Влияние температуры на ДЕ-эффект в аморфных металлических сплавах на основе переходных металлов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

На правах рукописи

ГОЛЫГИН ЕВГЕНИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ДЕ-ЭФФЕКТ В АМОРФНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВАХ НА ОСНОВЕ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

01.04.11 - физика магнитных явлений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

П * ДПР 2314

Иркутск 2014

005546655

005546655

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет».

Научный руководитель: Гаврилюк Алексей Александрович, доктор

физико-математических наук, доцент.

Официальные оппоненты: Лепешев Анатолий Александрович, доктор

технических наук, профессор, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» (СФУ), зав. кафедры ЮНЕСКО «Новые материалы и технологии»;

Комогорцев Сергей Викторович, кандидат физико-математических наук, с.н.с, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук.

Ведущая организация: Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный федеральный университет».

Защита состоится 2014 г. в ¡и У,/ часов на заседании

диссертационного совета Д 003.055.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук (ИФ СО РАН) по адресу: 660036, г. Красноярск, ул. Академгородок 50, строение 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФ СО РАН. Автореферат разослан «л Ь » -Л-иа-С^Х^ 2014г. Ученый секретарь

диссертационного Совета Д 003.055.02, доктор физико-математических наук, профессор Втюрин Александр Николаевич

Актуальность работы.

Аморфные металлические сплавы на основе железа являются перспективными магшггомягкими ферромагнитными материалами. Отсутствие дальнего порядка в расположении атомов приводит к реализации такой совокупности магнитных свойств, которую невозможно получить в ферромагнетике с кристаллической структурой (большие значения магнитострикции и начальной магнитной проницаемости, малые потери на перемагничивание, низкая коэрцитивная сила, и т.д.). Обладая высокими значениями магнитных параметров, такие сплавы находят применение в качестве чувствительных элементов датчиков силы, деформации, температуры, магнитострикционных линий задержки, генераторов звуковых и ультразвуковых колебаний, а также используются для создания сверхпрочных ферромагнитных структур многофункциональных конструкционных материалов [1]. Причиной, сдерживающей применение аморфных ферромагнетиков в современных наукоемких технологиях, является их низкая температурная стабильность, обусловленная неравновесностью их структуры. Перевод аморфного металлического сплава в состояние близкое к метастабильному равновесию, понижает температурную чувствительность его магнитных и магнитоупругих параметров. Аморфные металлические сплавы на основе железа, являются модельными объектами, позволяющими выявить влияние температурных изменений процесса намагничивания ферромагнетика на температурные изменения его магнитных и магнитоупругих параметров. В свою очередь, механизмы намагничивания аморфных металлических сплавов во многом определяются именно видом и режимом их предварительной обработки. В связи с этим можно предположить, что варьирование видов и режимов предварительных обработок позволит получать у аморфных металлических сплавов необходимую температурную чувствительность магнитных и магнитоупругих параметров.

Целью исследований являлось выявление закономерностей влияния температуры нагрева на АЕ-эффект аморфных металлических сплавов на основе железа в виде лент и проволок, прошедших различные виды предварительной обработки.

Задачи исследований:

1. Исследование влияния температуры предварительной термомагнитной обработки и температуры нагрева в цикле «нагрев-охлаждение» на полевые зависимости АЕ-эффекта аморфных металлических лент составов РеетСоюС^зВи и Ре64Со21В15.

2. Изучение влияния параметров предварительной обработки постоянным электрическим током при одновременном приложении растягивающих напряжений на температурные изменения полевых зависимостей АЕ-эффекта аморфных металлических проволок состава Ре758цоВ15.

3. Исследование влияния температуры предварительной термомагнитной обработки и температуры нагрева в цикле «нагрев-охлаждение» на полевые

зависимости АЕ-эффекта аморфных металлических проволок состава Ре758моВ15 в широком интервале температур. 4. Выработка представлений о влиянии температуры нагрева на полевые зависимости АЕ-эффекта аморфных металлических лент и проволок на основе железа, прошедших предварительную обработку. Научная новизна.

