Формирование магнитных свойств быстрозакаленных сплавов на основе железа при их получении и термообработке тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

л г- ПГ!! т

1 5 /М ^

На правах рукописи

УДК 531.49.07.05:531.49.05.09.11

РЫБИН Дмитрий Станиславович

ФОРМИРОВАНИЕ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ БЫСТРОЗАКАЛЕННЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА ПРИ ИХ ПОЛУЧЕНИИ И ТЕРМООБРАБОТКЕ

Специальность 01.04.07 — "Фишка твердого тела"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ижевск 1996

Работа выполнена в Физико-техническом институте УрО РАН

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

В. И. Ладьянов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор П. С. Попель кандидат физико-математических наук Р. С. Ильясов

заседании диссертационного совета Д 003.58.01 при Физико-техническом институте УрО РАН (426001, г. Ижевск, ул. Кирова, 132, ФТИ УрО РАН).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФТИ УрО РАН.

Ведущая организация: Уральский Государственный технический университет — УПИ, г. Екатеринбург

Защита состоится

в

часов на

Автореферат разослан

диссертационного совета доктор фю.-мат. наук

Ученый секретарь

В. Г. Чудинов

Исследование процессов формирования магнитных свойств быстрозака-ленных сплавов является самостоятельной задачей физики твердого тела. Хорошо известно к настоящему времени, что металлические стекла с ферромаг-шггоподобным порядком обладают уникальным сочетанием магнитных, механических, электрических свойств и, в ряде случаев, высокой устойчивостью против коррозии. Особый интерес представляют магнитомягкие сплавы на основе железа, имеющие низкую себестоимость производства, высокие значения плотности магнитного потока и магнитострикции насыщения. Такие сплавы находят широкое применение при конструировании прецизионной измерительной аппаратуры. Однако интерес к формированию их магнитных свойств далеко не исчерпывается практической значимостью. Изменения некоторых магнитных свойств, таких как коэрцитивная сила и начальная проницаемость, которые имеют место при структурной релаксации, тесно связаны со структурным модифицированием, происходящим на микро- и макроуровнях. Поэтому, фиксируя характер изменений магнитных структурночувствительных свойств, можно получить дополнительную информацию о структурных особенностях быстрозакаленных сплавов.

Многие магнитные свойства определяются собственно структурной анизотропией и ее флуктуациями. Кроме того, магнитная анизотропия быстрозакаленных сплавов может формироваться благодаря направленному характеру дефектов и внутренним напряжениям, которые возникают в процессе быстрой закалки и отражают технологические особенности их получения. Дополнительная анизотропия в металлических стеклах с ненулевой магнитострикцией может быть создана в результате их упругого деформирования. Релаксационные явления, начинающиеся еще в жидкой фазе и заканчивающиеся при кристаллизации металлического стекла, изменяют парциальное соотношение вкладов в общую анизотропию аморфных сплавов ее структурной и магнито-упругой составляющих (слабо влияя при этом на источники флуктуации анизотропии технологического происхождения). Последнее приводит к измене-

нию гисгерезисных и некоторых других магнитных свойств быстрозакаленных сплавов на основе железа. Поэтому исследование влияния релаксации на формирование гистерезисных свойств и магнитной анизотропии является актуальной задачей в области физики аморфного состояния.

Целью работы являлось выяснение роли релаксационных процессов на различных стадиях в системе "расплав — быстрозакаленный сплав" в формировании структурной, магнитоупругой анизотропии и гистерезисных свойств магнитомягких металлических стекол на основе железа с большой магнитост-рикцией насыщения (А, >10^'). •

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

1. Исследовать влияние кинетики временных явлений в исходном расплаве на магнитные свойства металлических стекол Ре7оСг10Р1зС7 и РеувМ^Вп.

2. Исследовать процессы структурной релаксации и гистерезисные магнитные свойства быстрозакаленного сплава Ре8оВ 1381502, подвергнутого деформациям изгиба.

3. Разработать феноменологическую модель процессов перемагничивания быстрозакаленных сплавов с большой магшпострикцией насыщения при упругой деформации и проверить ее экспериментально.

4. Оценить нижний предел коэрцитивной силы аморфных магнитомягких сплавов с ненулевой магнитострикцией насыщения и ее изменения в процессе структурной релаксации.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. зависимость магнитных свойств модельного сплава Ре7оСгюР1зС7 в исходном

«

состоянии от времени изотермической выдержки металлического расплава;

2. модельное описание и экспериментальные результаты по влиянию деформаций изгиба и термообработки на гистерезисные свойства быстрозакаленного сплава ГеХоВ|з315С2;

3. расчет коэрцитивной силы магнитострикционных аморфных сплавов в рамках дисклинационной модели;

4. сравнительный анализ результатов расчета, компьютерного моделирования, экспериментальных данных по влиянию релаксационных явлений на коэрцитивную силу в аморфных сплавах с большой магнитострикцией насыщения.

