Исследование теплового расширения и магнитных свойств сплавов хром-железо, легированных рутением и осмием тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ШТЕРАТУРНЫи ОБЗОР.

§ I. Инварные сплавы

§ 2. Физические свойства чистого хрома.

§ 3. Магнитная структура хрома.

§ 4. Сплавы хрома.

§ 5. Тройные сплавы на основе системы Сг-Ре.

§ 6. Тепловое расширение металлов и сплавов.

ГЛАВА П. МЕТОДИКА ЖСПЕРИМЕНТА И ОБРАЗДЫ.

§ I. Установка для измерения петель гистерезиса.

§ 2. Установка для измерения коэффициента теплового расширения.

§ 3. Образцы.

ГЛАВА Ш. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ЛЕГИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗО

ХРОМСВЫХ СПЛАВОВ.

ГЛАВА ТУ. ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ ЛЕГИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗО

ХРОМОВЫХ СПЛАВОВ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ.Г

Насмотря на то, что со времени открытия инварных сплавов прошло почти сто лет, интерес к ним не ослабевает. С одной стороны это объясняется большой практической ценностью этих сплавов, с другой - наблюдается стремление к созданию общей теории, которая объясняла бы все инварные аномалии. За все эти годы само понятие инварности меняло свое значение. Первоначально оно было применено к железо-никелевым сплавам с гранецентриро-ванной кубической решеткой с аномалией теплового расширения при комнатной температуре. Позже это понятие было расширено на всю совокупность аномалий физических свойств этих сплавов. Потом появились новые материалы, которые обладали сходными свойствами. Это прежде всего супер-инвар /"6 -/!//-&? и нержавеющий инвар Ре-С0-Сг , открытые Мазумото. Дальше инварные аномалии были найдены в сплавах соединении

Мм- Аз * а также в антиферромагнитных сплавах на основе объемноцентрированной кубической решетки.

В связи с возросшими требованиями к материалам со стороны метрологии, геодезии, радио-, микроэлектроники и др. отраслей науки и техники представляло интерес создать немагнитные сплавы с низким (нулевым) коэффициентом теплового расширения в области температур, близких к комнатной. Создание инварных сплавов на основе хрома при его легировании сЬ и -переходными металлами, повышающими или понижающими точку Нееля сплава, становится возможным в тройной системе, т.е. при введении в сплав по крайней мере по одному элементу из числа оказывающих противоположное влияние на Тц .

В работе рада авторов [76-82] было изучено поведение КТР сплавов хрома с яелезом, легированных Об , , К и РЛ в районе комнатных температур. Для выяснения природы аномалий теплового расширения этих сплавов необходимо было исследовать поведение КТР во всей области температур (от гелиевых до комнатных), а также изучить поведение температурной зависимости магнитного момента этих сплавов.

Целью настоящей работы было получение экспериментальных данных, позволяющих изучить роль легирующих добавок - рутения, осмия, платины и палладия в возникновении аномалий инварного типа в сплавах хром-железо, богатых хромом, а так же объяснить природу аномалий теплового расширения этих сплавов. С этой целью было изучено тепловое расширение вышеупомянутых сплавов в интервале температур 4,2 - 300 К, а также петли гистерезиса этих сплавов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Проведено исследование магнитного момента железо-хромовых сплавов, легированных рутением, осмием, палладием и платиной в интервале температур 4,2 - 300 К. Обнаружено, что все исследованные сплавы при температуре 4,2 К ферромагнитны.

2. Исследованы петли гистерезиса указанных сплавов в интервале температур 4,2 - 300 К и показано, что все исследованные сплавы обладают однонаправленной обменной анизотропией, свидетельствующей о сосуществовании ферро- и антиферромагнетизма в этих сплавах.

3. Проведено исследование теплового расширения легированных железо-хромовых сплавов при температурах от 4,2 до 300 К.

4. Проведен расчет решеточного вклада в тепловое расширение исследованных сплавов по закону Грюнайзена с использованием данных по теплоемкости, изотермической сжимаемости и параметру Грюнайзена. Из сравнения экспериментальных данных и рассчитанных значений получены температурные зависимости магнитного вклада в тепловое расширение. Показано, что магнитный вклад О^ в тепловое расширение изученных сплавов существует во всем исследованном интервале температур (4,2 - 300 К) и имеет вид, аналогичный зависимости инварных ^е А//' сплавов.

