Магнитоупругие и неупругие свойства редкоземельных металлов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, СРД5Ж ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА. ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

РГ5 ОЛ

На правах рукописи УДК 669.863:533.652

БОДРЯКОВ ВЛАДИМИР ЮРЬЕВИЧ

МАШТОУПРУГИЕ И НЕУПРУГИЕ СВОЙСТВА РЕЦКОЗЭШЛЬНИХ МЕТАЛЛОВ

Специальность 01.04.11 - физика магнитных явления

Автореферат дассортащга на йойскание ученой степени кандидата фйЭййд-иатематичвскюс наук

Москва - 1995

Работа выполнена ка кафедре общей физики для естестве, факультетов физического факультета МГУ км. М.В.Ломоносоза.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Никитин С.А. Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Ведуцзя организация: тверской государственный университет

Защита состоится " ^ " ср^роля 1995 р. в час

зо минут в ауд._№^А_ на заседании диссертационного совета И ОФТТ (К.053.05.7Т) в Московском государственном университете и М.В.Ломоносова по адресу: 119399, г. Ыосква, Воробьевы горы, МГ физический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физкческо факультета МГУ.

Автореферат разослан " я зкЕсмря 1995 г.

Учений: секретарь ' диссертациош. лго совета N.3»

кандидат физико-математических наук Т.М.Козло*

профессор Пономарев Б.К. кандидат физико-математических каук, доцент Прудников В.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Последние года ознаменованы бурным раз-зитием всесторонних исследований магнитных материалов, созданных и основе редкоземельных металлов (РЕМ). Большое внимание к этил лагшшшм матершам с уникальными магнитными свойствами, такими <ак гигантская магнитная анизотропия, гигантская магаитостршвгя и ар., определяется как научными, так и практическими интересами (возможно широкое применение этих магнитных материалов в качестве тостоянных гигантов, магнитостржтороа, рабочих элементов холодильных машин и т.д.).

/Однако, важные с научной я практической точки зренш механические свойства РЗМ: упругие (модуль Шга Б) и ноупругие (внутреннее трегаге СГ1) до сих пор остались изученными совершенно недостаточно. Невелик температурный диапазон измерений, недостаточно исследованы изменения модуля Шга в магнитном поле (ДЕ-эЗфекП, не изучена зависимость модуля Юнга от намагниченности, не наделен магнитный вклад в модуль Юнга. Недостаточен и частотный диапазон проведенных измерений. В основном это измерения на частотах 10 -100 МГц (ультразвук), хотя вакная информация по упругим и, особенно, неупругим свойствам па таких васоких частотах теряется или заметно искажается. Мало детальных исследовании в непосредствешк£ окрестности температур магнитных фазовых переходов.

В литературе крайне мало и теоретических исследований упругих и неупругих свойств РЗМ. Почти совсем нет работ посвященных расчетам величины упругих модулей в • игроком температурном -диапазоне; отсутствуют ясные теоретические модели на основе которых мокко было бы проводить такие расчеты. Отсутствуют, работы, поезящгкшхэ выделению и анализу различных вкладов в полную величину модуля Юнга, и теоретический анализ данных по' внутреннему транша Р3!<!.

Таким образом, очевидна"настоятельная необходимость дальпеЯ-шего углубления знаний по упругим и не упругим свойствам свойствам РЗМ, их зависимости от темеггературы и магнитного поля в игроком диапазоне теыоператур и магнитных полей.

Целью работы являлось экспериментальное изучение температурных и полевых зависимостей модуля Юнга Е и внутреннего трения О-1 ряда редкоземельных металлов и теоретический анализ этих данных

да бц&элэе!ш обусловленных различными физическими механизмам вкладов в полгу» величину модуля Юнга и внутреннего гранил.

Научная новизна.

- впервые проведены систематические экспериментальные иссле дования в области частот звукового диапазона (1-3 кГц) на поли-монокристашических образцах упругих (модуль Енга Е) и неупругн (внутреннее трение СГ1) свойств ряда немагнитных и магнитных РЗМ широком диапазоне температур и магнитных полей;

- впервые проведен последовательный анализ полученных экспе риментальных данных по модулю Юнга РЗМ в рамках модели твердог тала как квантового ансамбля ангармонических осцилляторов. Бперва выделены рзветочная и магнитная составляющие полной величины мода ля Шга, а татае определен ряд динамических характеристик колебг 1Шй кристаллических решеток изученных РЗМ;

- впервые проведен систематический анализ полученных эксперя ментальных данных по внутреннему трению РЗМ и определены основнь характеристические параметры релаксационных процессов, ответствет ных за появление дополнительных максимумов внутреннего трения парамагнитной области РЗМ.

Практическая значимость. Полученные эксперяменталь'шэ и гэ( реткческие даше по модулю Юнга и внутреннему трению могут Сан палезнш! при создают различных устройств с редкоземельными №1 котиками в качестве рабочих элементов, в частности для знали: работы таких устройств в условиях йероменной температура, магни: ного поля, вибрации и нагрузки; такими устройствами могут бич магнитострикционные преобразователи, управляемые магнитным пол< акустические линии задержи и иные магпито?/.ехашческие устройствг Полученные результаты по модулэ Юнга и внутреннему трэша мог: быть полезны для постановка дальнейших углубленных исслодозш шпштоукругнх и пеупругих свойств шталлов, а те!с:о для. целзша равлонного поиска новых магнитных ттераалоз с улучпэшшш хара торастикаш на основе РЗМ для удовлэтзорэшш все болов разнообра: пых трзбозаннй техшшг.

На заадту выносятся;

- акспорпментально полученные зависимости модуля Енга Е внутреннего трения СГ* от температуры к магнитного поля поли-моаокристашшеских образцов, (ротированных вдоль различных кра!

галлографических направлений, ряда "немагнитных" (Y,ba,Lu) и маг-[П1ТШХ (Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er) редкоземельных металлов.

- результаты теоретического анализа экспериментальных данных по модулю Юнга и внутреннему трению исследованных металлов;

- температурные зависимости магнитной части модуля Юнга Ей, Gd,Tb,Dy,Ho,Er.

- построенные по результатам измерений магкитоупругих свойств магнитных РЗМ их магнитные фазовые диаграммы в области слабых магнитных полей.