Научная новизна:

1. Показано, что изменение гистерезисных свойств, параметров интегрального структурного фактора и линии поглощения при ФМР свежезакаленного металлического стекла РеуоСгшРпСу от времени изотермической выдержки исходного расплава имеет немонотонный характер. Последнее коррелирует с характером эволюции структурночувствительных свойств металлических расплавов в процессе их изотермической выдержки.

2. Показано, что эффективное поле магнитной анизотропии свежезакаленных металлических стекол Ре7оСгшРпС7 к Ре78№151&Вп уменьшается с увеличением времени изотермической выдержки исходного расплава.

3. Показано, что коэрцитивная сила и начальная проницаемость быстрозака-ленного сплава Ре8оВ1з815С2 могут иметь немонотонное поведение при структурной релаксации, обусловленное влиянием упругих напряжений на магнитострикцию насыщения.

4. В рамках статистической теории перемагничивания получено выражение коэрцитивной силы для случая движения гибкой одиночной доменной границы в непрерывном поле напряжений, создаваемых дисклинационными мулышюлями. Показано, что наблюдаемые в эксперименте численные значения и характер поведения коэрцитивной силы в процессе структурной релаксации хорошо согласуется с дисклинационной моделью строения аморфных тел.

Практическая значимость работы заключается в возможности оптимизации технологии получения металлических стекол исследованных сплавов с

учетом релаксационных явлений в жидкой фазе и структурной наследственности в системе "расплав — металлическое стекло". Определены оптимальные режимы термообработки быстрозакаленных сплавов на основе железа с наилучшими эксплуатационными характеристиками. Показана принципиальная возможность получения магнитострикционных сплавов со слабой зависимостью гистерезисных свойств от величины приложенных упругих напряжений в определенном диапазоне их значений. Предложен метод оценки нижнего предела коэрцитивной силы для аморфных магнитомягких сплавов с ненулевой магнитострикцией насыщения.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на: 3й Всесоюзной конференции "Проблемы исследования структуры аморфных металлических сплавов" (Москва, 1988); Научно-технической конференции "Управление структурой и свойствами аморфных магнитомягких материалов" (Свердловск, 1988); 3й Всесоюзной школе-семинаре "Эффект Баркгаузена и его использование в технике" (Ижевск, 1989); 5й Всесоюзной конференции "Аморфные прецизионные сплавы: технология, свойства, применение" (Ростов Великий, 1991); Научно-технической конференции "Разработка и освоение аморфных и микрокристаллических материалов" (Киев, 1990); 4й Всесоюзной конференции "Проблемы исследования структуры аморфных материалов" (Ижевск, 1993); Iй Российской университетско-академической научно-практической конференции (Ижевск, 1993); 6й Международной научно-технической конференции "Кристаллизация и компьютерные модели" (Ижевск, 1994); 8й Всероссийской конференции "Строение и свойства металличских и шлаковых расплавов" (Екатеринбург, 1994); 37м Постоянном международном семинаре по компьютерному моделированию дефектов структуры и свойств конденсированных сред (Ижевск, 1994); Российском семинаре "Структурная наследственность в процессах сверхбыстрой закалки расплавов" (Ижевск, 1995).

Результаты, полученные в диссертационной работе, вошли в отчет РАН "Важнейшие результаты в области естественных, технических, гуманитарных и общественных наук за 1995 г."

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 8-и печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы. Объем работы — 141 е., из них основной текст — 120 е., рисунков — 21, таблиц — 3, библиографический список состоит из 133 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и задачи, приведены ее основные положения, выносимые на защиту, и показаны практическая значимость и научная новизна.

Первая глава представляет обзор литературы по тематике исследований. В начале главы показано, что в основе формирования гистерезисных свойств аморфных магнитомягких сплавов и их кристаллических аналогов лежит один и тот же источник — магнитная анизотропия и ее пространственные флуктуации. Отсутствие кристаллографической анизотропии в аморфных сплавах еще не означает их структурной изотропности, поскольку возможность существования ориентационного дальнего порядка при нарушении трансляционной инвариантности хорошо известна к настоящему времени. Магнитная анизотропия металлических стекол — быстрозакаленных аморфных сплавов — может быть обусловлена как собственно структурно^ анизотропией (существованием анизотропных структурных элементов и дефектоподобных образований, присущих исключительно некристаллическим твердым телам), так и анизотропией, связанной с дефектами технологического происхождения (градиенты закалочных напряжений, микропоры, каверны, рельеф поверхности и т.д.).