В заключение хочу выразить глубокую благодарность моему научному руководителю доценту, доктору физико-математических наук Владимиру Евгеньевичу Роде за предоставление интересной темы, за постоянную помощь и внимание к работе Искренне благодарю Светлану Александровну Сорокину за большую помощь в работе, полезные обсуадения и ценные замечания, а также благодарю В.В.Мантатова и всех сотрудников кафедры, оказавших содействие и помощь в ходе работы.

1. Chikasumi S., Misoguchi Т., Yamagochi N. and Beckwith P. The Invar problem. - J. of Appl. phys., 1968, v.39, p. 939944.

2. Меньшиков А.З. Объяснение инварного эффекта в модели локализованных моментов. ФММ, 1977, т.43, с.1156-1160.

3. Ono P. Eelation between the thermal expansion coefficient and magnetization in Pe-Ni invar alloys, J. phys. Soc.

4. Japan, 1979, v. 47, p.1480-1489.

5. Вонсовский С.В. Магнетизм. М.: Наука, 1971, с.752.

6. Crangle J., Hallam G.C. The magnetizationof face-centered cubic and body-centered cubic iron-nickel alloys. Proc. Roy. Soc., 1963, v. A272, p. 119-132.

7. Bando Y. The magnetization of centered cubic iron-nickel alloys in the vicnity of invar region. J. phys. Soc. Japan, 1964, v. 19, p. 237-241.

8. Shiga M. Magnetic properties of F&qq^Hrterrnary alloys. J. phys. Soc. Japan, 1967, v. 22, p. 539-543.

9. Chikazumi S., Hatta S., Matsui M. Paraprocess in high magnetic fields observed for Ni, Pe and jinvar above their Curie points. Physica. 1977, v. 86-88Б, p. 309-310.

10. Fu jimori H. Saito H- Zur Frage der Existens &es Antiferro— magnetismus in Fe-Pd-Legierungent mit Invar Charackter.

11. J. phys. Soc. Japan, 1964, v. 20, p. 293-294.

12. Якимов И.И., Торба Г.Ф., Литвинцев B.B. Зависимость обменного взаимодействия от межатомного расстояния в сплавах. ФММ, 1979. т.47, Jg I, с.67-71.

13. Меньшиков А.З. Восприимчивость парапроцесса железоникелевых сплавов с ГЦК решеткой. ФММ, 1972, т.33, с.219-222.1.t Hiogoshi Н., Fujimori Н., Saito Н. High. Field susceptibility of invar alloys. - J. plays. Soc. Japan, 1971, v. 31. P. 127'

14. Shimizu M., Hirooka S. Ш^-ь .field ausceptipility and temperature depence of magnetization of invar alloys. Phys.Zett. 1969, v. 30A, p. 133 - 134.

15. Роде B.E., Крынецкая И.Б. Температурная зависимость высокополевой восприимчивости сплавов железо-никель. ФММ, 1974, т.38, В I, с.200-202.

16. Винтайкин Е.З., Дмитриев В.Б., Колонцов В.Ю. Нейтронографи-ческое исследование кинетики расслоения твердых растворов Fe-Cr . ФММ, 1970, т.29, Jg 6, с.1257-1267.

17. Винтайкин Е.З., Колонцов В.Ю., Медведев Э.А. Низкотемпературная часть диаграммы состояния системы FO"Ct* , Изв.АН СССР, Металлы, 1961, J6 4, с.169-172.19« Chikazumi S. Physics of magnetism. Few-York, 1964»p. 373.

18. Dayhoff E.S. Damping and dispersion relation in antiferro-magnetic resonance. J. Appl. phys., 1958, v. 29» p.344-350.

19. Лариков Л.И., Усов Ю.В. О температурной зависимости полярной теплоемкости железо-никелевых сплавов в инварной области.

20. УФД, 1978, т.23, с.628-634.

21. Condolfo С., Ferr-Milone A., and Fratucello G.

22. Gold work stored energy effect on the magnetic moment vs temperature curve of a Fe^Ni^ alloy. IEEE Trans. Magn., 1978, v. 14, p.539-543.

23. Straumanio М.Е., Weng С.С. The precise lattice constant and the expansion coefficient of chromium between +10 and 60 C. Acta Cryst., 1955, v.8, pp.367-371.

24. Pine I.E., Griener E.S. and Ellis W.C. <T.Metals, 1951, v.191, pp.56-61.

25. Sully A.U., Brandes E.A., and Mitchell K.W. The effect of temperature and purity on the ductilty and other properties of chromium.- J.Int.Metalcs, 1Q53, v.81, pp.585-598.