Апробация работы. Материалы, включенные в диссертацию докладывались на: 19 Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений (Ташкент, 1991), 2nd European Eaat-Vfest Symposium on Materials and Processes (Helsinki,1991), 29 Совещании по физике низких температур (Казань,1992), Школе-семинаре. "Релаксационные явления в твердых телах" (Воронен,1993), б Научном семинаре "Физика магнитных явлений (Донецк,1993), 5 Международном совещании по ядерно-спектроскопическим исследованиям сверхтонких взаимодействий (Дубна, 1993), 30 Совещании по физии низких температур (Дубна, 1994).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 16 печатных работах; список публикаций приведен в конце автореферата.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, где изложены основные результаты и выводы, и списка Цитированной литературы. Диссертация изложена на страницах машинописного текста и содержит 80 рисунков, и 22 таблицы. Еиб^гаграфия включает в себя 220 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении отмечается актуальность и практическая значимость работы, обосновывается выбор теш -¿сследования, сформулированы цель и задачи, отмечены существенные моменты научной новизны результатов диссертации и приведе! л основные положения, выносящиеся на защиту.

В первой главе приводится обзор основных экспериментальных и теоретических работ по исследованию влияния магнитного поля,температуры, примесей и других факторов па упругие и не упругие свойства "немагнитных" (Y.La.Iu) и магнитных (Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er) редкоземе-

лышх металлов. Приведены также сведения по магнитном свойствам основные магнитные характеристика исследованных РЗМ. На основа; .литературного" обзора делается вывод о целесообразности дахьнейш экспериментального и теоретического изучения магнитоупругих пзупрупк свойств редкоземельных металлов.

Во второй главе приводится обзор основных теоретичесз работ, посвященных анализу экспериментальных данных по упругим неупругим свойствам металлов. Приводятся также общие определена основные соотношения меэду различными физическими параметра: характеризующая упругие и неупругие свойства материалов.

В первом разделе второй главы диссертации,посвященном расе? трению существующих теоретических моделей упругих свойств и мег дов их расчета, показано, что физические модели, позволяющие р; читывать и анализировать упругие свойства металлов в широкой об; сти температур, мало разработаны. Предлагавшиеся модели носят лз чисто эмпирический характер, либо связаны с попытками коррек' учесть взаимодействие атомов в кристаллической решетке металла основе того или иного модельного потенциала.

Лишь последовательное рассмотрение (LaMcad S.C. femperati dependence or the elastic constants.- J.Appl.Phys.1971.v.42.li. p.4277-4281) кристаллической решетки твердого уела как квантов* ансамбля ангармонических осцилляторов позволило получить выраке: для температурной зависимости модуля Юнга изотропного твердого 1 •ла, не претерпевающего фазовых переходов в рассматриваемой обла температур. В этой модели предполагается, что колеблющиеся ат решетки представляют собой точечные массы, образующие линейную : почку. На основе с-зционарной теории возмущений (до второго пор ка включительно) было найдено усредненное по всем энергетичес состояния:.! смещение осциллятора из положения равновесия, кото затем усреднялось на основе статистики Максвелла-Больцмана по в му ансамблю осциллятороз и по всем частотам дебаевского спект Модуль Юнга находился по определении как обратная частная произ дная средней деформации по внешнему напрякению. Окончательное ражение для расчетной температурной зависимости модуля Шга Ер вдеет вид:

Ер,= Eq ( 1 - К У(Т/вр)),

•^в* - 3 ф4 7 ^ О)

К = 9 рю ес (Ьс^с). (4)

этих выражениях Ь'(Т-О) - предел модуля Юнга при температура =0; бд- температура Деоая; р - высокотемпературный продел линей-эго коэффициента теплового расширения; X - характерный размерный араметр; С| п с - ангармоническая и гармоническая постоянные возражающей силы, соответственно. В модели предполагается пезавнси-эсть величины К от температуры и частот осцилляторов.

С учетом поправочных членов вычислены выражения для те?,<пера-урной зависимости модуля Юнга в предельных случаях высотта п шя-их (по сращению с ос) температур:

Ер« Ед ( 1 - К -3- (Т/&В)Л), (5)

рл г* попрзгки к (5) зкспонециально малы (кгк епрс-йд/!')).

Ер«Е0 ( 1 (6)

ря Т» ©0; поправки к (б) убывают как о^/Т.

Далее в диссертации делаются предположения, существенно рзе-яряадив область применимости рассмотренной модели трэрдого т*--*: а) модель применима и прет нзличзш магнитных Фазовых прз2р,-:цэ:пй п ассматриваемых редкоземельных металлах. В этом случае модель работает" в парамагнитной области раесматрява&мохи мерила; одель применима и в случае анизотропных монокрясталлическлх матз-иалов таких как, например,РЗМ. В этом глучае следует предположить нкзотрспию парэмэтров к п которыз моггг сыпаться гл г л*-, азличных кристаллографических направлений металла.

Пр! обсуждении получешшх результатов в диссертации использу-тся "индекс ангармоничности":безразмерный парг:,<етр Ьс^/с, пропор-допальный отношению ангармонической с1 и гармонической с констант озвращающей силы осцилляторов. Этот параметр характеризует стэ-ень ангармоничности колебаний атомов в кристаллической решетке.

Применение рассмотренной модели к анализу упругих свойств РЗН пармагнитной области позволило вычислить магнитную часть Е^(Т) олной величины модуля Шга как разность меиду наблюдаемыми экспе-иментально ЕСТ) и расчетными Е_(Т) значения?,га модуля Шга:

Т

ЕД(Т) = ЕСТ) - Ер(Т). (7)

Зта "магнитная составляющая" модуля появляется нкш температур магнитных фазовых превращений в РЗМ.

Далее в диссертации рассмотрена методика компьютерной реализации применения рассмотренной феноменологической модели твердого тела как квантового ансамбля ангармонически осцилляторов к анализу экспериментальных данных по модулю Юнга редкоземельных металлов. В заключение первого раздела второй главы рассматривается круг вопросов, связанных с теоретическим и экспериментальные изучением изменения величины модуля Юнга в магнитном поле (дЕ-эффект).

