Введение к работе
Актуальності, темы. Исследование нашитоупругого взаимодействия в ферромагнетиках является актуальным и важным как для понимания физических процессов, происходящих в материале, так и для создания мапнггострнкцнонных преобразователен. Необходимость существенного повышения эффективности магиитострикцнониых преобразователен вызвала интенсивные исследования по магнмтомеханичесхому взаимодействию з ферромагнитных металлах и сплавах.
Естественно, что работа мапиггострнкционных
преобразователен закономерным образом зависит от магнитных н мапнітоупрупіх свойств ферромагнитных материалов. Рядом исследователей установлена связь между магннтоупрушми параметрами мапнггострнкцнонных материалов и нх статическими магнитным)! и механическими свойствами. Однако, в большинстве работ почти не содержится данных о непосредственном сравнении указанных' характеристик материалов с работой каких-либо конкретных мапиггострнкционных преобразователей. В то jsce время, когда основным» требованиями к преобразователям являются линейность преобразования и минимальный . мапнггоупрупш пістерезис. не вполне корректен подход связанный с определением оптимальных режимов преобразователя по максимумам нагнитострнкционных постоянных.
В последние годы появился рад работ, в . которых рассматривались магаитоупругие явления а ферромагаетиках при деформациях кручения н суперпозиции аксиального и циркулярного магнитных полей. Интерес к таким явлениям связан с выяснением физических механизмов прямого и обратного эффектов Вндемана.
Слабая изученность этих явлений вообще, недостаточность сведений о них для широко используемых в технике материалов, в частности, сплавов на основе железа, кобальта и никеля, требуют систематических и более полных исследований, результаты которых представляют несомненный интерес и для разработки целого ряда новых типов мапштострикционных преобразователей.
Выявление связей между магнитными и магнитоупругими характеристиками ферромагнитных материалов и эксплуатационными характеристиками изготовленных из них магнитострикционных преобразователей позволяет установить критерии подбора наиболее эффективного материала, режимы его перемагничивяния и конструктивные особенности преобразователей.
Цель работы заключается в исследование магнитоупругих явлений в магнитострикционных материалах при деформациях кручения, а именно прямого и обратного эффектов Видемана и эффекта Маттеучи, и разработке принципов построения преобразователей - актюаторов и сенсоров, работающих на основе вышеназванных эффектов.
В связи с этим поставлены следующие задачи:
-создания гибкой измерительной системы и алгоритмической основы ее функционирования, обеспечивающих единство измерений различных магнитных и механических параметров;
экспериментальных исследований поведения аксиальной и циркулярной намагниченностей в ферромагнитных образцах при суперпозиции двух магнитных полей и деформациях кручения в режимах статического и динамического перемагничивания;
разработки принципов построения актюаторов и сенсоров, создания опытных образцов и исследование их энергетических характеристик.
Научная новизна:
- установлено, что амплитуды первой и третьей гармоник
аксиальной и циркулярной намагниченностей, ортогональные
переменному полю, перемагничивающему магннтостр.пшионный
стержень, линейно зависят от угла закручивания стержня. Обнаружена
линейная зависимость циркулярной намагниченности от угла
закручивания стержня, при его перемагничиванин переменным
циркулярным полем. Указанные закономерности моїут быть
использованы для разработки нового класса сенсоров
преобразователей механической энергии. Определены
соответствующие чувствительности намагниченностей к механическим воздействиям для сплава 49КФ2.
обнаружено, что изменение аксналькой остаточной намагниченности при кручении стержня однозначно связано с действующими на него упругими напряжениями. Это позволяет использовать данный параметр как для оценки уровня напряжений в процессе закручивания, так и определения максимальных закручивающих напряжений после возвращения ферромагнетика в исходное - ненапряженное состояние;
экспериментально показано, что намагничивание магнитострикционного стержня одновременно аксиальным и циркулярным полями (эффект Видемана) вызывает наибольшие деформации кручения в стержне при равенстве намагничивающего и поляризующего магнитных полей, а наименьший магшггоупрупш гистерезис наблюдается при поляризующем поле, соответствующем области вращения векторов намагниченности;
- разработаны принципы построения и базовые кснструкцн:і чувствительных элементов сенсоров параметров механического воздействия: силы, смещения, давления, ускорения, расходомеров и
опытный образец низкочастотного гидроакустического излучателя с малыми волновыми размерами на основе эффектов ДОаттеучи и Видемана;
- предложен способ и разработана аппаратура низкочастотного
вибрационного расхаживания штанг глубинных нефтяных насосов.
Практическая значимость работы. Экспериментальные результаты, полученные в работе, и их качественная интерпретация полезны для построения количественной теории, связывающей магнитные н механические характеристики материала через магнитоулругое взаимодействие. Определенные значения сдвиговых магнитострикционных постоянных и чувствительностей, а также приведенные рекомендации по расчету и изготовлению актюаторов и сенсоров представляют интерес для разработчиков аналогичной аппаратуры. Разработаны и испытаны действующие образцы низкочастотного гидроакустического излучателя, расхаживателя штанг глубинных нефтяных насосов и сенсоров параметров механического воздействия.
Основные положения выносимые на защиту:
разработанные состав и структура аппаратных блоков и программного обеспечения измерительно-вычислительного комплекса, по принципу гибких измерительных систем, обладающие свойствами мобильности, простоты наращивания и модификации, что облегчает их настройку на применение различных алгоритмов исследований и позволяет провести сквозные измерения магнитных и магнитоупругих характеристик ферромагнитных материалов;
выявленные закономерности магнитоупругого взаимодействия при магнитно и механически возбужденных деформациях кручения в механически и магнитно поляризованных магнитострикционных
стержнях, дающие количественные соотношения между физическими параметрами определяющими тот или иной эффект;
- принципы построения вибрационных устройств!, излучателей акустической энергии и измерителей параметров механического воздействия.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы доложены на II конференции молодых ученых (Ижевск, 1990), на IV Международной школе-семинаре "Эффект Баркгаузена и аналогичные физические явления" (Псков, 1995).
Публикации. По результатам работы опубликовано 3 статьи в научных журналах, получены 5 патентов аа изобретение РФ и 1 авторское свидетельство.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Она изложена на 147 страницах, включая 45 рисунков, 2 таблиц и списка литературы из 104 наименований.