Обнаружено, что в аморфной металлической ленте состава Ре^^СоюСгзЯ^В^, независимо от параметров проведённой термомагнитной обработки, реализуется только положительный ДЕ-эффект. Причиной этого является малая величина поля наведённой одноосной анизотропии исследованных лент, а также высокая угловая дисперсия анизотропии.

Предложен метод измерения температурной зависимости наведённой одноосной анизотропии в аморфных металлических лентах состава Ре64Со21В15, прошедших предварительную термомагнитную обработку, по измерению их температурной зависимости поля достижения абсолютного максимального значения отрицательного АЕ-эффекта.

Установлено, что представления о магнитоупругой связи между ядром и приповерхностной области проволоки позволяет адекватно объяснить влияние температуры на полевые зависимости АЕ-эффекта аморфных металлических проволок состава Ре7581юВи, обработанных постоянным электрическим током с одновременным приложением растягивающих напряжений.

Разработаны представления, объясняющие температурное поведение поля наведенной термомагнитной обработкой анизотропии аморфных металлических проволок состава Рет^юВ^, на основе представлений о возникновении растягивающих напряжений в приповерхностной области проволоки при намагничивании ее ядра.

Практическая ценность. Результаты исследований могут быть использованы для создания прецизионных датчиков температурных изменений различных физических величин и устройств функциональной электроники, в которых чувствительными элементами являются аморфные металлические сплавы. Проведённые исследования определяют режимы предварительных обработок таких сплавов для достижения у них оптимальной с практической точки зрения температурной чувствительности магнитоупругих характеристик. Результаты исследований вносят вклад в развитие представлений о возможности целенаправленного управления температурной стабильностью магнитных и магнитоупругих параметров аморфных металлических сплавов на основе железа при помощи вариации видов и режимов предварительной обработки.

Защищаемые положения. 1. Положительный ДЕ-эффект в аморфной металлической ленте состава Ре67Со10Сгз5ЬВ,5, прошедшей термомагнитную обработку, объясняется низким значением поля наведённой одноосной анизотропии и значительной угловой дисперсией анизотропии. Следствием этого является появление «заряженных» участков доменных границ, приводящее к росту поверхностной плотности их энергии и к исчезновению отрицательного АЕ-эффекта.

2. Уменьшение максимального абсолютного значения отрицательного ДЕ-эффекга с ростом температуры нагрева в аморфных металлических лентах состава Fe64Co2iB15, прошедших термомагнитную обработку, обусловлено уменьшением поля наведённой одноосной анизотропии. Величина поля наведённой одноосной анизотропии изменяется обратно пропорционально температуре нагрева ленты, что свидетельствует об основополагающем вкладе направленного упорядочения пар атомов переходных металлов в формирование наведенной одноосной анизотропии.

3. Значения плотности постоянного электрического тока обработки и приложенных одновременно растягивающих напряжений в процессе обработки аморфных металлических проволок состава Fe75SiioBi5 определяют энергию их магнитоупругого взаимодействия. При этом характер полевой зависимости ДЕ-эффекта при разных температурах нагрева проволок определяется ходом температурной зависимости отношения энергии наведённой в процессе предварительной обработки анизотропии к энергии упругих напряжений, действующих на приповерхностную область проволоки со стороны ядра за счёт магнитоупругого взаимодействия.

4. Магнитное поле Нтах, при котором достигается максимальное абсолютное значение отрицательного ДЕ-эффекта в аморфных металлических проволоках состава Fe75Si10Bi5, определяется температурой их термомагнитной обработки. Величина Нтах уменьшается с ростом температуры нагрева Т проволок согласно функциональной зависимости н = AT'ß, где коэффициенты /?=0,4-Ю,7 и А