Во втором разделе второй главы диссертации рассматриваются основные механизмы внутреннего трнения: термоупругое внутреннее трение, обусловленное поперечными тепловыми.потоками при изгибнш колебаниях образца; внутреннее трение релаксационной природа, обусловленное термоактивированной ¡миграцией дислокаций или примесей в объеме образца; внутреннее трение-магнитной природы, обусловленное изменении' магнитного состояния вещества.

В общем случае в достаточно широкой окрестности релаксационного максимума О-1 внутреннее трение монет быть описано теоретической зависимостью:

«г1 - «¡1. ♦ * «Й,-^. (8:

где 0фоЧ- фоновая величина внутреннего трения, которая в перво; приближении в окрестности максимума предполагается постоянной;

максимальная (над фоном) величина внутреннего трения, которая достигается при условии иг = 2пГг = 1, где Г, г- частота колебаний образца и время релаксации в максимуме внутреннего трения Вид параметров и т зависит от природы рассматриваемого механизма внутреннего трения. В случае релаксационного внутреннее трения справедливо уравнение Аррениуса: г = г0 ехр(ЕА/(КвТ)), гд т0- характерное время релаксации, а энергия активации соответ-ствундего релаксационного процесса.

Далее в диссертации рассмотрена методика компьютерной реализации применения рассмотренных моделей внутреннего трения к анализу экспериментальных данных по внутреннему трению редкоземельны: металлов. В заключение второго раздела второй главы рассматривает-

;я круг вопросов, связанных с теоретическим и экспериментальным шучением изменешя величины внутреннего трения в магнитном поло (Л(Г1-эффект).

В третьей главе диссертации дан обзор основных методов исследования модулей упругости и внутреннего трения, обосновывается выбор методик измерения модуля Юнга, ДЕ-эффекта и внутреннего трения и приводится их описание. Подробно описаны технология приготовления образцов и их характеристики.

Измерения модуля Юнга Е и внутреннего трения Q"1 проводились методом электростатически возбуаденных изгибных автоколебаний образца - тонкого стержня на частотах звукового диапазона (0.5 + 3 кГц) в интервале температур 4.2 * 430 к в магнитном папе до 14 кэ. Плоская поверхность "язычка" образца Т-образной формы и неподвижный электрод'электростатического датчика - деркптеля образца образуют конденсатор, включенный в колебательный ксятур вксоютас?о?-ного генератора (~ 50 *«Тц). При колебаниях образца емкость этого конденсатора периодически меняется, что приводит к частотной ляции сигнала. Частотно-модулированный сигнал принимается приечт-ком, гдо происходит- выделение 'его. низкочастотной ссставлящей. Частота низкочастотного сигнала равна резонансной частота ког^Я'ь няй образца,а амплитуда - пропорциональна ашшгуде его иолебазпй. Для исключения влияния магнитного поля и теотературы па результата измерений вследствие изменения частоты генератора б щкемпгкз предусмотрена автоподстройка па несущую частоту генератора. Дено-дулировашшй сигнал через фазовращатель к усилитель клесте с постоянным'поляризужщзм напряжением подается на образец, замшсзч цепь обратной связи. Условия самовозбуждения автоколебаний образца создаются с помощью фазовращателя подбором надлежащего сдвига фаз.

Модуль Шга вычислялся по формуле:

Е = 77.815 р К Í2, (9)

где p,l,h,í - плотность, длина, толщина, и частота автсжалзбашй образца, соответственно. Внутреннее трзние определялось с помощью амплитудного дифференциального дискриминатора по числу Н затухающих колебаний-образца между двумя определенными уровнями амплитуда колебаний Aj и А2 после предания цепи обратной связи по формуле:

* ж 10 i¡ • (1С

Погрешность измерения абсолютной величины модуля Юнга соста: ляла от - б до ~ 10% п определялась, главные образом, точное?! определения геометрических размера образцов. Точность определяй величины относительного изменения модуля была на два порядка вол: чшш лучпэ. Погрешность определения величины Q-1 определяла! разбросом экспериментальных точек в серии из четырех последовав льшх отсчетов N в кзздоЗ температурной точке и составляла, среднем, - 32, несколько увеличиваясь при Ю-3. Температу] контролировалась с точностью i 0.5 К с помощью термопары мод копставтан, размещенной па держателе в непосредственной близос от образца. Средтся скорость изменения температуры в предок адиабапг-еских измерений Е(Т), Q~1(2) составляла ~ 1 Jí/мин, но i превышала - 1.5 КЛжп. Поскольку, как показали оценю!, среди относительная амшштуда деформации при изгабных колебаниях образ, в настоящей работе составляла малую величину - 10~°, то дефотмац образца представляла собой фактически продольную волну спак: растяжение, бегущую вдоль длинной оси образца.

Образцы для измерений иорш Шга н внутреннего ярения про, ставляли собой обычно тонкие пластинки прзмерно Т-образной фор:л язычком, который ?: представлял собой собственно образец в в:; школьно закрепленного длимого тонкого стертая пряпоугольн:' поперечного сечения. Придание такой Т-образной фора вдаезза гарантировало ее надежное крепление в держателе п .обоспечша хорошй тепловой контакт менду дорзателом и образца.!. . Р2з;.:о образцов'составляли: даша 4.5 * 12.9 га, толщина h= O.íGQ 0.300 мм, ширина а- 0.4 + 2.0 tai. В случае использования для ш: рений монасрпсталлических образцов дашшся ось колэблщегося обр зца совпадала с соответствующим кристаллографетоскш направлена и направлением бегущей волны саатпе-растякэпзэ. При изучен АЕ-эффоета внепноо магнитное поло тазае прикладывалось вдоль дли ной оси образца. Все образца вырезалась пз сштшз катодом влек роискровой резка. Конокристалличшше слатки прздваретолыю рос гонографзчески орентнровались ш методу Даув на отразааав. Нос резки образцы подвергались химическому травления в разбаашшп спиртовом растворе азотной кислоты.