26. Disch J. tiher die Warmeausdehnung einiger stoffe. II (Mitteilung aus der physikalisch-technischen Reichsanstalt).-J.Z.Phys., 1921. Bd.5, S.173-178.

27. Hidnert P. Thermal expansion of cast and of swaged chromium.-J.Reach NBS. 1941, v.27, рта.113-124.

28. Hidnert P. Thermal expansion of electrolytic chromium.-J.Rearch NBS, 1941, v.26, pp.81-90.

29. Салли А., Брэндз Э. Хром. M.s изд-во Металлургия, 197Г, - 360 с.

30. Williams R.O., Paxton H.W. The nature of ageing of binary iron-chromium alloys around 500 C.- J.Iron and Steel Institute, 1957, v.185, PP.358-372.

31. Хансен M. Структура двойных сплавов. M.: Изд-во Металлургиздат, 1962, - 850 с.

32. Adcock P.J. Alloys of iron research.- J.Iron and Steel Institute, 1931, v.124, pp.99-149.

33. Coolc A.J., Jones P.W. The brittle constituent of the iron chromium system (sigma phasa). I. A survey of the limits of the sigma phase in the binary system.- J.Iron and Steel Institute, 1943, v.148, pp.217-226.

34. Suzuki T. Pirst order transition of the spin denoity wave state in Cr-Si alloys.- J.Phys.Soc.Jap., 1977, v.43, pp.869.

35. Junichiro M., Yasuo E., and Yoshikazu I. J.Phys.Soc.Jap., 1982, v.51, pp.3497-3503.

36. Kochler Vf.C. and Moon R.M. Ant if erromagnetism in chromium alloys. I. Neutron diffraction.- Phys.Rev.,1966,v.151, pp.405-413.

37. Слетер Д.Ж. Методы самосогласованного поля для молекулы твердых тел. М.: изд-во Мир, 1978, 347 с.

38. Бакланова Л.М., Лариков Л.Н., Устинов А.И., Лучинов К.В. Кристаллическая структура хрома ниже температуры Нееля. -ДАН СССР, 1977, т.237, I I, с.79-81.

39. Overhmiser A.W. Spin density-waves in an electron gas.-Phys.Rev., 1962, v.128, N3, PP.1437-1452.

40. Nagamiga I. et.al., proc.Intermag., 1965, LONDON, P.1964.

41. Slater J.C. Magnetic effect and the Hartree-Fock equation.- Phys.Rev., 1951, v.82, N4, pp.538-541.

42. Дзялошинский И.Е., Кац Е.И. К теории антиферромагнетизма хрома. ЖЭТФ, 1972, т.62, с.1104-1117.

43. Кулатов Э.Т. Влияние давления на зонную структуру магнито-упорядоченных переходных металлов. Дисс.канд.физ.-мат.наук. Москва, 1982, 217 с.1.mer l.U. Electronic structure as chromium group metals.-Proc.Phys.Soc., 1962, v.80, pp.489-496.

44. Werner S.A., Arrott A., Kendrick H. Temperature and magnetic field dependence of the antiferromagnetism in pure chromium.- Phys.Rev,. 1967, v.155, N?, pp.528-539.

45. Lomer V/.M. Electron orbits in antiferromagnetic chromium.- Proc.Inter.Conf*of Magnetism, Nottingham, 1964,pp.127-130.

46. Venema Y/.J., Griessen R., Ruesik W. Volume dependence of the fermi surface and of the spin density wave Q vector in antiferromagnetic chromium.- J.Phys.F.Met.Phys,, 1980, v.10. p.2841-2856.

47. Asano S., Yamashita J. Band theory of antiferromagnetic chromium.- J.Phys.Soc.Jap., 1967, v.23, N4, pp.714-736.

48. Kublen J- Spin-deneity functional calculation for chromium.- J.of Mas.and Magnet.Mater., 1980. v.20. pp.277-284

49. Shimizu M. Magnetic properties of sinusoudal spin-deneity waves by the mand model.- J.A-ppl.Phys., 1968, v.39,1. N2, pp.1101-1102.

50. Barker S.A., Halperin B.I., Rice ff.M. Antiferromagnetic energy gap in chromium.- Phys.Rev.Lett., 1968, v.20, N8, pp.384-387.

51. Barker A.S., Ditzenberger J.A. Optical studies of antifer-romagnetism in chromium and alloys.- Phys.Rev., 1970, v.B1, pp.4378-4400.

52. Arco A.J., Marcus J.A., Reed W.A. High-field galvanomafme-tic effect in antiferromagnetic chromium.- Phys.Rev., 1968, v. 176, 112, pp.671-683.