определяются отношением энергии магнитоупругого взаимодействия ядра и приповерхностной области проволоки к энергии наведённой анизотропии.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Всероссийской Байкальской конференции молодых учёных по наноструктурным материалам (Иркутск, 2009 г.); Международной конференции «Релаксационные явления в твёрдых телах» (Воронеж, 2010 г.); XI Всероссийской школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества. (Екатеринбург, 2010 г.); IV-V международной Байкальской конференции «Магнитные материалы. Новые технологии» (Иркутск, 2010, 2012 г.); Х-ой региональной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование» (Владивосток, 2011 г.); International conference «Functional Materials - 2011» (Симферополь, 2011 г.); 9-ой международной конференции «Современные металлические материалы и технологии (Санкт-Петербург, 2011 г.); Всероссийской конференции «Наноматериалы и технологии» (Улан-Удэ, 2012 г.); 18-ой Всероссийской конференции студентов-физиков и молодых учёных ВНКСФ - 18 (Красноярск, 2012 г.); 3rd European Workshop on "Self-Organized Nanomagnets" (Мадрид, 2012 г.); XXII международной конференции «Новое в магнетизме и магнитных материалах» (Астрахань, 2012 г.); V Euro-Asian Symposium Trends in MAGnetism: Nanomagnetism (2013, Vladivostok, Russia); Joint European Magnetic Symposia (2013, Rhodes, Greece); Donostia International Conference onNanoscaled Magnetism and Applications (2013, San Sebastian, Spain).

Диссертационная работа выполнялась при финансовой поддержке:

Государственного задания Министерства образования и науки РФ на 2012 -2014 гг. по теме «Теоретические и экспериментальные исследования термостабильности аморфных и нанокристаллических сплавов на основе переходных металлов» (per. номер 01201256008); гранта РФФИ № 12-08-31476 «Влияние атомного упорядочения на термическую стабильность магнитных и магнитоупругих свойств наноструктур ированных металлических сплавов на основе переходных металлов»; гранта РФФИ № 11-08-00362 «Влияние температуры на магнитные и магнитоупругие параметров аморфных и наноструктурированных сплавов на основе переходных металлов».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов и списка литературы. Диссертация изложена на 134 страницах, содержит 40 рисунков. Библиография включает 180 наименований.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследований. Сформулированы цели и задачи исследований, показаны новизна, практическая значимость полученных результатов и сведения об апробации работы, приведены защищаемые положения, кратко изложено содержание работы.

В 1-й главе проведён литературный обзор работ по исследованию доменной структуры и процессов её перестройки под действием магнитного поля аморфных металлических лент на основе железа. Рассмотрено влияние различного рода предварительных обработок аморфных металлических лент на их структуру и магнитные параметры. Приведены результаты исследований магнитоупругих характеристик аморфных металлических лент на основе переходных металлов и анализ взаимосвязи механизмов перестройки доменной структуры с магнитоупругими характеристиками аморфных металлических лент с наведённой одноосной анизотропией. Анализируется влияние процессов структурной релаксации и кристаллизации, протекающих в аморфных металлических лентах, на их магнитные и магнитоупругие свойства. Отдельный параграф посвящён анализу результатов исследований магнитных и магнитоупругих свойств аморфных металлических проволок на основе железа.

Во 2-й главе приведены сведения об исследуемых в работе аморфных металлических лентах и проволоках. Приводится описание установки для проведения предварительной термомагнитной обработки аморфных металлических лент и проволок. Описаны используемые методы и режимы проведения предварительных обработок исследуемых образцов, а также методы измерений их температурных зависимостей магнитных и магнитоупругих параметров (метод резонанса — антирезонанса определения ДЕ-эффекта, индукционный метод измерения петель гистерезиса).

Глава 3 посвящена экспериментальным исследованиям температурных зависимостей ДЕ-эффекта аморфных металлических лент на основе переходных металлов, прошедших предварительную термомагнитную обработку.