В работе 'Х'сдодовшш следущко шгериалп:

- "немагнитные" редкоземельные металлы У (полихристаллмест"! 5разец; высокочнстый полшсрнсталлическпй текстурировашшй образец преимущественным направлением текстуры вдоль оси а; монокристал-отесгаш образцы, ориентированные вдоль оси сив базисной гоюско-m (¿5)), Ьа (поли), Lu (поли);

- магнитнш с низкотемпературными магнитными фазовыми превращени-т редкоземельные металлы: Ей (поли), Gd (поли; моно вдоль осей а

с), ТЬ (моно вдоль осей а.Б.с), Dy (поли; моно вдоль оси с); Но моно вдоль оси Б), Ег (моно вдоль осей а,5,с).

Все образци изготавливались из исходных материалов чистотой •о хуже 99.9 %. Монокристаллы выращивались методами безтигельной юиной плавки (KMS? км.А.А.Байксва), и методом Чохральского пли дательного рекристаллизацкоикого отхига (EÍPFJIJ.ST). Образцы под-зергались откигу соответствующему иг металлургическим характерис-"ака!л. Состав исследованных материалов, одаофазиость, монокристал-скность и степень соворпшства структуры контролировалась метода-га химического, рентгеновского и металлографического анализов.

В четвертой главо диссертации приведены оснозшю результаты исследования модуля Юнга Е, АЕ-зффекта и внутреннего трения Q-1 изученных поли- и мопокристаллических образцов "немагнитных" (Y,ba,bu) и магнитных (Eu,Cd,Tb,By,¡ío,Er) редкоземельных металлов. Помимо экспериментальных зависимостей указанных величин от температуры и магнитного поля в четвертой главе приведены такзхэ результаты численного анализа экспериментальных данных Е(Т), Q~1(T), проводенного в соответствии с методологией описанной во второй главе диссертации.

В первой части четвертой главы, посвященной рассмотрении упругих и ноупрутих свойств "немагнитных" редкоземельных металлов, приводятся экспериментальные температурные зависимости K(T),Q~1(Т) для иттрия, лантана и лютеция. Эти металлы служат подходящими модельными объектами для проверки применимости списанной во второй главо диссертации модели твердого тела к>:< квантового ансамбля ангармонических осцилляторов и справедливости полученного выраго-шш для температурной зависимости модуля tora.

На примере поликристаллических Y,La,Iu показано, что Модуль Шгз металлов, в соответствии с рассмотренной теорией й ебщ&а

физическими представлениями о поведении упругих свойств твердогс тела, монотонно уменьшается о ростом температуры во всем исследованном температурном диапазоне. Кривые Е(Т) во всех случаях приближаются к температуре Т=0 с нулевым наклоном и уменьшаются почте линейно с температурой при Т а 150 К. Помимо этого, кривые Е(Т) претерпевая? характерные перегибы при температурах вблизи и выше комнатной. Эта особенности в модуле Шга сопровождаются широким;: максимумам внутреннего трения, которые имеют вид характерный т максимумов Q-1 релаксационного происхождения. В случае монокристаллических образцов иттрия, а также высокочистого текстурирован-ного иттрия показано, что характер поведения кривых Е(Т), Cf 1(Т остается таким Ее, как и в случае поликристаллических образцов, Однако, сама величина упругого модуля весьма заметно различаете! вдоль различных кристаллографических направлений, составляя щя Т=300 К величину Е= 45.4 ± 4.0 ГПа для монокристалла У, ориентированного вдоль оси с, и Е= 120.9 ± 12.6 ГПа для монокристалла Y j оазисной плоскости. Величина модуля Юнга поликристаллическоп иттрия при этих же условия составляет Е= 55.5 ± 4.7 ГПа. Во все: случаях экспериментальные зависимости Е(Т) весьма близки к расчетным icpicBia.! Ер(Т), так что среднеквадратичный разброс экспериментальных точек относительно гладкой теоретической зависимости (2) н превышает величину 0.05 + 0.10 %.

В результате компьютерного анализа экспериментальных данны Е(Т) определены параметры Е0, К, и Lcj/c. Обнаружена сильна кристаллографическая анизотропия этих параметров. Расчетная.темпе ратура Дебая бр в ряду поликристаллических y,La,bu имеет яаимень ego значение для La и близкие значения для У к Lu, что хорошо сог „тасуется с литературными данными. Индекс ангармоничности в ряд поликрясталличесюрс У,La,III принимает наибольшее значениз в случа La: Lc,/c « 3.6 и шеет близкие величины для У: Lc^/c » 2.3 и i'j Lc^/c х 2.0, что физически хорошо соответствует более "рыхлое да.ГПУ структуре лантана по сравнению с более "плотными" ГЕ структурами иттрия и лютеция.

Показано, что экспериментальные данные Q"1(T> изученных "не капшкых" ?зи в области релаксационных максимумов внутреннег тро!хия хоропю описывается теоретической зависимостью £8) Q~ (Т). результате комшдаерного анализа экспериментальных данных <Г

гределены энергии активации и характерные времена релаксации эответствуицих релаксационных процессов, причем в ряде случаев цалось определить эти параметры и для сравнительно близко распо-эжешшх и частично перекрывающихся максимумов О-'. Как правило, еличина энергии активации этих релаксационных процессов составля-т Еа= 0.2+0.6 эВ,а характерное время релаксации т0= 10-5+ Ю"9 с, то в большинстве случаев, согласно анализу литературных данных, арактерно для термоактивированного релаксационного поведения :егких газообразущих примесей типа внедрения (Н,0,1*) в РЗМ, к вторым редкоземельные металлы весьма восприимчива. Оценки термо-пругого внутреннего трекия для поликристаллических У.Ха.Ьи покапли, что его величина заметно меньше экспериментально наблюдаемых ¡начений но при строгом анализе экспериментальных данных Г1(Т) величина термоупругого внутреннего трения долша быть принята во внимание.

По результатам первого раздела четвертой главы диссертации делается вывод о применимости модели"твердого тела как квантозого ансамбля ангармонических осцилляторов для анализа экспериментальных данных Е(Т) и о качественном соответствии модели релаксационного внутреннего трения полученным экспериментальным данным О-1 (Т) для парамагнитной области РЗМ.