Во второй части главы рассмотрит известные на сегодня источники флуктуации анизотропии и оценивается их парциальный вклад в коэрцитивную силу металлических стекол. Констатируется, что в аморфных сплавах на основе железа с большой магнитострикцией насыщения (А, ¿10"6) определяющую роль в формировании гистерезисных свойств играет магнитоупругая анизотропия. Сделан вывод, что при рассмотрении источников внутренних флук-туаций магнитоупругой анизотропии однако до сих пор не принимался во внимание целый класс дефектоподобных образований, присущих аморфному телу, а именно дисклинации наклона. Не выявлен вклад дасклинаций в коэрцитивную силу некристаллических магнитомягких материалов.

В третьей части главы обсуждается влияние структурной релаксации на формирование магнитной анизотропии и гистерезисных свойств. Показано, что релаксация приводит к частичному снятию внутренних напряжений, изменению топологического и композиционного ближнего порядка. Последнее влияет на фундаментальные магнитные параметры и их изменение в пространстве (например, магнитный момент на атом и магнитострикцшо насытце-• ния), определяющие эффективность взаимодействия доменных границ с местами их пиннинга. Кроме того, в процессе структурной релаксации изменяется концентрация и мощность дефектоподобных образований, таких как, например, дисклинации. Показано, что числешшй оценки изменения вклада дискли-наций в коэрцитивную силу при струкгурной релаксации до сих пор не проводилось. Отмечается, что исходное состояние жидкой фазы может значительно влиять на структуру и свойства металлических стекол. При формировании магнитных свойств необходимо учитывать релаксационные явления, происходящие еще в металлическом расплаве. Однако роль этих явлений к настоящему времени выявлена слабо.

В четвертой части главы показано, что в зависимости от исходного состояния быстрозакаленных сплавов кинетика изменения их магнитных свойств при структурной релаксации до начала процессов кристаллизации может су-

щественно отличаться. Локальные экстремумы, появляющиеся на политермах параметров предельного цикла перемагничивания и начальной кривой намагничивания в температурном диапазоне до 200°С, не находят к настоящему времени удовлетворительного объяснения.

Во второй главе приводится описание объектов исследования и методик их экспериментального изучения. Описаны способы изготовления образцов, методы контроля состава сплавов, величины погрешностей измеряемых параметров. Образцы, исследованные в работе, представляли собой быстрозака-ленные ленты, полученные спинпингованием металлического расплава. Изучались сплавы следующих составов: Ре8оВв315С2, Ре7оСгюР1зС7, РетаШ^аВи. Для последних двух систем при строго фиксированных технологических условиях их получения в качестве варьируемого параметра было выбрано время изотермической выдержки р'асгшава т перед закалкой после перегрева его на 100°С выше линии ликвидус равновесной диаграммы состояния. Диапазон изменения г для системы Ре7в№1818В1з составлял от 0 до 15 мин, для системы РетоСгюРвСт — от 0 до 60 мин. Последний сплав получали при обдуве сопла инертным газом методом внутреннего полива, что обеспечивало равномерный и надежный контакт ленты с поверхностью закалочного диска. Толщина ленты составляла 15 мкм.

В третьей главе изложены экспериментальные результаты по влиянию времени изотермической выдержки на магнитные свойства металлических стекол Ре7оСгюР1зС7 и РеузМ^Вп.

Показано, что поведение структурных параметров и свойств аморфных сплава Ре7оСгюР1зС7, полученного при разных временах изотермической выдержки исходного металлического расплава, имеет немонотонный осциллирующий характер (рис. 1)

Осциллирующий характер поведения ширины линии ферромагнитного резонанса 8Н указывает на изменение со временем степени структурной мик-ронеодпородности аморфных лент. При этом рост 8Н соответствует увеличе-

шло степени микронеоднородности системы и наоборот. Как видно на рис.1, полуширина первого максимума структурного фактора ¿К1 находится с 8Н в противофазе. В общем случае меньшему значению ¿5' соответствует большая степень упорядоченности аморфного сплава.

Немонотонный осциллирующий характер изменения наблюдается также на гистерезисных свойствах — коэрцитивной силе и индукции технического насыщения. Последняя совпадает по характеру изменения с величиной намагниченности насыщения, полученной по величине резонансного поля ФМР.