В параграфе 3.1 приведены результаты исследований влияния температуры термомагнитной обработки и температуры последующего нагрева

на полевые зависимости АЕ-эффекта аморфных металлических лент состава Ре^СоюСгзЗЬВ^. Как следует из приведённых зависимостей, при всех температурах термомагнитной обработки в исследуемых лентах возникает положительный ДЕ-эффект (т.е. увеличение модуля упругости Ен ленты при приложении Н) (рис.1). Максимальные значения величины ЛЕ/Е0 (АЕ/ЕС=0,8-Ю,9) при комнатных температурах получены у лент, обработанных при температурах 390°-*-410°С. Отметим также, что полностью положительный ДЕ-эффект в аморфных металлических лентах на основе железа, прошедших предварительную термомагнитную обработку и имеющих, предположительно, одноосную наведенную анизотропию, ранее не наблюдался.

С ростом температуры нагрева у исследованных лент наблюдается уменьшение ДЕ-эффекта и поля его магнитного насыщения. Это приводит к тому, что даже при достаточно низких температурах нагрева лент, максимальные значения магнитных полей, при которых удаётся измерить ДЕ-эффект, уменьшаются. При последующем охлаждении лент от 300°С до комнатной температуры значение АЕ-эффекта возрастает, однако остается меньшим, чем до проведения нагрева.

Проведение второго и последующего циклов «нагрев-охлаждение» не приводит к заметным изменениям в ходе полевых зависимостей АЕ-эффекта. Полученные результаты свидетельствуют о том, что при проведении именно первого цикла «нагрев-охлаждение» в аморфной металлической ленте состава Ре67Со|оСгз81>В)5 протекают наибольшие структурные изменения.

Рис. 1. Полевые зависимости АЕ-эффекта аморфных лент состава Реб7СоюСгз815В15, прошедших

термомагнитную обработку при температурах Трге\ и - Трге=330°С, ♦ - Трге=35(?С, А - Трге—370°С, а - Трге=390°С, 0~Трге=4Ю°С.

Температура измерений 7Ь30°С.

Таким образом, независимо от температуры предварительной термомагнитной обработки исследованных лент в них под действием Н наблюдается рост ЕИ. Можно предположить, что причиной такого поведения ДЕ-эффекта лент является невозможность наведения у них в процессе проведения предварительных обработок выраженной одноосной анизотропии.

Для проверки того, насколько характерен положительный АЕ-эффект для лент состава ЕвбуСоюО^зВи, исследованы зависимости ЛЕ/Е0(Н) у образцов, прошедших дальнейшую обработку постоянным электрическим током различной плотности, а также двухстадийную обработку (термическая обработка с последующей термомагнитной обработкой). Проведение обработки электрическим током уменьшает положительный АЕ-эффект и увеличивает

температурную стабильность его характеристик при первом цикле «нагрев-охлаждение» (рис.2). При этом наибольший АЕ-эффект наблюдаются у лент, обработанных постоянным электрическим током плотностью у—3,2' 107 А/м2.

0,75 п АЕ/Ео^^, а 0,75 -, дЕ/Ео б

°>5 4 ♦ ♦ ♦ 0,5

0,25 -1 0* 0,25 |

9 9 _ _ _ о

" ■ ------------- -------'-----II. Л м 1 " "" 11, А/м

500 1000 1500

500 1000 1500

Рис. 2. Полевые зависимости //Я-эффекта аморфных лент состава ¡'е^СоюСт^^В^, прошедших термомагнитную обработку при температуре Трге—Ъ90°С. Дополнительная обработка постоянным электрическим током плотностью т=3,2'107А/м2. 1-ый цикл «нагрев-охлаждение», а - нагрев, б — охлаждение: : ■ - Т= 30°С, ♦ - Т= 90°С, А- Г=150°С, □ - Г=210°С, 0 - 7^240°С.

Причиной роста температурной стабильности АЕ-эффекта аморфных лент состава Ре67Со10Сгз815В15 в результате проведения дополнительной обработки постоянным электрическим током может являться разрушение слабовыраженной одноосной наведенной анизотропии и наведение «винтовой» анизотропии [2, 3]. Предварительная термическая обработка лент состава Ре67СО|0Сгз8ь-,В15 проводилась при 200°С в течение 10 часов в вакууме 10"3 мм. рт. ст. Условия последующей термомагнитной обработки лент состава Ре67СО|оСгз5и5В; не изменялись. Установлено, что низкотемпературная предварительная термическая обработка не изменяет качественный ход полевой зависимости АЕ-эффекта, но понижает его значение.

