + S17

S4 + S17

S6 + S8

S11 + S13

2xS11 + S13

exp calc exp calc exp calc exp calc exp calc

Hc A/m 365 368 322 333 400 400 236 240 208 214

Hc1 A/m 160 156 266 289 160 159 172 180 172 181

Hc2 A/m 427 444 427 429 555 550 336 328 336 397

Br T 1.51 1.5

1.4 1.37 1.5 1.5 1.2 1.1 1 0.95

A1/A2 1.91 2.1 1.91 1.89 1.31 1.65 1.53 1.66 3.1 3.05

TRIP-acélok (Transformation Induced Plasticity)

Tipikus szövetszerkezet: - ferrit ~ 50 tf%- bénit ~ 35 tf%- ausztenit ~ max. 15 tf%

Szabó Péter János BME ATT 2007.

Gyártó Folyáshatár [Mpa]

Szakítószilárdság [Mpa]

Átlagos szakadási nyúlás [%]

Thyssen TRIP 700 539 751 28

Gyártó Ötvöző C Mn Si Al P S Thyssen TRIP 700 tömeg % 0,28 1,41 0,28 1,08 0,016 0,001

Minta 0 1 2 3 4 5 6 7 8

ε [%] 0,00 1,67 3,33 5,00 6,67 8,33 10,00 11,67 13,33

Minta 9 10 11 12 13 14 15 16 17

ε [%] 15,00 16,67 18,33 20,00 21,67 23,33 25,00 26,67 28,33

Hiszterézis görbék

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

-2500 -2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500

H [A/m]

B [T

]

ε = 0ε = 1,67ε = 3,33ε = 5ε = 6,67ε = 8,33ε = 10ε = 11,67ε = 13,33ε = 15ε = 16,67ε = 18,33ε = 20ε = 21,67ε = 23,33ε = 25ε = 26,67ε = 28,33

Normál mágnesezési görbék

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

0 500 1000 1500 2000 2500

H [A/m]

B [T

]

Minta 0Minta 1Minta 2Minta 3Minta 4Minta 5Minta 6Minta 7Minta 8Minta 9Minta 10Minta 11Minta 12Minta 13Minta 14Minta 15Minta 16Minta 17

TRIP 17

TRIP 17

TRIP 17

TRIP 17

TRIP 17

1. komponens

irreverzibilis

6,7 vol%

Xc=5,05

Hc=1217,7 A/m

Martenzit

TRIP 17

2. komponens

irreverzibilis

49,2 vol%

Xc=3,11

Hc=749,1 A/m

Ferrit (alakított)

TRIP 17

3. komponens

irreverzibilis

44,1 vol%

Xc=4,47

Hc=949,5 A/m

Bénit (alakított)

TRIP 17

3. komponens

reverzibilis

Xc=0

Hc=0 A/m

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 10 20 30

Strain (%)

Hc

(A/m

)

200

300

400

500

600

700

800

HV

BainiteFerriteMartensiteHV

Exciting coil

Pick-up coil

Laminated Fe-Si magnetizing yoke

Sample to be measured

A mágneses NDE mérések tipikus problémái:

- Mágnesező járom járuléka

- Légrés hatása (lift-off)

- Nem érjük el a telítési állapotot

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 2 4 6 8 10

H (Rel. units)

B (R

el. u

nits

)

Measured curveTested sampleYoke and air gapYokeAir gap

A mágnesezési görbék dekompozíciója

-1

-0.5

0

0.5

1

-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12

H (Rel. units)

B (R

el. u

nits

)

A hiszterézis görbék dekompozíciója

Eredmények

A minta meghatározott mágnesezési görbéi függetlenek:

a légréstől (lift-off) (0; 0,1; 0,2; 0,3; 0,5; 0,7; 0,9; 1 mm)

a mágnesező járom (mérőfej) mágneses tulajdonságaitól. (lemezelt FeSi, MnZn ferrit, tömör lágyvas)

A minta telítési mágnesezési jellemzői extrapolációval meghatározhatók.

Eredmények, összefoglalás

Bevezettem a módosított hiperbolikus modellt és kiterjesztettem azt a több ferro/ferrimágneses fázist tartalmazó rendszerekre.

Bevezettem egy új a hiperbolikus modellen alapuló mérés kiértékelési módszert (MBDE).

Kísérleti mintasorozaton igazoltam, hogy az MBDE alkalmazható a több mágneses fázist tartalmazó fémtani rendszereket felépítő fázisok mágneses tulajdonságainak és a relatív fázisarányuk meghatározására.

Igazoltam, hogy a fázisok mágnesek hozzájárulása lineárisan kombinálható. (Maxwell-féle szuper pozíciós elv alkalmazható a mágnesezési görbékre.)

Köszönöm a figyelmet!

Nanokristályos mag vizsgálata

Vitroperm 800

Vacuumschmelze

Magnetec

Fe74Cu1Nb3Si15B7

40-50 Vol% nanokristályos fázis(Finemet, 545 oC/1h, ROUND)

Vitroperm 800

Bm = 1,26 T

Hc = 1,02 A/m

µ0 = 127 828

µmax = 375 596

1. Irrev. fázis

Amorf

55,1 Vol%

Hc = 1,88 A/m

µ0 = 50 971

µmax = 224 924

2. Irrev. fázis

Nanokristályos

44,9 Vol%

Hc = 0,95 A/m

µ0 = 20 891

µmax = 594 692