53. Graebner J.E., Marcus J.A. De Haas-Van alphen effect in antiferromagnetic chromium.- Phys.Rev., 1968, v.175, pp.659-673.

54. Fawcett E., Griessen R., Stanley D.J. Stress dependence of the fermi surface of antiferromagnetic chromium.- J.low

55. Temp.Phys., 1976, v.25, N5/6, pp.771-791.

56. Бутыленко А.К,, Гриднев В.Н, Антиферромагнетизм в сплавах хрома.- ЗММ, 1965, т. 19, № 2, с.205.

57. Бутыленко А.К,, Кобзенко Н.С. Антиферромагнетизм сплавов хрома с d -переходными элементами,- Металлофизика, 1976, вып.65, с.60-70.

58. Бутыленко А.К., Грцднев В.Н, Особенности деформации и изменения физических свойств сплавов хрома с железом,- В кн.: Вопросы физики металлов и металловедения, 18 изд-во АН УССР, К., 1964, с.З.

59. Trego A.L., Mackintosh. A.R. Antiferromagnetism in chromium alloys. II. Transport properties.- Phys.Rev., 1968, v.166, PP.495-506.

60. Кондорский Е.й., Костина Т.И., Медведчиков В.П., Кусокова Ю.А. Магнитные свойства сплавов хром-никель и хром-ванадий,- ФММ, 1979, т.48, № 6, C.II59-II64.

61. Endoh Y., Ishikawa Y., Ohno H. Antiferromagnetism of Cr-Co and Сг-Ni,- J.Phys.Soc.Jap., 1968, v.24, N 2, pp.263-270.

62. Suzuki T. Magnetic properties of the primary solid solutions of chromium.- J.Phys.Soc.Jap., 1966, v.21, N 3, pp.442-450.

63. Hedgcock P.T., Strom-Olsen J.O. Exchange interactions in delute Cr-Pe and Cr-Co alloys.- J.Phys.P.:Met.Phys., 1977, v.7, H 5, pp.855-868.

64. Suzuki Т. Magnetic phase transitions of chromium rich chromium-from alloys.- J.Phys.Soc.Jap., 1976, v.41, N4, . pp.1187-1194.

65. Ishikawa Y., JBndoh Y., Hashiura H., Ohno H. Pirst order transition between antiferromagnetic and sinusoidal structureof dilute Pe-Cr alloy.- Solid State Common, 1966, v.4, P.657-569.

66. Mori M., Tsunoda Y., Kunitomi H. Strain waves in Cr rich Cr-Pe alloys.- Solid State Com., 1976, v.18, pp.11031105.

67. Abdul-No or S.S., Booth J.G-. Magnetic properties of Cr-Pd alloys.- Phys.bett., 1973, V.43A, N4, pp.381-382.

68. Araje S., Durmyre G.e., Dechter S.J. Electrical resistivity studies of chromium rich chromium-cobalt alloys.-Phys.Rev., 1967, v.154, N2, pp.448-452.

69. Arajs S., Anderson E.S., Kelly J.R., Rao K.V. Magnetic properties of Cr containing dilute concentrations of Co in the neighborhood of the Heel temperature.- A.I.P. Conf.Proc. (USA), 1974, N24, pp.412-413.

70. Дутыленко A.K., Ракицкий A.H. Пластичная проволока из хрома. Металлофизика, вып.40, К., 1972, с.103-108.

71. Б1утыленко А.К. Современные представления об антиферромагнитном упорядочении в хроме.- В кн.: Электронные свойства металлов и сплавов, К., 1966, с.18-48.78. бутыленко А.К., Гриднев В.Н. Антиферромагнетизм в сплавах хрома. ШМ, 1965, 19, 2, с.205-211.

72. Бутыленко А.К., Кобзенко Н.С. Антиферромагнетизм сплавов хрома с d переходными элементами г Металлофизика, вып. 65, К., 1976, с.60-70.

73. Бутыленко А.К., Ракицкий A.H., Шо$ман H.I. Влияние РШ на антиферромагнетизм хрома г Металлофизика, вып.50, К.: 1964, с.77-83.