Таким образом, независимо от характера и режима предварительной обработки аморфных металлических лент состава РеезСо^С^РВ,, в них под действием магнитного поля возникает положительный АЕ-эффект. Можно предположить, что причиной такого поведения АЕ-эффекта лент является невозможность наведения при предварительных обработках выраженной одноосной анизотропии, что может быть связано с особенностями состава ленты.

Из анализа петель гистерезиса (рис.3) исследованных лент, прошедших термомагнитную обработку при Трге=370°С в процессе цикла «нагрев-охлаждение» следует, что при комнатной температуре поле наведенной одноосной анизотропии лент не превышает 5СН70 А/м. Нагрев ленты до Т=290 С сопровождается уменьшением Вг и Не. Дальнейшее охлаждение ленты до комнатной температуры ведет к практически полному восстановлению первоначальных значений Вг и Н( . Малое значение поля наведённой анизотропии и относительно высокое значение Вг свидетельствуют о значительной величине угловой дисперсии анизотропии. Данное предположение подтверждается фотографиями доменной структуры исследованных лент.

Рост концентрации хрома за счет уменьшения концентрации железа приводит к увеличению термической стабильности фазовой структуры аморфного сплава. Хром по своему магнитному упорядочению антиферромагнетик. В сплаве атомы хрома окружают себя либо другими атомами хрома, либо атомами железа. При этом между ними осуществляется антиферромагнитное обменное взаимодействие, препятствующее наведению термомагнитной обработкой одноосной анизотропии. Можно предположить, что в результате конкуренции между процессами наведения одноосной анизотропии и упорядочения атомов хрома и железа в ленте возникает магнитная доменная структура с высокой угловой дисперсией анизотропии. Рост температуры нагрева приводит к уменьшению энергии антиферромагнитного обменного взаимодействия между атомами Сг и Ре, но незначительно влияет на поле наведённой одноосной анизотропии. Чем выше температура нагрева ленты, тем более однородной становится ее магнитная структура, и тем меньше Вг. Охлаждение ленты до комнатной температуры практически не изменяет поле наведенной одноосной анизотропии, но увеличивает энергию антиферромагнитного упорядочения между атомами Сг и Ре. В результате Вг возрастает.

1 В, Гл а ' В, Тл 6

О

I ............1 I___—

.1 Н, А/м н, А/м

-300 О 300 -300 О 300

Рис. 3. Петли гистерезиса аморфных лент состава РебуСоюСгзЗ^Вб, прошедших термомагнитную

обработку при 7^,.е=370°С в процессе цикла «нагрев-охлаждение», а - нагрев; б - охлаждение.

т гг _~>0°с__'ООТ ....''ЙОТ _ _ ""-ЖТ

Температура нагрева Т.----— ----- .

Угловая дисперсия анизотропии влияет на перестройку доменной структуры и на полевые зависимости АЕ-эффекта в аморфных металлических лентах. Магнитное поле, приложенное перпендикулярно средней оси легкого намагничивания образца, уменьшает угловую дисперсию анизотропии, и, следовательно, уменьшает энергию блоховских доменных границ. С учетом энергии блоховских доменных границ, выражение для углов {>и поворота намагниченности в противоположно намагниченных доменах может быть записано в виде:

*т/3,2*/и0Н12(К±Апьуь) (1)

где А=А(Н)>1 - коэффициент, учитывающий влияние угловой дисперсии анизотропии на поверхностную плотность энергии уь блоховских доменных границ, пь — концентрация блоховских доменных границ, К - константа

одноосной наведённой анизотропии. Выражение для поверхностной плотности энергии уь доменных границ, с учетом энергии полей рассеяния неоднородной структуры намагниченности, может быть записано в виде [4]:

Уь =Уьм -$та2)2 ПАЛ (2)

где уь,/во - поверхностные плотности энергий 180°-ных блоховских доменных границ М<; - намагниченность насыщения, I - длина волны угловой дисперсии анизотропии, с1 - расстояние между доменными границами, о.^Н) и а2(Н) - углы отклонения намагниченности от среднего направления оси легкого намагничивания в соседних доменах. Оценка величины второго члена в (2) для характерных значений параметров М5 =1,8'Ю6 А/м, Аа=а2-ат:%°-10°. 1~ 10 4 м, а*=10"4м («6=10000 м-1) дает (3,5-4)'10~3 Дж/м3, а для у6~(4-6)' 10-3 Дж/м2.

