4. Особенности теплового расширения ферромагнетиков

В ферромагнитных материалах ниже точки Кюри действуют силы обменного взаимодействия, ориентирующие магнитные моменты атомов в одном направлении (явление спонтанной, самопроизвольной, намагниченности). Эти же силы обуславливают спонтанную деформацию решетки (изменение межатомного расстояния), т.е. спонтанную объемную магнитострикцию . С понижением температуры величина спонтанной магнитострикции в железе и сплавах на его основе возрастает (положительная спонтанная магнитострикция), а при повышении - соответственно уменьшается^*. Положительный знак магнитострикции наблюдается также у цементита (Fe₃C) - одной из фазовых составляющих углеродистых сталей (точка Кюри T_с=210 °С). Из сказанного ясно, что в случае ферромагнетиков с положительной магнитострикцией при нагревании будет происходить некоторая компенсация теплового расширения решетки за счет уменьшения объемной спонтанной магнитострикции. Вследствие этого коэффициент  таких ферромагнетиков ниже точки Кюри (оказывается меньше "нормального" значения , которое бы наблюдалось в отсутствие спонтанной намагниченности (объемной магнитострикции).

В ряде сплавов с положительной спонтанной магнитострикцией, получивших название инварных, вклад в термическое расширенно магнитострикционной составляющей оказывается столь большим, что он почти полностью компенсирует термическое расширение за счет колебаний атомов (₁ и ₂) и теплового возбуждения электронов (₃), так что =₁+₂+₃+0. Таким сплавом, в частности, является так называемый классический инвар (Fe-36%Ni). Изменение коэффициента  этого сплава в районе климатических и более высоких температур показано на рис. 7.5. При комнатной температуре сплав Fe-36 %Ni имеет коэффициент линеqного распирения около 1^.10^-6 K^-1, что более чем на порядок ниже, чем у железа (имеются сплавы инварного класса, у которых <0). Существенно также то, что коэффициент  классического инвара почти не зависит от температуры в области климатических температур (-40  60 °С), что предопределяет широкое его практическое применение в приборостроении. Из рис. 7.5 также наглядно видно, что инварная аномалия термического расширения - это эффект магнитной природы (при подходе к точке Кюри эта аномалия постепенно исчезает).

Пунктиром показана расчетная кривая зависимости  без учета спонтанной намагниченности

Рисунок 7.5 - Температурная зависимость коэффициента линейного расширения инвара (Fe - 36 %Ni)

Методика эксперимента

1. Описание лабораторной установки

Дифференциальный оптический дилатометр Шевенара широко применяется в металловедческих лабораториях благодаря простоте конструкции, хорошей точности и чувствительности, высокой надежности. С помощью этой установки фиксируют (визуально или на фотопластинке) изменение длины образца при его нагревании или охлаждении. Имея в распоряжении дилатометричекую кривую, рассчитывают коэффициент линейного расширения и определяют температурыи фазовых превращений.

Установка состоит из двух ocновных частей (рис. 7.6, а): измерительной головки (1) регистрирующей камеры (2). С одной стороны регистрирующей камеры расположена головка дилатометра (1). С другой стороки камеры пропускается луч света от осветителя (3). Луч света, пройдя через диафрагму (4) и линзу (5), попадает на зеркальце оптического треугольника (6). Отразившись от зеркальца, луч света возвращается и попадает на матовое полупрозрачное стекло (7) в виде световой точки.

а

б

Рисунок 7.6 - Cxeма устройства дифференциального дилатометра Шевенара. а - общая схема, б- схема устройства измерительная головки. Обозначения даны в тексте.

Наблюдая за ходом световой точки в процессе нагревания, строят дилатометрическую кривую. При этом около каждой точки необходимо записывать температуру, при которой она фиксировалась.

Измерительная головка дилатометра - основная часть установки. Принцип действия головки дилатометра основан на сравнении расширения образца и эталона. Схема измерительной головки приведена на рис. 7.6,б. Испытываемый образец и эталон расположены в кварцевых трубках: эталон в верхней трубке (8), образец в нижней трубке (9).

Paзмеры эталона и образца следующие: диаметр 5 мм, длина 50 мм.

Требования к материалу эталона вытекают из его назначения:

1. эталон должен обладать известным и стабильным к циклам нагрев-охлаждение коэффициентом расширения;

2. в эталоне должны отсутствовать фазовые превращения;

3. коэффициент расширения эталона должен быть близок к коэффициенту расширения образца. Чащу всего в качестве эталона используют жаростойкий никелевый сплав - пирос (7 %Cr, 5 %W, 3 %Fe, 3 %Mn, остальное никель).

С одной стороны трубки запаяны. Незапаянным концом они неподвижно крепятся к торцу цилиндра (10), жестко соединенного с держателем (11).

Образец и эталон одним концом упираются в запаенные концы кварцевых трубок (8) и (9) (точки "жесткого" их крепления), a другим - в кварцевые стержни (12) и (13), которые, в свою очередь, соединены со стальными стержнями (14) и (15), расположенными в пазах цилиндра (10). Торцевые поверхности стальных стержней являются подвижными опорами для оптического треугольника -"рычага" - (6). Таким образом, термического расширение обрасца и эталона передается на оптический треугольник через кварцевые и стальные стержни.

Кварц в качестве материала стержней и трубок удобно использовать потому, что у него низкий и очень слабо зависящий от температуры коэффициент расширения (=0,54^.10^-6 в интервале температур от 0 до 1000 ^оС), вследствие чего термическое расширение кварцевых трубок и стержней, находящихся в печи, практически не сказывается на характере дилатометрических кривых, а при расчете коэффициента расширения образца может быть без труда учтено.

Оптический треугольник (6) представляет собой металлическую пластинку с тремя острыми на концах винтами, образующими прямоугольный треугольник. Два острия опираются на торцевые поверхности стальных стержней (14) и (15), образующих подвижные опоры, а третье острие - на торцевую поверхность жестко скрепленного стержня (17), создающую неподвижную опору. Нa оптическом треугольнике укреплено вогнутое зеркальце (16), которое отражает луч свега и обеспечивает его проецирование на матовой пластинке в виде световой точки. При расширении образца и эталона оптический рычаг под их нажимом отходит из своего первоначального положения, а при сокращении он перемещается в обратном направлении под действием пружины (18), прикрепленной к торцу цилиндра (10) и прижимающей оптический треугольник к опорам. Соответственно на матовой пластинке будет наблюдаться смещение световой точки, вычерчивающей кривую термического расширения.

Для нагревания образца и эталона предусмотрена трубчатая электрическая печь (19), которая надевается на кварцевые трубки перед началом эксперимента.

Температуру образца и эталона (которые должны быть одинаковыми) измеряют термопарой, э.д.с. которой фиксируется потенциометром (20). По величине э.д.с. с помощью градуировочного графика определяют температуру образца и эталона. При этой следует учитывать, что поскольку масса термопары значительно меньше массы образца, то при нагреве температура термопары будет всегда несколько выше, чем образца. Это обстоятельство определяет скорость нагрева: чем она больше, тем больше погрешность определения температуры при прочих равных условиях. Можно указать, что при нагреве со скоростью около 10 град/мин погрешность измерения температуры приближается к 3-5 %, что не всегда допустимо.