Известно [10], что в жидкости сразу после расплавления твердой фазы и последующего за ним нагрева до фиксированной температуры стационарное состояние устанавливается в течение некоторого времени, которое может исчисляться минутами и даже часами. При этом наблюдается сложный колебательный процесс эволюции структурных параметров и структурно-чувствительных свойств расплава. С другой стороны, состояние жидкой фазы и предыстория ее получения в значительной степени определяют структуру и свойства литых металлических сплавов, в том числе, металлических стекол, в которых наследование структурных особенностей исходного расплава проявляется в наибольшей мере.

Исследование поведения изотерм вязкости у = /{т)\г,м расплава указанного номинального состава проведено в работе [1]. Оказалось, что кинетика структурных параметров и свойств, обнаруженная нами для металлического стекла, коррелирует с характером изменения V металлического расплава. При этом амплитуда колебаний V [1] со временем уменьшается, однако полной стабилизации свойств и достижения стационарного состояния не наблюдается даже после часовой выдержки расплава. Как можно видеть из рисунка 1, аналогичные результаты получены и для металлического стекла.

Приведенные экспериментальные данные указывают на структурные временные изменения, происходящие в металлическом расплаве и на наследование этих структурных изменений металлическим стеклом в процессе быст-

рой закалки. Изменение 5? и 8Н свидетельствуют о происходящем изменении топологического ближнего порядка в расплаве и аморфной лепте. Колебание абсолютной величины намагниченности насыщения указывает на изменение композиционного ближнего порядка в обоих агрегатных состояниях.

Рис.1. Влияние временя выдержки металлического расплава на ширину линии ферромагнитного резонанса 8Н и полуширину первого максимума структурного фактора ¿К металлического стекла

Показано, что при временах выдержки больших 30 минут наблюдается стабилизация коэрцитивной силы. Последнее свидетельствует об установлении некоторого равновесного распределения источников флуктуаций магнитной анизотропии, являющихся эффективными местами пиннинга доменных границ. Такими источниками являются структурные дефекты. Обращает на себя внимание и тенденция снижения коэрцитивной силы с ростом т. Такой же эффект обычно наблюдают при изотермическом отжиге аморфных сплавов систем металл — металлоид в температурном диапазоне до начала кристаллизации. Обычно уменьшение коэрцитивной силы при отжиге связывают с уменьшением концентрации и мощности структурных дефектов и релакса-

цией внутренних напряжений. Можно полагать, что релаксация металлического расплава приводит к снижению степени дефектности металлического стекла и по производимому эффекту эквивалентна отжигу в твердом состоянии. С другой стороны, даже после часовой выдержки прочие структурные параметры и свойства еще не стабилизируются.

Одним из возможных объяснений физических причин осциллирующего характера поведения структурных параметров и свойств металлического расплава Ге7оСг10Р1зС7 может являться изменение типа химического ближнего порядка при переходе от кристаллической фазы к жидкой. Известно, что тип ближнего порядка в сплаве Ре7оСгюР1зС7 в процессе перехода из одного агрегатного состояния в другое существенно изменяется [2]. В системе Ре-Сг при содержании хрома больше 13 ат.% образуется ковалентная связь с вовлечением ¿/-электронов. С другой стороны, образование микрогруппировок Ме-С в кристаллическом твердом теле является энергетически невыгодным. В жидкости это препятствие снимается и при плавлении начинается образование комплексов СтхС(1.Х), поскольку разность электроотрицательностей элементов в соединениях Ст-С(Р) выше, чем в Ре-С(Р). Комплексы СгхС(1-х>, слабо связаны с остальными атомами расплава и обеспечивают минимум свободной энергии. Поэтому образование связей Ст-С эквивалентно изменению числа взаимодействующих атомов хрома с железом при увеличении т, что приводит к модификации ¿/-полосы железа и изменению величины магнитного момента, приходящегося на атом Ре. Как одним из аргументов в пользу этого предположения, могут являться данные, полученные по зависимости магнитострикции насыщения А, от т в металлическом стекле. Показано, что растет с увеличением времени выдержки исходного расплава. Этот факт говорит об увеличении , числа атомов железа в его ближнем окружении. Поскольку концентрационная зависимость магнитной восприимчивости металлического расплава системы Ре-Сг при постоянной температуре носит осциллирующий характер [3], то можно полагать, что осциллирующий характер эволюции структурночувстви-

тельных свойств расплава Ре7оСг10РпС7 и полученного из него металлического стекла обусловлен немонотонным поведением концентрационной зависимости структурночувствителыгых свойств, приведенных в [3].