Процесс поворота намагниченности в аморфных металлических лентах с одноосной наведённой анизотропией приводит к появлению минимума на зависимости модуля упругости Ен от Н вблизи поля блох-неелевского перехода структуры доменных границ //¿.„ [5]:

Нь-п = нЛУ„.и»-Уь,1%о)(Уп,иа +Уь,по) где Нк=2К/ц0М$ - поле наведенной одноосной анизотропии, у„,18о - поверхностная плотность энергии 180°-ных неелевских доменных границ. Учитывая, что в магнитомягких материалах толщиной несколько десятков микрон Уц/вв^б-М^'Ю"3 Дж/м2 и уь,7«о~( 1-2)'Ю3 Дж/м2, получим, что НЬ-„, а следовательно, и поле минимума на зависимости АЕ/Е0(Н) находятся в интервале (0,6~Ю,8) Нк. Так как высокая угловая дисперсия анизотропии приводит к росту уь, то величина Нь„ становится очень малой (единицы А/м) и сложно измеримой.

Таким образом, рост модуля упругости под действием магнитного поля в аморфных лентах состава Ре^СотСг^^з, прошедших предварительную термомагнитную обработку, объясняется низким значением поля наведенной одноосной анизотропии и значительной угловой дисперсией анизотропии, что, в свою очередь, связано с присутствием в составе ленты хрома.

Параграф 3.2 посвящен изучению влияния температур термомагнитной обработки и последующего нагрева на полевые зависимости АЕ-эффекта аморфных металлических лент состава Ре64Со21 В|5.

При нагреве от 30°С до 240°С ленты, прошедшей термомагнитную обработку при Трге=290°С наблюдается отрицательный АЕ-эффект (уменьшение модуля упругости ленты при приложении магнитного поля), максимальное абсолютное значение которого уменьшается с ростом Т (рис.4). При этом поле Нтах достижения максимального абсолютного значения отрицательного АЕ-эффекта уменьшается. Рост Т до 270°-:-300оС приводит к положительному АЕ-эффекту (рис.4,а). Последующее охлаждение от 300°С до 30°С сопровождается ростом Ен с увеличением Н (рис. 4,6), что свидетельствуют о разрушении наведенной одноосной анизотропии, и изменении механизма намагничивания ленты от поворота намагниченности к смещению не 180°-ных доменных границ.

На рисунке 5 приведены графики АЕ/Е0(Н,Т) аморфных лент в процессе цикла «нагрев-охлаждение» до Т=210°С, прошедших термомагнитную обработку

Рис. 5. Полевые зависимости ¿№-эффекта аморфных лент состава Реб4Со21В15, прошедших термомагнитную обработку при температуре Трге=310°С. Первый цикл «нагрев-охлаждение»: а -нагрев, б - охлаждение. Температуры нагрева 7": п - Т= 30°С, А - Т=90 С, ♦ - Г=150°С, □ - Т= 210 С.

Температура термомагнитной обработки Трге влияет на Нтах (рис.6). Наибольшие значения Нтах наблюдаются для лент, прошедших обработку при Трге=310°С, а наименьшие - при Трге=250°С. Уменьшение Нтах для лент, прошедших термомагнитную обработку при Трге=Ъ 3 50°С, связано с уменьшением поля наведенной одноосной анизотропии при протекании в них кристаллизации. Величина Н,„ах уменьшается с ростом Г, а зависимости Нтах(Т) близки к линейным. Полученные результаты объясняются на основании представлен™ о блох - неелевском переходе структуры доменных границ.