Во второй части четвертой главы диссертации, посвященной рассмотрению магоитоупругкх и неупрутих свойств магнитных редкоземельных металлов, приводятся экспериментальные зависимости Е(Т), СГ1(Т) и Е(Н) (ДЕ-эффект) для европия, гадолгашя, тербия, диспрозия, гольмил и эрбия. В случае монокристаллов С<1 и Ко рассмотрено таюке изменение внутреннего трения в магнитном поле (ДО"1-эффект). Впервые произведено выделение магнитного вклада в полную величину модуля ¡Сига в магнитоупорядоченной об ласта исследованных РЗМ. По результатам изучения лЕ-оффекта построены магнитные фазовые диаг-рзммы Еи,Сй,ТЬ,Ву.

В случае поликристаллическсго европия магнитный фазовый переход пармагнетизм - геликоида "мшй антиферромагнетизм (Ш-ГАШ) сопровождается очень острым минимумом на кривой Е(Т) и резким, почти скачкообразным, увеличением внутреннего трония, а тагаш температурным гистерезисом кривых Е(Т) и <г'(Т). Точка Коеля европия составила »,¡(¿0.5 К)= 87.3 К и 87.4 К по измерениям модуля Юнга и

D-J¿0.5 K)a 86.9 К II G'i'.S 1С 1.-3 и:..ВИррОШШГО 5р£ШЯ I случае уаеньЕення к дадаявш к/.ае^йщи.соотвотствэнно. В пара-нактаиой области оазиыд,:сс?ь E(í) еарошш весьма хорошо ошснваа-• си расчетной кривой lip(i). Спонтанная (в отсутствие внешнего маг-шгшаго поля) магнитная часть модуля'Шга Ещ(2) отрицательна, т.о 2(2) с Ер(?) во всей исследованной области температур икса ©и, i проходд-г.как и сам модуль, через острие шшмуми в Gf¿. Как показа не исчезает непосредственно в точке Наеля, а остается отличной от нуля в парамагнитной области на - Ю К вшсе Отклоне-Шхя экспериментальной зависимости Е(Т) от расчетной кривой наблю даются тагсш вше 380 К,что связано с началом активация релаксаци онннх процессов при этих повышение температурах. Измерения в маг питном поле показам слабую полезуэ зависимость модуля Шга и вну яреннего трения в области пеболынж магнитных полей (до 2.5 кэ).

Температурная зависимость модуля Юнга монокристалла гадоли ния, ориентированного вдоль оси с, проходит через острый нишу при температуре Кюри ©с= 292 К, где имеет место переход парамагяе тазм-феррсмагдетизм ¿ПМ-ФУ). Киге &с магнитные моменты ионов С Упорядочиваются ферромагнитным образом параллельно оси с. Вторе ¿зцпзд-м да кривой Е(Т) наблюдается при температуре спиновой перес гхенуащщ 0SR=225 К, шгео которой магнитные моменты ионов отклони глея от оси с на некоторый угол, зависящий от температуры. Указа! кые аномалии модуля сопровождаются острым максимумами внутренне! ярения, причем вблизи eSR наблюдается значительный температуры гистерезис зависимости СГ1(Т). Температурная зависимость ЕГ монокристалла гадолиния вдоль оси а в районе ес=293 К прохода через глубокий минимум; особенности в поведении модуля вблизи 6< выраяоны слабо. Переход Ш-4Ы сопровождается очень резким уволич! пнеы <f1; острыми максимумами внутреннего трения и значительа температурным гистерезиса! Q"J(T) сопровождается такго перзх спиновой переориентации в монокристалле Gd вдоль оси 5. Особенно та модуля Шга и внутреннего трения полукристаллического гадолин выракены слабое, чем для ыонокристаллических образцов.

Спонтанная магнитная часть модуля'tora Е^Т), вычисленная í монокристалла Gd вдоль осп с и для полшсристаллического Gd, целом полоеттольна во всей иагнитоупорядочеккоЗ области и npoxoí в $с н ücr через острые глубокие минимумы. В случае поликристалл

ческого образца они выракиш слабее. В обои случаях Fín(T) возрастает с погашением температуры, достигая лрЕ "= 4.2 к значения 5.0 Ша для монокристалла М. вдоль оси с п Р^» 2.6 Ша для полукристаллического материала. Значения модулей Юнга при тех ко условиях составляют Е» 75.2±7.5 ГПа л Е^ 71.2±б.í Ша, соответственно.

Исследовшия дЕ-эффэкта на монокристалле Gd вдоль оси с показали паллке отрицательного дЕ-о{фекта в облаете слабых маппгпп«: яолей (менее 0.5 кЭ) вблизи температур магнитных фазовых переходов °с 11 °SR' в больших магнитных полях наблюдается только рост модуля Sara с полем (положительный лЕ-эфрзкт), причем кривыз '¿{'¡I) сохраняют значительную кривизну вплоть до макстазльксго поля - 1/. кЭ ъо всей мапшоупорядочоняой области тешератур. Для поликрнсталлэтз-ского гадолиния отрицательный лЕ-зффзкт практячеокг не я писоя место только реет модуля Юнга о палел. По результат: зшмзрзшм дЕ-з©зкта пелрзонз иатагошя фззовэч доагргииа монокристалла гэдолишя глоль оси с. Из крзвкх теотвратурных заш-снмостоЗ 2(1) модуля Sira, измерзшей з рсзлячЕэс по"""

выделена магнитная часть модуля Шга. (прзкдекмэ лоду.п ^тга -t полз над ЕЛ?)). ííaic н ешятзккая каишнея сс'-гг^-тг;-." ггл'"** ;мгз з отсутствие поля 11,(0), кшштяая часть гхшуля г> '

йот зд(Ц) увеличивается"с шшшшем те'агаратури, пртчем ¡-г^гс--ездыгоо з-большем полз, так что пр* рзотаг? и г.- - -

1Ы4 тсЭ ELj(H) почтп на порядок пр-зистэг епкп'зпнуа :йп j чзоib модуля Ejjj(O). Дяя вшкжэшш природу ¿"-еж-зкта Ciuui npc&s«s-депн измерения шшагнотешестя кехгокртетгша гадиыша вдоль ocj с, приготовленного нз того зз гзтергпла, чго л д-я иссле-

дований модуля Sara я внутрзшюго троязл. Горения ншзгетшзнсс-ти проводились з то.1 сз sniopsaxo теглхэратур п г.'зишти.'Е ro-irí*-что п псслодовыш лЕ-сффэкта. lía основа зтих данных балл пострсэ-ш зонпсимостп магнитной части кодулл Шага Т,Н) а поло от рзта памагаичишосга <72(?,П). Эга величали спссггп.^'-гтсь дм одной И той 523 волотшш ппгшотого поля п тегазрзтурз. Пзжзгш, что в фзррскзпштнсЗ области пабяздагаса лянойшя зешсетоси. ^¡¡(о2), отклшошгэ о? нагорй пгблязэтея з сблпсп cmzcbti?. пор-орзоптзщш, свидетельствуя о болоэ слотсО взаимосвязи етгнатоуп-ругпх и магнитных характорястня гагпоташ шао В области

простого одноосного фэрроаэстгтого. упорядочения следует ожидать

увеличения модуля Юнга в поле вдоль легкой оси намагничивания I счет магнитострикционних деформаций.