Рис. 2. Влияние времени изотермической выдержки металлического расплава на эффективное поле магнитной анизотропии сплавов Рв7оСгюР1зС7 (слева) и Ре7зМ115!!!В1з

В отличие от кинетики изменения индукции насыщения, полуширины первого максимума рентгенострукгурного фактора для обоих сплавов наблюдается монотонное уменьшение величины эффективного поля магнитной анизотропии Нкоторое, по-видимому, можно объяснить уменьшением количества кристалоподобных комплексов в исходном металлическом расплаве (рис.2).

В четвертой главе рассмотрены процессы формирования коэрцитивной силы и начальной проницаемости в сплавах с ненулевой магнитострикцией насыщения. Известно, что нижний порог коэрцитивной силы, обусловленный локальными флуктуациями обмена, на четыре порядка меньше величины, реально наблюдаемые в эксперименте. Релаксационные процессы могут привести к изменению коэрцитивной силы в пределах одного порядка. Ранее было показано, что существование технологических дефектов и закалочных напряжений не может быть причиной столь существенного расхождения теории и

эксперимента. Исследуя закон приближения намагниченности к насыщению, Кронмюллер с соавторами [7] впервые обнаружили присутствие в металлических стеклах дефектоподобных образований, являющихся источниками полей внутренних напряжений, затухающих по закону 1/г. Структурная релаксация приводит к увеличению плотности этих источников флуктуации мапгатоупру-гой анизотропии, что в рамках квазидислокационных представлений не находит соответствующего объяснения.

В последнее время для описания структуры аморфного состояния наряду с непрерывной неупорядоченной сетью атомов и кластерным подходом широко используются модели, основанные на пространствах с постоянной положительной или отрицательной кривизной, а также дисклинационные модели. Проведенный ранее анализ перечисленных моделей показал, что все они, так или иначе, содержат представления о дефектах дисклинациошюго типа. Положительные и отрицательные дисклинации в неупорядоченной структуре проходят соответственно через пяти- и семикратные кольца связей и являются источниками некристаллических элементов симметрии. В рамках дисклинационной модели (ДМ) удается описать строение разных классов стекол (кварцевых, полупроводниковых, металлических и др.), то есть эта модель является достаточно универсальной. Кроме того, ДМ позволяет рассчитать и объяснить ряд механических и физических свойств аморфных материалов, например, уровень напряжения течения, отсутствие деформационного упрочнения, устойчивость против кристаллизации, природу биения плотности стекла, наличие среднего порядка и т.д.

В данной работе, показано, что, рассматривая дисклинационные муль-типоли как источники флуктуации магнитоупругой анизотропии, можно непротиворечиво объяснить влияние структурной релаксации на коэрцитивную силу аморфных магнитомягких сплавов (AMC). Для количественной оценки составляющей коэрцитивной силы, обусловленной непрерывным полем дис-клинационных мультиполей, мы воспользуемся результатами статистической

теории намагничивания, развитой в работах [4,5]. Коэрцитивная сила для случая гибкой одиночной доменной границы (ДГ), движущейся в случайном непрерывном поле дефектов, задается следующим соотношением [4]

где ü — дисперсия силы взаимодействия доменной границы с дефектами, рассчитанная на единицу длины ДГ, I, — намагниченность насыщения, у — плотность энергии ДГ, £ — средняя длина волны случайной силы взаимодействия ДГ с дефектами. Величина ¿; — много больше среднего расстояния d между отдельными дисклинациями, что подтверждает справедливость применения соотношения (1) в нашем случае. Задачу расчета взаимодействия дис-клинации и ДГ сведем к решению задачи взаимодействия ДГ с дислокацией. Две дисклинации противоположного знака можно заменить дислокацией с вектором Бюргерса

|S| = 2rf<¡rf.

где со — абсолютная величина вектора Фра!пса дисклинации (мощность дисклинации), d — расстояние между дисклинациями. В изотропном случае тензор упругих напряжений, создаваемых в доменной границе и обусловленных магнитострикцией, будет иметь три независимые компоненты:

3

<ти =3GX, sin2 <р, <ти = --GA, sin2<р, (Т33 = -3GA, sin2 <р,

где G — модуль сдвига, Л, — магнитострикция насыщения, <р — угол между вектором спонтанной намагниченности и направлением приложенного напряжения. Ортонормированная система координат выбрана так, что ось X направлена по нормали к поверхности пленочного образца и лежит в плоскости доменной границы, а ось Y совпадает с нормалью к плоскости ДГ. Силу F, действующую со стороны одиночной дислокации на ДГ, молено оценить с помощью соотношения Пича-Келера. Однако еще меньшей энергией, чем дис-клинационный диполь обладает дисклинационный квадруполь за счет