В лентах с одноосной наведенной магнитной анизотропией, под действием магнитного поля, ориентированного перпендикулярно оси одноосной анизотропии, протекает процесс поворота намагниченности. При этом

при Трге=310°С. При охлаждении лент в них наблюдается отрицательный ДЕ-эффект, но его максимальное абсолютное значение уменьшается по сравнению со значением, измеренным при нагреве. Похожие результаты получены и при других Трге в интервале 250°^350°С.

А/м

1000

Рис. 4. Полевые зависимости величины ¿(¿'-эффекта аморфных лент состава Реб4Со21В15, прошедших предварительную термомагнитную обработку при температуре Трге=290°С. Первый цикл «нагрев-охлаждение»: а - нагрев, б - охлаждение. Температуры нагрева Т: я - 7=30°С, А - 7'=90оС, ♦ -Г=150°С, □ - Т~210°С, Д - 7=240°С, 0 - Г=300°С.

ДЕ/Е0

0,2 г ДЕ/Ео

Н, А/м

0,03

выражение для модуля упругости в магнитном поле Ень с учетом энергии блоховских доменных границ записывается в виде [5]:

(2К-ЗЛ$а-2пьгь^„У а Ен,я с учётом энергии неелевских доменных границ - в виде:

Е„ 1 +

94 мЖН2Е0

, =Д, 1 +

(4)

(5)

где, - константа магнитострикция, а - величина упругих растягивающих плотности неелевских и блоховских доменных границ,

напряжении, щ и п„ соответственно.

1000

120 т, С

Рис. 6. Зависимости Нтах(Т), полученные при нагреве аморфных металлических лент состава Реб4Со21В15, прошедших термомагнитную обработку при температурах Трге :

♦ - Трге =250°С; А-7>е =290°С, ■ - Трге =310°С;

• - Тр„ =350°С;

Согласно (4), модуль упругости уменьшается с ростом Н. В свою очередь, (5) описывает его увеличение за счет роста п„ в магнитных полях, больших чем Нь.п [5]. Переход от блоховской структуры доменных границ к неелевской и, как следствие этого, появление минимума на зависимости АЕ/Е0(Н) (максимального абсолютного значения отрицательного АЕ-эффекта) происходит в магнитных полях Нь„ больших поля блох - неелевского перехода структуры доменных границ (3). Так как отношение (у т-/М1!0)/(/ 180+у4180) слабо зависит от величины

поля Нк, то зависимость Нтах(Т) аналогична зависимости НК(Т). Таким образом, температурная зависимость поля наведенной одноосной анизотропии аморфных металлических лент состава Ре64Со21В15, прошедших термомагнитную обработку в интервале Трге = 250°^350°С близка к линейной (Нк(Т)~1/Т), что свидетельствует о том, что в них основным механизмом наведения анизотропии является механизм направленного упорядочения пар атомов.

При комнатной температуре форма петли гистерезиса (рис.7) ленты состава Ре64Со21В15, прошедшей термомагнитную обработку, свидетельствует о преобладании механизма поворота намагниченности, что характерно для лент с наведённой одноосной анизотропией.

С ростом температуры нагрева ленты происходит рост Вг. Такой рост тем значительнее, чем больше температура нагрева. При нагреве ленты до 230° -К290°С основным механизмом перестройки доменной структуры образцов становится процесс смещения доменных границ, т.е. одноосная наведенная

анизотропия в них разрушается. Чем выше температура термообработки, тем выше температура разрушения наведённой одноосной анизотропии.

При дальнейшем охлаждении лент до комнатной температуры наблюдается увеличение Вг и Нс. Охлаждение лент от высоких температур способствует развитию одноосной анизотропии вдоль их длины, что можно объяснить эффектом анизотропии формы [6].

| в, г., а " в, тл " : ■ 6

О о

-1 II, А/м Н, А/м

-300 0 300 -300 0 300

Рис. 7. Петли гистерезиса аморфных лент состава Реб4Со21В15, прошедших термомагнитную обработку при Трге=250°С. в процессе цикла «нагрев-охлаждение», а - нагрев, б - охлаждение.