Температурные зависимости модулей Юнга и внутреннего трок шюкристаллов терОкЯ вдоль осей а и Б, приготовленных из одно] монокристаллического слитка,имеют похокий вид. В обоих случаях ш дуль Шга при прибликении к температуре перехода ПМ-ГА<Ш е2=228 I ниже «соторой магнитные моменты ионов металла упорядочиваются простую геликоидальную магнитную структуру, отклоняется от обычн го для металлов'"парамагнитного" хода, при этом наблюдается умен ¡пение модуля Е(Т) нши расчетной кривой для фононного вкла Ер(Т). Затем кривая Е(Т) претерпевает излом в е2, а при дальнейш понижении температуры ниже 6^220 К модуль Юнга быстро уменьшает почти вдвое, достигая шрокого минимума вблизи 150 К. Аномалии поведении модуля Шга шнокристаляоь ТЬ сопрововдаютея особенно тями - изломами кривых СГ 1(Т) при тех же температурах е1 и е Внутреннее трение в магнитоупорядоченной области в целом увелич вается с понижением температуры, причем увеличение особенно заме но ниже Переход ШМ-4М, когда магнитные моменты конов таре ферромапштно упорядочиваются в базисной плоскости, сопровоздаез заметным температурным гистерезисом зависимостей Е(Т), Q~1(1 Измерения йЕ-вффекта на иопок/лсталле тербия вдоль оси Б в небо; ших магнитных полях позволили изучить область отрэдательнс йЕ-э^фекта, наблюдавшегося нике ©j, и построить подробную магш ную фазовую диаграмму металла.

Модуль Шга диспрозия демонстрирует довольно слошоэ темпе] турное поведение. В случае монокристалла By вдоль ocii с модуль J га в парамагнитной области хорошо описывается расчетной краз Ер(Т). Отклонение модуля от расчетной кривой пабладается выше ; кв сопровождается характерными широкими максимумами внутреши трения, что связано с началом активации релаксационных процессе: диспрозии уже при этих температурах. Отклонение модуля от расч ной кривой наблюдается такгэ вше 200 К, что связано с магнит фазовым переходом Ш-ГШ при температуре е2<* 180 К, где мод Шга проходит через хорошо выранвнныэ минимумы. Резким, почти с чкообразным, уменьшением величины модуля сопровождается пере ТАШШ при температурах ©j* 88 К и е5='93.5 к в случае охлакдэ и нагрева, соответственно. Переход ГШ-ШМ в монокристалле Dy с

овозэдается резким увеличением внутреннего трения; переход ГАйНШ акка сопровождается почти скачкообразным изменением О""1. Хзрактер оведения модуля Вига ЕСТ) и внутреннего трения СГ1СТ) поликрис-аллического диспрозия имеет ряд существенных отличкй от поведения тих параметров в монокристалле Бу вдоль оси с. Особенности - ми-имумы на кривой Е(Т) и увеличение внутреннего трения в &2 - выра-ены в полшфисталлическом диспрозии слабее, чем в монокристалле; зоборот, переход в ферромагнитное состояние иже сопрозоздает-•л в поликристаллическом Су значительно более резко выраженными номалиями - скачкообразным почти двукратным уменьшением модуля Жга и резким увеличением внутреннего трения. При этом в поликрис-/злляческом материале внутреннее треште продолжает возрастать и паю 20 К, где СГ1а 2-Ю-2, тогда как в монокристалле оно остается сонечннм и небольшим О"1« 5-Ю""4 при Т=4.2 К. При температуре выше ^ в обоих случаях наблюдается значительный температурный гистерезис зависимостей Е(Г) и который сохраняется п в парамгтки-гной области. Последнее обстоятельство связано с сильными спонтак-ш,я деформациями металла при ферромагнитном упорядочении.

Спонтанная магнитная часть модуля Юнга 1^(2) диспрозия демонстрирует хсроио выранэнные особенности при температурах и е2, оставаясь в целом положительной для монокристалла вдоль оси с а отрицательной для поликристаллического .диспрозия. С понижением температуры ни:?.е Э^ величина ЕИ(Т) монокристалла несколько возрастает по абсолютной величине, тогда как в случае поликрпстгллзпэс-кого Бу абсолютная величина Е^СТ), напротив, уменьшается. Исследо--ванкя изменения модуля Шта в' магнитном гчяе показали весьма еденную температурную и полевуп зависимость лЕ-еффск?п. По результатам исследований построена магнитная фазовая диаграмма для мопокрис-талла Иу гдоль оси с в магнитных полях до - 13 кЗ.

Температурная зависимость модуля Юнга Е(Т) монокристалла гольмия, из ученного вдоль кристаллографической оси Б, з парамагнитной области хорош отбывается расчетной зависимостью Ер(Т) и демонстрирует типичное для металлов поведение. Почти линейное уменьшение модуля с температурой происходит вплоть до температур Т-380 К. Отклонение от этой зависимости при более высоких температурах связано с началом активация релаксационных процессов в матеряле. При температура перехода Ш-ГАШ 123 К зависимость Е(Т) проходит

через острый минимум, а при дальнейшем лоншгении температуры модуль увеличивается. Ниже спонтанная магнитная'часть модуля Юнга в исследованной области температур является положительной. Магнитный фазовый фазовый переход ПМ-ГА® в в2 гольмия сопровождается резким (почти скачкообразны;,О двукратным увеличением внутреннего трения,после чего зависимость СГ1(Т) проходит через шрокий максимум вблизи 95 К. Измерения зависимостей модуля Юнга монокристалла Ко вдоль оси Б з области небольших магнитных полей показали слабый положительный ьЕ-вффект. Величина ЛСГ1-эффекта резко меняется ниже 100 К. Вше 100 К АО-1-эффект в магнитоупорядоченной области положителен и невелик, тогда как шгае этой температура наблюдается заметное уменьшение внутреннего трения с полем. Такое необычное поведение внутреннего трения связано с особенностями рассеяния упругой энергии звуковой волны в Ео при этих температурах.