большей взаимной экранировки полей напряжений, наведенных дисклина-циями. При моделировании структуры аморфных веществ, дисклинации с противоположным знаками в основном располагаются в виде искаженных квадруполей. Поэтому дисклинационный квадруполь можно рассматривать как простейший элемент структуры. Он будет эквивалентен дислокационному диполю, для которого можно оценить силу F. В дальнейшем условимся считать, что средний размер линии дисклинации — d, а средний объем, занимаемый одним квадруполем,

Для системы независимых хаотически расположенных дисклинацион-ных квадруполей дисперсия случайной силы будет равна

¿ = 6.75* (2)

2 о

где р — объемная плотность квадруполей, рассчитанная как количество квадруполей, приходящихся на единицу объема. Выражение (2) получено в приближении равномерного поворота намагниченности внутри ДГ. С учетом (2) выражение коэрцитивной силы (1) для случая движения ДГ в непрерывном поле системы несквозных хаотически расположенных дисклинационных квадруполей принимает вид

Mo ■ (3)

Применительно к сплаву Fe8oB2o, получено оценочное значение коэрцитивной силы, которое находится в хорошем соответствии с известными экспериментальными результатами для этой системы. Полученные численные результаты показывают, что нижний предел коэрцитивной силы будет определяться в AMC с ферромагнитным упорядочением не флукгуациями обмена, а характером распределения и мощностью дисклинаций, как источников некристаллических элементов симметрии. Интересно отметить, что после релаксации неупорядоченной структуры, которая была проведена в компьютерном эксперименте методом молекулярной динамики авторами [6], объемная плотность дисклинаций возросла примерно в 3 раза. Соответственно расстояние

между дисклинациями уменьшилось в 1.44 раза. Аналогичные результаты по увеличению объемной плотности источников внутренних напряжений получены экспериментально в работе [7]. Указанное изменение концентрации дефектов в соответствии с формулой (3) приводит к уменьшению коэрцитивной силы, обычно наблюдаемому в эксперименте при структурной релаксации AMC системы "металл — металлоид".

В пятой главе рассматривается круг вопросов, связанных с аномалиями на политермах коэрцитивной силы и начальной проницаемости быстрозака-ленных сплавов, наблюдаемыми обычно в области температур отжига ниже 200°С. Известно, что в данной области температур преобладают процессы, связанные с релаксацией внутренних напряжений, в то время как композиционное и топологическое ближние упорядочения по большей части развиваются при температурах отжига больших 200°С. Максимумы коэрцитивной силы и минимумы начальной проницаемости, наблюдаемые иногда в указанном диапазоне температур отжига, принято объяснять процессами магнитного последействия. Однако до сих пор не получено строгого доказательства этого предположения. Процессы дезаккомодации начальной проницаемости, наблюдаемые в указанном температурном диапазоне, являются магнитнообра-тимыми, а потому регистрация связанного с магнитным последействием роста коэрцитивной силы при стандартной методике ее измерения является проблематичной.

Для выяснения причины возникновения локальных экстремумов Нс и ß, были проведены исследования на системе FegoBnS^-^. Образцы сплава свивали в тороиды диаметром от 90 до 7 мм. Образцы отжигали в течение 30 мин в атмосфере чистого гелия в температурном диапазоне до 400°С с шагом 50°С. После каждого отжига производились измерения магнитных параметров сплавов.

При диаметрах тороидов > 10 мм наблюдали типичное для магнитост-рикционных металлических стекол поведение Нс и //,: коэрцитивная сила

уменьшается с ростом Та до 350°С, начальная проницаемость увеличивается, что отражает релаксационные процессы, описанные в предыдущей главе (см. рис.3). Деградация магнитных свойств выше 350°С отражает процессы кристаллизации аморфного сплава.

На образцах диаметром < 10 мм в области низких температур отжига отчетливо наблюдается максимум Нс и минимум д. При дальнейшем увеличении Та коэрцитивная сила и начальная проницаемость ведут себя также, как и в случае тороидов диаметром > 10 мм.

