امروزه شناخت مواد و درک رفتار آن ها در مقابل تأثير عوامل خارجی برای توسعه مواد جديد و به کارگيری آن ها در فناوری های نو ضروری می باشد. متخصصينی که در صنعت به طراحی، ساخت، تعمير و نگهداری ماشين آلات و تجهيزات اشتغال دارند، لازم است خصوصيات موادی را که با آن سر و کار دارند بشناسند و تغییرات ایجاد شده در اثر عوامل خارجی را پیش بینی کنند و اقدامات لازم را انجام دهند. یکی از پرکاربرد ترین مواد مورد استفاده در صنعت فولاد می باشد. استفاده از فولاد به دلیل استحکام، کشش نهایی زیاد و قیمت نسبتاً پایین آن در ساخت صنایع مختلفی از قبیل ساختمان سازی، ابزارها، کشتی‌ها، قطارها، خودروها، ماشین آلات و تجهیزات صنعتی و سلاح های نظامی کاربرد گسترده دارد. برای آشنایی بیشتر با این ماده ی پر کاربرد با ما همراه باشید.
فولاد آلیاژی از آهن است که بین 0.002 تا 2.1 درصد وزن آن کربن است. خواص فولاد به کمک تغییر در درصد کربن، عناصر آلیاژی و عملیات حرارتی قابل کنترل است. فولاد ها شامل چهار فاز فریت یا الفا (BCC) که مغناطیسی است ، فاز آستنیت یا گاما (FCC)که غیر مغناطیسی است و فاز های مارتنیت و کاربید می شود. فاز فریت موجود در فولاد به آن خاصیت مغناطیسی می بخشد. عواملی مانند عملیات حرارتی، زمان عملیات ،دمای عملیات، شیوه ی سرد شدن (اب و روغن اب و…) و سرعت سرد شدن بر درصد فاز فریت فولاد و طبعا خاصیت مغناطیسی آن تاثیر می گذارد.
فولاد مانند سایر مواد فرومغناطیس دارای حلقه ی پسماند می باشد. در ادامه تصویری از حلقه ی پسماند فولاد و آهن آمده است(شکل 1). همانطور که مشاهده می کنید فولاد با سرعت کمتری به اشباع می رسد اما به لحاظ مغناطیسی سخت تر از آهن است (میدان وادارندگی بیشتری دارد) و این تفاوت به علت وجود عناصر آلیاژی فولاد است.
برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد حلقه پسماند ها، مقاله حلقه پسماند مغناطیسی یا هیسترزیس را مطالعه فرمایید.
شکل 1- حلقه ی پسماند آهن و فولاد
میزان قدرت یک ماده ی مغناطیسی، به اندازه حلقه پسماند آن بستگی دارد. سه مشخصه مهم در تعیین کاربرد مواد مغناطیسی عبارتند از: چگالی شار اشباع (Br)، میدان وادارندگی (Hc) و بزرگی انرژی که با (BHmax) نشان داده می‌شود. بزرگی انرژی با مساحت بزرگترین مستطیل تشکیل شده بین محورهای B و H که در داخل ربع دوم منحنی پسماند قرار می‌گیرد برابر است(شکل 2). هرچه مساحت این ناحیه بزرگ‌تر باشد، ماده از لحاظ مشخصه‌های مغناطیسی سخت‌تر خواهد بود.
شکل 2- حلقه ی پسماند و پارامترهای آن
با توجه به اهمیت حداکثر انرژی ذخیره شده در فولاد در پروژه های مغناطیسی، آگاهی از چگونگی حلقه ی پسماند فولاد برای مهندسین و طراحان امری ضروری است. یکی از عوامل موثر در تغییر شکل حلقه ی پسماند و ویژگی های مغناطیسی مواد تغییرات دما است. رقابت بین انرژی حرارتی و انرژی ناهمسانگردی تعیین کننده جهت بردار های مغناطیسی و خواص مغناطیسی ماده است. انرژی حرارتی موجب منحرف شدن بردارهای مغناطش از محور آسان ناهمسانگردی می شوند در حالی که انرژی ناهمسانگردی سعی در حفظ بردارهای مغناطش در جهت محور آسان دارند و مانع از انحراف آن ها می شود. با افزایش دما و در پی آن افزایش انرژی حرارتی حوزه های مغناطیسی و جهتگیری مغناطش ها دچار تغییراتی می شوند و در نتیجه حلقه پسماند تغییر می کند؛ به‌طوری‌که با افزایش دما سطح محصور در این حلقه کاهش یافته و با کاهش دما مساحت آن افزایش می‌یابد. در نتیجه تغییرات دما بر روی نقطه ی کار و انرژی فولاد موثر است. ازین رو به بررسی این مطلب می‌پردازیم.
در هر حلقه پسماند سه رکن مهم وجود دارد چگالی شار اشباع(Br)، میدان وادارندگی (Hc) و ضریب نفوذپذیری مغناطیسی(µ)، ضریب نفوذ پذیری مغناطیسی در واقع چگونگی واکنش B در برابر تغییر Hاست. در نتیجه با تغییر Br و Hc در اثر تغییرات دما µ نیز دچار تغییر می شود.
با توجه به µ مساحت مستطیل محصور در حلقه که نشان دهنده ی انرژی است و موقعیت نقطه ی کار نسبت به نقطه ی زانویی تعیین می شود. ازین جهت اگاهی از تغییرات µ نسبت به تغییرات دما از اهمیت ویژه ای برخوردار است.
وابستگی دمایی Br و Hc به شکل زیر است که ضرایب α و β از منحنی ذاتی قابل استخراج است. باید به این نکته توجه داشت که ضرایب α و β برای یک ماده ممکن است در بازه های دمایی متفاوت تغییر کنند.
نسبت تغییرات Br و Hc تعیین کننده‌ی µ می باشد.
در شکل زیر حلقه پسماند نمونه ای از فولاد در دماهای مختلف آمده است. همانطور که در شکل ها مشخص است با افزایش دما تا °c 673، Br تغییر چندانی نداشته است(شکل 3) اما Hc کاهش یافته است(شکل 3) و در نتیجه افزایش µ را به همراه داشته است(شکل 4).
شکل 3- منحنی میدان مغناطیسی و میدان وادارندگی بر حسب دما
شکل 4- منحنی BH در دماهای مختلف
به طور خلاصه خواص مغناطیسی فولاد به درصد فاز فریت آن بستگی دارد به همین علت انواع فولاد با گرید های مختلف حلقه پسماند های متفاوتی دارند. از طرفی در هر گرید با تغییرات دما Br، Hc و µ تغییر میکنند و باعث ایجاد حلقه پسماندهای متفاوت در دماهای مختلف می شوند.
در این زمینه بخوانید :
حلقه پسماند مغناطیسی یا هیسترزیس
انواع مواد آهنربایی و گریدهای آنها