Среди всего ряда изученных ре.-чоземельных магнетиков эрбий демонстрирует самое слозшое температурное поведение упругих и неупругих свойств, что связано с наличием большого числа магнитных фазовых переходов в нем и сложностью его магнитной структуры. Модуль Лага монокристалла Ег вдоль оси с в области низких температур отклоняется от расчетной зависимости Ер(Т), проходя через глубокий минимум при температуре 41 К, и принимая почти прежнее значение нике 20 К. Резкое умен: зение и затем увеличение модуля Юнга в области температур примерно 30 + 60 К сопровождается острил максимумом внутреннего трэиия вблизи 37 К. На общий рост, а затем уменьшение внутреннего трения накладываются дополнительные особенности - острые максимумы О-1 при температурах соответствующих, согласно современным литературным данным по магнитному синхротрон-пому рассеянию, так называемым 1оск-ш переходам мевду соизмеримы-ш состояниями, когда магнитная структура Ег становится соизмеримой с его кристаллической структурой. На кривой Е(Т) такке иаблэ-дазатся дополнительные особенности. Известные магнитные фазовые переходы в Ег: парамагнетизм-статическая спиновая продольная волна (1Ш-ССПВ) при 85 К; статическая спиновая продольная волна-сло-хгная антиферромаиштная спираль (ССПВ-САИС) при в^* 55 К, сложная антифорромагнитная спираль - ферромагнитная спираль (САШ5-ФВД при е^ 19 К сопровождается слабо выраженными аномалия?.® в зависимостях Е(Г), О-1(Т). 0

Возрастание внутреннего трения в области магнитных фазовых переходов меяду соизмеримыми состояния!,га было столь велико, что корректные измерения зависимостей (Г1(Т) для монокристаллов эрбия вдоль осей а и Б, а для монокристалла эрбия вдоль оси а и Е(Т), в этой области температур оказались невозможными. Температурная зависимость модуля Юнга Ег вдоль оси Б существенно отличается от поведения модуля вдоль оси с, меняясь слабо при Т < 45 К после быстрого уменьшения низе ев. Магнитные фазовые переходы между соизмеримыми состоянием! сопровождаются небольшими изломам на кривых Е(Т) вдоль оси Б, а такке заметши температурным гистерезисом зависимости Е(Т). Поведение модуля Юнга монокристалла эрбия кж:е ев вдоль оси айв направлении оси с является похожим. Магни-тнгэ фазовые переходы в ев и а2 на кривых температурных зависимостей модуля Юнга и внутреннего трения для осей а и Б проявляются слабо. Вычисленные спонтанные магнитные части модуля Юнга во всех трех случаях позволили детально проанализировать влияние фазовых переходов на модуль Юнга эрбия, при этом было показано, в частности, что бликний магнитный порядок и отличная от нуля магнитная составляющая модуля Юнга простираются далеко от температуры е2 (на 20 + 30 К) в парамагнитную область.

Вычисленные величины энергии активации Ед и характерные времена релаксацщГ т0 для магнитных РЗМ лекат в пределах Ед=(0.5+0.б) эВ и г0=(Ю-9) с. Эти значения характерны, как и в случае немагнитных КЛ, для термоактиэнрованного релаксационного поведения легких газообразущих примесей типа внедрения (Н,0,Н,С). Вычисления параметров Е0, К, и 1с^/с, а также расчетных тешературных зависимостей (2) модуля Вага показали значительную кристаллографическую анизотропию этих параметров как для магнитных Еи,Сс1, ТЬ.Ву.Но и Ег, так и для "немагнитных" 5Г,Ьа,1и. Для исследованных поликристаллических Сй и Ву значения индексов ангармоничности блп-З1си между собой и несколько меньше,чем для поликристаллического Ей. Это объясняется тем, что Ей обладает менее плотной ОЦК структурой, чем Об и ЗЗу (ГПУ структуры}. В случае монокристаллических тяжелых РЗМ наблюдается общая важная закономерность:индексы ангармоничности для направлений,лежащих в базисной плоскости,значительно больше,чем вдоль кристаллографической оси с,что мскно интерпретировать как свидетельство большей "гармоничности" колебаний ато-

мов в кристаллических решетках ЮМ вдоль выделенной гексагональной оси с, по сравнению с направлениями в базисной плоскости,

В заключении сформулированы основные результаты и вывода диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Разработана методология анализа экспериментальных даннш по упругим (модуль Шга Е) и неупрупш (внутреннее трение Q"1; свойствам редкоземельных металлов. Создан комплекс компьютерны; програ:,з.!, позволяющих на персональном компьютере реализовать разработанную методологию анализа данных Е(Т), Q"J(T).

2. Экспериментально изучены на частотах звукового диапазон (1-3 кГц) в широком интервале температур (4.2-430 К) температурят зависимости модуля Юнга Е(Т) и внутреннего трения Q"1(Т) поли- : монокристаллических образцов "немагнитных" (У.Ьа.Ьи) к магнитны (Eu,GdL,!ElD,Dy,Ho,Er) P8ÍI.

3. Показана применимость модели кристаллической решетки твер дого тела как гаантового ансамбля ангармонических осцилляторов дл анализа экспериментальных данных Е(Т) как "немагнитных" (Y.ba.Lu) так к магнитных (Eu.Gd.Tb.ig.Ko.Er - в пзрамагнитной области) PSM По результатам численных расчетов определены температуры Дебая другое динамические характеристики колебаний кристаллических pese ток изученных металлов.

4. В результате численного анализа экспериментальных даннь Е{Т) установлено наличие значительной 1фисталлографической анизс тропш динамическую характеристик колебаний атомов в кристалличес ких решетках РЗМ.

