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Hysteresis properties of soft magnetic materials

Nasir Mehboob

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Physik

Betreuer*in

Roland Grössinger

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DOI

10.25365/thesis.22641

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-16420.46327.479679-1

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Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Weich magnetische Materialien gehören zu den wichtigsten und am häufigsten untersuchten Werkstoffen moderner Technologie. In den letzten Jahren hat sich das Interesse speziell auf magnetische "Nano-Teilchen“ (<100 nm) konzentriert, da diese einmalige magnetische Eigenschaften aufweisen und daher potentiell interessant sind für viele Anwendungen. Um diese Werkstoffe besser zu verstehen, wurde die Frequenzabhängigkeit der Hysteresisschleife von verschiedensten weichmagnetischen Materialien gemessen und analysiert. Um die Hysteresisschleife zu bestimmen, muß die Magnetisierung M (oder Induktion B) als Funktion des angelegten Magnetfeldes H gemessen werden. Die Hysteresisschleife wird mittels Induktionsmethode an ringförmigen Proben gemessen. Es wird ein zeitlich, periodisch veränderliches Feld mit einer Primärspule erzeugt (wobei H(t) wählbar ist). An einer Sekundärspule wird dann ein Signal das proportional zu dB/dt ist, gemessen. Die Hysteresisschleife B(H) wird mit einem vollautomatisiertem Hysteresograph der mit einem Labview Programm bedient wird, registriert. Die Temperaturabhängigkeit der Hysteresisschleife kann in einem temperaturgeregelten Ofen gemessen werden, wobei die Probentemperatur mit einem Pt 100 Sensor bestimmt wird. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Untersuchung des Einflusses der "Severe Plastic Deformation“ (Starke plastische Verformung) auf die Hysteresiseigenschaften verschiedener weichmagnetischer Materialien. Daher besteht der experimentelle Teil der Dissertation aus Hysteresisschleifenmessungen an plastisch deformierten weichmagnetischen Materialien wie Fe und seinen Legierungen mit Si, Co, Al, Ga sowie Stahl. Diese Proben wurden mit einer Technik die man Hoch Druck Torsion (HPT) nennt, "SPD“ behandelt. Das Ziel der Untersuchung von SPD behandelten weichmagnetischen Materialien ist den Einfluß der Deformation auf magnetische Eigenschaften wie z.B. Koerzitivfeld, Permeabilität, Remanenz sowie auch die Form der Hysteresis (d.h. die Fläche) zu messen und zu analysieren. Ausserdem wurde ein analytisches Modell basierend auf den Maxwell Gleichungen und den Materialparametern (elektrischer Widerstand) entwickelt um die Frequenzabhängigkeit des Koerzitivfeldes sowie auch die dynamische Korrelation mit der Permeabilität zu beschreiben. Die Verluste werden mittels Integration der Fläche der Hysteresisschleife berechnet und dann mit einem allgemeinen Polynom 2.Ordnung analysiert. Die gefitteten Koeffizienten werden mit wohlbekannten ähnlichen Resultaten basierend auf Modellen für Fe-Si Elektrostählen verglichen z.B. Moses, Bertotti. Hysteresisschleifen von Fe, Fe-3%Si, Fe-6.5%Si, und Fe-17%Co, und reinem Ni wurden im Frequenzbereich von 0.25 Hz bis 1 kHz von Raumtemperatur bis 220°C an ringförmigen Proben gemessen. Alle Proben wurden im Ausgangszustand sowie nach einer HPT Verformung bei flüssiger Stickstofftemperatur (N2), bei Raumtemperatur und auch bei 450°C (723 K) gemessen. Das Material im Ausgangszustand wurde als Referenzprobe untersucht. Hochmagnetostriktives, weichmagnetisches Material wie Fe100-xAlx (15≤ x ≤ 25) wurde ebenfalls nach einer SPD Verformung bei Raumtemperatur und bei flüssigem Stickstoff (N2) untersucht. Die Hysteresisschleife an ringförmigen Proben wurde im Frequenzbereich von 0.25 Hz bis 1 kHz von Raumtemperatur bis zu 200°C gemessen. Zusätzlich wurde auch die Frequenzabhängigkeit der Hysteresisschleife an ringförmfgen Fe81Ga19 Proben gemessen und analysiert. Perlitischer Schienenstahl (R260) wurde ebenfalls magnetisch mittels Hysteresismessungen untersucht. Auch diese Proben wurden mittels HPT Methode mit Scherraten von ε= (0, 1, 2, 4, 8, 16) bei Raumtemperatur plastisch verformt. Die Frequenzabhängigkeit des Koerzitivfeldes sowie auch jene der Verluste aller Proben wurde analysiert und mittels verschiedener auf Wirbelströmen basierenden Modellen erklärt. Daraus folgt ein gutes Verständnis des Freqenzverhaltens weichmagnetischer Materialien. Aus diesen Modellen folgte auch eine mittlere relative Permeabilität (die sich reziprok zum Koerzitivfeld verhält) die dann mit experimentellen Daten verglichen wurde. Der Effekt der plastischen Deformation manifestiert sich im Allgemeinen in höheren Koerzitivfeldwerten, aber auch einer geringeren Frequenzabhängigkeit. Ähnliches gilt für die Frequenzabhängigkeit der Verluste.