Рис.3. Влияние температуры отжига на коэрцитивную силу и начальную проницаемость

Для объяснения подобного поведения коэрцитивной силы и начальной проницаемости были привлечены данные по зависимости магнитострикции насыщения от напряжений а, ранее обнаруженные для ряда аморфных сплавов независимыми исследователями. В этом случае магнитострикция насыщения имеет вид

Я,=(А,Н*> (4)

где | = 1 д ■ В данном случае (Я,) — величина усредненной по объе-

му магнитострикции насыщения при отсутствии внешнего поля и напряжений; 8Х— пространственная флуктуация А,. В нашем случае величина измеренная методом малоуглового вращения вектора намагниченности, составила 200-Ю"10 МПа"1. С учетом (4) коэрцитивная сила принимает вид

Я 0 « У ~ 4лк ос ^Л «Я,)-$ст)ст, (5)

При £ = о выражение (5) приобретает традиционную форму [8]. В последнем случае наблюдается хорошо известное из литературы уменьшение коэрцитивной силы при релаксации внутренних напряжений. Если зависимость Нс - /(а) представляет собой кривую с максимумом (см. рис.4). Когда уровень напряжений не превышает значения, соответствующего зоне I, релаксация напряжений приводив к монотонному уменьшению составляющей Нс, обусловленной мапшгоупругим взаимодействием. Такое поведение Нс от а является типичным и для кристаллических материалов.

Рис.4. Влияние приложенных напряжений на Нс при Рис.5. Влияние диаметра тороида на Нс при £ * 0 и £ = О

В случае, когда сг соответствует зоне II, релаксация напряжений приводит на первом этапе к росту Нс, а затем, к ее монотонному уменьшению. Последнее наблюдается в нашем эксперименте. Было установлено, что в рассматриваемом температурном диапазоне имеют место процессы релаксации внутренних напряжений, что не противоречит имеющимся литературным данным. При Го=200°С величина внутренних напряжений уменьшается на 30 % по сравнению с исходным уровнем. Дополнительным подтверждением разра-

ботанной модели является полученная зависимость Нс от диаметра тороида £>=2Й, приведенная на рис.5. Обнаружено, что зависимость НС=/(Я) для изученной системы имеет также экстремальную зависимость, описываемую соотношением

(6)

где Л — радиус тороида; Е — модуль упругости; г — координата места заро-дышеобразования, отсчитываемая от центра ленты по толщине, А — константа обмена. В случае, когда в материале отсутствуют пространственные флуктуации А,, т.е. ^=0, соотношение (6) преобразуется к хорошо известному для неоднородно деформированных образцов виду и никаких немонотонных зависимостей не наблюдается (см. рис.5). Следует отметить, что соотношения (5)-(6) справедливы для случая движения доменной границы в направлении, отличном от градиента напряжений. В противном случае Нс подчиняется закону

2

нс =

3 Е А*

А, —+

2

(7)

(А//

Частным случаем уравнения (7) является соотношение, полученное А.НсташЗо [9] для движения доменной границы в направлении Ус. Из выражения (7) видно, что пространственные флуктуации магнитострикции не приводят к возникновению немонотонных зависимостей коэрцитивной силы от диаметра тороида.

В эксперименте, проведенном по классической схеме Сикстуса и Тон-кса, было показано, что механизм перемагничивания аморфных лент меняется в зависимости от величины наведенных градиентов а. В области больших V а наблюдается смещение доменной границы вдоль градиента напряжений, в то время как в области малых значений Vcг преобладает движение границы в перпендикулярном направлении. Поэтому в сплавах с пространственными флуктуациями магнитострикции зависимость коэрцитивной силы от Уа должна видоизменяться от (6) к (7). Такое поведение наблюдалось в данной

работе на сплаве FeygNiiSigB. Следует отметить, что при получении быстроза-каленных сплавов в виде лент и проволок в них формируются поля упругих напряжений, обусловленные возникновением больших температурных градиентов, возникающих при спининговашга металлического расплава. Абсолютные значения максимальных закалочных напряжений достигают согласно литературным данным нескольких сот МПа. Поэтому даже на разомкнутых образцах в сплавах с § # О можно наблюдать экстремумы на политермах коэрцитивной силы и начальной проницаемости, возникновение которых инициируется релаксацией внутренних напряжений.

Основные результаты и выводы:

1. Исследовано влияние времени изотермической выдержки металлического расплава системы Fe7oCrioPi3C7 на магнитные свойства полученного из него металлического стекла. Впервые установлено, что изменения магнитных параметров имеет немонотонный осциллирующий характер, коррелирующий с временными изменениями структурночувствительных свойств исходной жидкой фазы.

2. Показано, что эффективное поле магнитной анизотропии свежезакаленных металлических стекол Fe7oCrioPuC7 и Fe7«NiiSigB13 уменьшается с увеличением времени изотермической выдержки исходного расплава.

3. В рамках дисклинационной модели строения некристаллических веществ получено выражение для коэрцитивной силы Нс аморфных сплавов с ненулевой магнитострикцией насыщения. Обнаружено хорошее согласие расчетов с экспериментально наблюдаемыми значениями Нс.