5. Впервые определена температурная зависимость магнитно] вклада ЕдШ в полную величину модуля Юнга Е(Т) в области магнии ного упорядочения РЗЫ. Обнаружена анизотропия магнитного вкла для направлений вдоль гексагональной оси сив базисной плоское® Показано, что в случае простого ферромагнитного упорядочения ма нитньй вклад в модуль Юнга пропорционален квадрату намагниченное образца.

6. OOHapissKa и исследованы в эрбии особенности поведен модуля шга и внутреннего трения ч области переходов мекду соизм

жшзят состояишшя. На прякера монокрютол.'шоского зроия показана шсская чувствительность использованной экспериментальной методики с изменения?! тонких деталей магнитной структуры изучаемых гагнетнков.

Т. Установлено, что аномальное изменение модуля Юнга в облас-II спин-переоркентационного перехода гадолиния обусловлено магнит-юй часть® модуля, которая обнаруживает значительную апизотрошш mso температуры магнитного упорядочения.

8. Для ряда изученных магнитных РЗМ исследован дЕ-эффект. 1оказапо, что в магнитоупорядоченном состоянии в слабых магнитных галях имеет место отрицательный ¿Е-эффект, а в более сильных полях •уцествувт положительный АЕ-эффект за счет парапроцесса и процес-!Ов вращения. По результатам исследования дЕ-эффекта построены югнятныо фазовые Н-Т диаграмма Р5М.

9. Показано, что дополнительные пирокие максимумы внутреннего фения в парамагнитной области РЗМ имеют релаксационное происхождение. Определены энергии активации и характерные времена релакса-дай релаксационных процоссоз, ответственных за появление дополнительных максимумов Q"1.

Основное содержанке диссертации опубликовано в следувдлх заботах:

I. Бодряков B.D. ,Тшшн A.M. Магнитные и магаитоузфугио свойства юнокристалла гадолиния.- Тезисы докладов 19 Есосоэзксй копферсп-даи по физике магнитных явлений. Ташкент,1991,с.33. i. Eodrlakov V.Yu..Hmtln S.A.,Tlshln A.il. iiagnetoelastlc properties of gulellnlim.- Thesis on the 5th Joint reiM-Interasg Confere-ico. Pittsburg, Pennsylvania, 1991 .p.IiB-13. i. Бодряков В.Ю..Никитин С.А.,Тшшш A.M. Магнитоулругие сзойстза и зпутрзшее тренио высокочистого гадолипю в интервала температур 1.2-350 К.- ©IT. 1'J91.Т.33.Н.7.с.2233-2236.

[. Nlkltln Si."..Burlchanov G.S..Bodrlakoy V.Yu..Tlohln A.H.,Chlaty-ilcov O.D. Hagnetoelaslc properties of heavy rare-earth metals.-Jheola on the 2nd European East-ffest Synpoolra on llaterlals and Processes. Helsinki,Plnland,1991,p.329.

>. Ecdrlakov v.YU.,Hikitln S.A.,TlsIiln A.M. Uagnetoolastlc proper-

ties of gadolinium.- J.Appl.Phys.1992.v.72.II.9.p.424T-4249.

6. Ликов H.B..Бодряков B.D.,-Годовиков C.K..Никитин С.А.,Титл A.M. Особенности магнитной структура эрбия в области .сгаш-сл! переходов.- Тезисы докладов 29 Совещания по физике низких темперг тур. Казань.1992,C.Î53.

7. Bo0rlako7 V.Yu. Elastic and inelastic behavior of polyciysta: line yttrium Iran 4.2 to 350 K.- Solid state Conrnun. 1992.V.83.N. p. 1053-1055.

8. Hlicltln S.A.,Tishln A.H.,GoûovlIcov S.K. .Bodrlafco? V.Yu., Aveu: rius I.A. Maxima of the internal ruction ana NCR peculiarities < erbium In the region or spin-slip transitions.- J.Magn.Mägn.Mate: 1993.7.125.N. 1-2.p. 190-194.

9. Бодряков В.Ю., Никитин C.A., Тшн A.M. Особенности упруг: свойств и релаксационные явления в редкоземельных металлах.-Тези докладов Школы-семинара "Релаксационные явления в твердых телах Bopones,1993.C.23.

10. Бодряков B.D., Бурхаяоз Г.С., Никитин С.А., Timm A.M.. Чист ков О.Д., Панов H.H. Упругие и неупругие свойства высокочисто иттрия.- Высокочистые вещества.1993.N.4.с.12-19.

11. Бодряков B.D. ,Тшш A.M. Особенности модуля Юнга и внутренне трения Y.La.Lu.- Тезисы докладов 6 Научного семинара "Физи иапшпш .'злений*. Донецк,Украина, 1991,с. 123.

12. Никитин С.А. .Годовиков С.К. .Бодряков B.D. «Авенариус H.A. Мак симумы внутреннего трения и ЯГР-особенностн эрбия в области cmi -слип переходов.- Тезиса доладов 5 Международного совещания ядврно-спактроскопйческим исследованиям сверхтонких взаимодейс БПЙ. Дубна, 1993,0.101.

13. Никитин С.А.,Годовиков С.К..Бодряков B.D..Авенариус И. Цакииуш внутреннего трения п ЯГР-особенностн эрбия в облас спин-слип пароходов.- Известия РАН.&издаа.1994.т.58.Н.4.с.15-1Э,

14. Бодряков В.Ю.,Бурханоз Г.С.,Никитин с.А..Панов Н.Н..ТШ A.U. .Чистяков О.Д. Упругие и неупругие свойства высокочистого л; тала на звуковых » зстотах.-Высокочистые вещества. 1994.Н.З.С.96-!

15. Бодряков B.D. .Годовиков С.К. .Никитин С.А. Магнитоупругие аз мадии а ЯГР-особешости монокристалла гольмия в области магнит фазовых переходов,- Тезисы докладов 30 Совещания по физике низ: температур. Дубна. 1994.с.70.

16. Бодряков B.D. .Никитин С.Л. Аномальное поведение модуля Шга и внутреннего трения европия в области фазового перехода ПН-ГА®!.-Тозисы докладов 30 Совещания по физике низки температур. Дубна, 1994.С.71.

4