Abstract

(Englisch)

Soft magnetic materials belong to the most important and most investigated materials in modern world technology. Particularly in the last years the interest was focused on nano size particles (<100 nm) of magnetic materials because of their unique magnetic properties and potential for many applications. In order to understand these material better the frequency dependence of the Hysteresis loop was measured and analysed for all kind of soft magnetic materials. For determining the hysteresis the magnetization M (or the induction B) has to be measured as a function of the applied magnetic field H. Hysteresis loops were measured by an induction method on ring shaped samples. Alternating periodic magnetic (ac) field is generated (were H(t) can be chosen) with a primary coil. A signal proportional to dB/dt is measured on a secondary coil. The hysteresis B(H) is then registrated with a full automized hysteresisgraph using a Labview program. Temperature dependent hysteresis can be obtained in a temperature controlled furnace and the sample temperature is determined using a Pt 100 sensor. This work concentrates on the investigation of the effect of Severe Plastic Deformation on Hysteresis properties of various kinds of soft magnetic materials. Therefore in this thesis the experimental part consist of hysteresis loop measurements of severe plastic deformed (SPD) soft magnetic materials such as Fe and its alloy with Si, Co, Al, Ga and steel. These samples were SPD treated by a technique which is the so-called high pressure torsion (HPT). The aim of the investigation of SPD soft magnetic materials is to study and analyze the deformation effect on the magnetic properties such as coercivity, permeability, remanence and also on the shape (which means the area) of the hysteresis loop. Additionally an analytical model based on the Maxwell equation and the material parameters (electrical resistivity) was developed in order to describe the change of the coercivity with frequency and also a dynamic correlation between the coercivity and the permeability of the material was deduced. Losses are calculated by integrating the area of hysteresis loop and then analyzed by a general second order polynomial equation. The fitted coefficients are compared with similar results which are based on well established models for Fe-Si electro-steel e.g. Moses, Bertotti. Hysteresis loops of Fe, Fe-3%Si, Fe-6.5%Si, and Fe-17%Co, and Ni were measured in the frequency range from 0.25 Hz to 1 kHz at room temperature up to 220°C on ring shaped samples. All samples were investigated in the as cast as well as HPT- deformed state which was achieved at liquid nitrogen (N2) room temperature and also at 450°C (723 K). The as cast sample (un-deformed) was also investigated as a reference sample. Soft magnetic material with high magnetostriction such as Fe100-xAlx (15≤ x ≤ 25) were studied after a Severe Plastic Deformation (SPD) treatment at room temperatures and liquid nitrogen temperature. The hysteresis loops on ring shaped samples were measured in the frequency range from 0.25 Hz to 1 kHz at room temperature up to 200°C. Moreover the hysteresis loops of different heat treated Fe81Ga19 ring shaped samples were measured and analysed as a function of the frequency. Pearlitic rail steel R260 was also investigated magnetically by hysteresis measurements. The samples were plastically deformed by HPT technique with shear rate ε= (0, 1, 2, 4, 8, 16) at room temperature. Frequency dependence of coercivity data as well as frequency dependence of losses of all samples are analyzed and explained by different eddy current based models. This delivers a good understanding of the frequency behavior of soft magnetic materials. From these models also a medium average relative permeability (which is reciprocal to the coercivity) was calculated and compared with experimental data. Severe Plastic Deformation causes generally an increase of the coercivity as well as a reduced frequency dependence. Similar is valid for the frequency dependence of the losses.

Autor*innen

Nasir Mehboob

Haupttitel (Englisch)

Hysteresis properties of soft magnetic materials

Paralleltitel (Deutsch)

Eigenschaften der Hysterese von weichmagnetischen Materialien

Publikationsjahr

2012

Umfangsangabe

XIX, 166 S.

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Gerald Badurek ,

Heinz Krenn

Klassifikation

33 Physik > 33.75 Magnetische Materialien

AC Nummer

AC11012214

Utheses ID

20218

Studienkennzahl

UA | 091 | 411 | |

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