74. Bastow T.J. The magnetic structures of dilute Cr-Mn alloys.- Proc.Phys.Soc., 1966, v.88, p.935.

75. Бутыленко A.K., Козенко H.C., Инварный эффект в сплавах хрома. В кн.: Всесоюзная конференция по физике магнитных явлений. Тезисы докладов. Изд.ДОНФТИ АН УССР, К., 1977, с.147,

76. Е1утыленко А.К., Кобзенко Н.С. Влияние хрома и железа на точку Нееля оК-Ш . Металлофизика, 1976, вып.66, К., с.76-7*

77. Shibatani A., Motizuki К., Nagamiga 3?. Spin deneity wave in chromium and ita alloys.- Phys.Rev., 1969, v.177,pp.984-1005.

78. Rice T.M. Band structure effect in itinerant antiferro* magnetism.- Phys.Rev., 1970, v.B2, pp.3619-3629.

79. Nakanishi K., Kasuya T. Effect of magnetic impurities of itinerant antiferromagnetism.- J.Phys.Soc.Jap., 1977,v.42, U3, pp.833-844.

80. Бутыленко A.K., Невдача B.B. Сплавы на основе хрома с низкими температурными коэффициентами линейного расширения и электросопротивления.-Письма в ЖЭТФ, 1979, т.5, вып,21,с.1284-1287.

81. Олыпевски Я. Исследование термического расширения сплавов железа с никелем, рутением и хромом. Дисс.канд.физ.-мат. наук - Москва, iШ, 1982, 134 с.

82. Rode V.E., Lyalin A.I., Pinkelberg S.A. Thermal expansion of iron-chromium alloys in the temperature range 4,2-300 K. J.Appl.Phys., 1982, v.53, p.8122.

83. Роде B.E. Роль обменного взаимодействия между ферро- и антиферромагнитными компонентами железо-никелевых инварных сплавов .-Изв. АН СССР, серия физ. 1980, т.44, £ 7, c.I386-I38S

84. Новикова С.И. Те<пловое расширение твердых тел. М.: Изд-во "Наука", 1974, 294 с.

85. Ладдау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. М.: Изд-во "Наука", 1964. 567 с.

86. Griineisen Е. Theovie des festen Zustandes einatomiger der Elemente.- Ann.der Phys., 1912, Bd.39, N12, S.257-306.

87. G-runeisen E. Zustand des festen Korpens.- Handbuch der Phys., 1926, Bd.10, S.1-59.

88. Barron T.H.K. Vibrational effects in the thermal expansion of noncubic solids.- J.Appl. Phys., 1970, v.41, N13, pp. 5044-5050.

89. White G.K. Thermal expansion at low temperatures II electronic component in metals.- Phil.Mag., 1961, v.6, N66,pp.815-818.

90. Doring W. Uher die temperaturahhangigkeit der Magnetostriktion von Nickel.- Zs.ftir phys., 1936, v. 103, S.560-582.

91. Белов К.П. Об объяснении экспериментальных доказательствах ферромагнитной природы аномалий теплового расширения инвар-ннх сталей .-Вестник МХУ, 1948, № II, с.89-94

92. Акулов Н.С. Ферромагнетизм. М.-Л.: Изд-во- ГИТТЛ, 1939, -250 с.

93. White G.K. Thermal expansion of magnetic metals at low temperature.- Proc.Phys.Soc., 1965, v.86, pp.159-169.

94. Справочник по физико-техническим основам криогеники.

95. Под ред.Малкова М.П., М., изд-во "Энергия", 1973, 392 с.

96. Власов К.Б., Мицек А.К. К термодинамической теории веществ, в которых возможно сосуществование ферро- и антиферромагнетизма .-ФММ, 1982, т.14, с.487-503.

97. Лялин А.И. Аномалии температурной зависимости намагниченности насыщения и теплового расширения сплавов железо-хром при низких температурах. Дисс.канд.физ.-мат.наук, М., МГУ, 1982, 158 с.

98. Booth J.G., Ziebeck К.К.A. and Chagnon R. The effect of platinum on the itinerant antiferromagnetism of chromium.-J.Phys.P.:Metal Phys., 1978, v.8, N6, pp.1303-1308.

99. Zieheck K.R.A., Chagnon R., and Booth J.G. The effect of palladium on the itinerant antiferromagnetism of chromium." J.Phys.i1.: Metal Phys., 1977, v.7, N8, pp. 1583-1588.

100. Роде B.E., Финкельберг G.A., Скурихин A.B. Сосуществование ферро- и антиферромагнетизма в железо-хромовых сшгавах. -ФШ, 1978, т.45, J&2, с.433-435.

101. Роде В.Е., Финкельберг С.А. Исследование смещения петли гистерезиса железо-никелевого инварного сплавагДАН СССР, 1977, т.235, JB 6, с.1306-1308.