4. Установлено хорошее количественное соответствие между экспериментальными данными и предсказанными в рамках предложенной модели изменениями Нс при структурной релаксации. Показано, что дисклинации наклона, являясь неотъемлемыми структурными элементами аморфных веществ, могут определять нижний, принципиально непреодолимый порог коэрцитивной силы в магнигострикционных металлических стеклах.

5. Показано, что коэрцитивная сила и начальная проницаемость быстрозака-ленного сплава FegoBnSisCi могут иметь немонотонное поведение при структурной релаксации, обусловленное влиянием упругих напряжений на малштострикцию насыщения.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1.Ладьянов В.И., Рыбин Д.С., Новохатский И.А., Усатюк И.И., Шумилов И.Ю. О колебаниях структурных параметров и магнитных свойств металлических стеколШисьма в ЖЭТФ. 1995. Т.67, Вып.4. С.270-273.

2. Рыбин Д.С., Шумилов И.Ю., Ладьянов В.И., Новохатский И.А., Щербаков Д.Г. Влияние релаксационных явлений в жидкой фазе на магнитную анизотропию металлических стекол// Письма в ЖТФ. 1996. Т.22, Вып.23. С. 19-24.

3. Рыбин Д.С., Ладьянов В.И., Шудегов В.Е. Моделирование структурной релаксации и магнитных свойств аморфных сплавов//ЖТФ. 1995. Вып.9. С.65-70.

4. Рыбин Д.С. Особенности процессов перемагничивания микронеоднородных быстрозакаленных магнитомягких сплавов// В сб. статей: "Эффект Баркгау-зена и аналогичные физические явления", Ижевск, 1995. С.74-79.

5. Рыбин Д.С., Новохатский И.А., Шумилов И.Ю., Усатюк И.И. Влияние релаксационных явлений в расплаве на структуру и магнитные свойства металлического стекла Fe7oCrioPi3C7//Te3. докл. УПГ Всероссийской конференции "Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов". Т. 1. Екатеринбург, 1994. С.127.

6. Безруков A.B., Кислов В.А., Левин Ю.Б., Ломаев Г.В., Рыбин Д.С., Федоров В.Л. Получение больших скачков Баркгаузена в аморфных лентах на основе железа// Тез. докл. Ш Всесоюзной конференции "Проблемы исследования структуры аморфных металлических сплавов", 1988. 4.2. Москва. С.282.

7. Рыбин Д.С., Ладьянов В.И. Влияние неоднородных навивочных напряжений на гистерезисные свойства металлического стекла Feg0Bi3Si5C2// Тез. докл. V Всесоюзной конференции "Аморфные прецизионные сплавы: технология, свойства, применение", Ростов Великий, 1991, С.79-80.

8. Рыбин Д.С., Шумилов И.Ю., Ладьянов В.И., Щербаков Д.Г. Влияние жидкой фазы на формирование магнитной анизотропии в металлических стеклах// Тезисы Российского семинара "Структурная наследственность в процессах сверхбыстрой закалки расплавов". Ижевск, 1995. С.32-33.

Список цитированной литературы:

[1] Ладьянов В.И., Логунов C.B., Пахомов C.B. //Тезисы 8я Всероссийской конференции "Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов". Т.2. Екатеринбург, 1994. С.8.

[2] Трапезников В.А., Шабанова И.Н. Реттеноэлектронная спектроскопия сверхтонких поверхностных слоев конденсированных систем. М.:Наука, 1988. 200 с.

[3] Сидоров В.Е., Гущин B.C., Баум Б.А.//Изв. вузов. Черная металлургия, 1985. Вып.8. С. 152.

[4] Иванов А.А.//ФММ. 1980. Т.49, Вып.5. С.954-964.

[5] Иванов A.A., Лобов И.В., Воробьев Ю.Д.//ФММ. 1984. Т.58, Вып.1. С.11-20.

[6] Лихачев В.А., Михайлин А.И., Шудегов В.Е.//Моделирование в механике/ Сб. научн. трудов. Новосибирск, 1987. Т. 1(18), N3. С.105-130.

[7] Grimm Н., Kronmüller H.//J.Magn.Magn.Mater. 1980. Vol.15-18. Р.1411-1412.

[8] Vázquez M., González J., Blanco J.M., Barandiarán J.M., Rivero G., Hernando A.//J.Magn.Magn.Mater, 1991. Vol.96. P.321-328.

[9] Hernando A., Barandiarán J.M., Madurga V., Vázquez M., Ascasibar E.// J.Magn.Magn.Mater, 1980, Vol. 15-17, P. 1537.

[10] Баум Б.А., Игошин И.Н. и др.//Расплавы. 1988. Т.2, Вып.5. С. 102-105.