Температура нагрева Г: -20°С--200°С........260°С _ . _ 290°С .

Глава 4 посвящена исследованию температурных зависимостей АЕ-эффекта аморфных металлических проволок состава Р'е7581В,5, прошедших различные виды предварительной обработки.

В параграфе 4.1 приведены результаты исследований влияния температуры нагрева на полевые зависимости ДЕ-эффекта аморфных металлических проволок состава Ееу^юВ^, прошедших предварительную обработку постоянным электрическим током при одновременном приложении растягивающих напряжений.

Как показали проведенные исследования, варьирование величин плотности постоянного электрического тока и растягивающих напряжений в процессе обработки проволок состава Ре753!, г., В, 5 позволяет изменять качественный ход полевой зависимости АЕ-эффекта. При /=(25^-30)' 10" А/м~ и величине о=(32-028)'10б Па в исследованных проволоках наблюдается монотонное уменьшение Ен■ Рост температуры нагрева проволоки в интервале от 30° до 330°С приводит к уменьшению отрицательного ДЕ-эффекта. Последующее охлаждение проволок до 30°С приводит к увеличению отрицательного ДЕ-эффекта и появлению выраженного минимума на зависимости АЕ/Е0 от Н. При охлаждении от 330°С до 30°С минимум на зависимости АЕ/Е0(Н) смещается в область больших магнитных полей.

С ростом / до 36'10б А/м2 на зависимостях ДЕ-эффекта от Н появляется характерный минимум. Последующий нагрев проволоки в процессе измерений приводит к уменьшению абсолютного максимального значения отрицательного ДЕ-эффекта и к смещению минимума АЕ/Е0 в область меньших Н (рис.8). При дальнейшем охлаждении проволок до комнатных температур минимум на

зависимости ЛЕ/Е0(Н) приобретает более выраженный характер и смещается в область больших Н. При этом абсолютные значения ДЕ-эффекта увеличиваются по сравнению с его значениями в процессе нагрева проволоки.

При увеличении у от 39" 106 А/м2 до 45" 106 А/м2 в проволоках наблюдается переход от отрицательного (при а= 0) к положительному (при бт>128'106 Па) ДЕ-эффекту. Наибольшие значения ДЕ-эффекта наблюдаются при обработке проволоки электрическим током плотностью у>(42^-45)' 106А/м2. В области относительно малых значений Н будет иметь место отрицательный ДЕ-эффект, абсолютное значение которого уменьшается с ростом Т.

Полученные результаты объясняются на основе представлений о неоднородном распределении намагниченности в аморфных металлических проволоках (существование внутреннего ядра, в котором намагниченность ориентирована аксиально, и приповерхностной области, намагниченность в которой ориентирована либо радиально, либо циркулярно). Так как максимальное абсолютное значение отношения АЕ/Е0 наблюдается при Н близких к полю Нь.„ блох-неелевского перехода структуры доменных границ в приповерхностной области проволоки, то в магнитных полях Н>НЬ-„ абсолютное значение отношения АЕ/Е0 уменьшается.

В результате магнитоупругого взаимодействия ядра и приповерхностной области проволоки, процессы перестройки доменной структуры в этих областях взаимосвязаны. Плотность энергии \¥т е магнитоупругого взаимодействия ядра и приповерхностной области проволоки определяется соответствующими константами магнитострикции ядра Я vc и приповерхностной области а также модулем упругости приповерхностной области Ен$и.[7]:

ф^^о/г)^^ (6)

Величина !•¥„, ,, уменьшается с ростом Т. При этом ход зависимости АЕ/Е0(Т) при увеличении температуры нагрева проволоки определяется влиянием двух процессов: уменьшением поля наведенной анизотропии в приповерхностной области проволоки и уменьшением энергии магнитоупругого взаимодействия ядра и приповерхностной области проволок. Если процесс намагничивания приповерхностной области проволоки обусловлен вращением намагниченности, а ядро проволоки перемагничивается смещением доменных границ, то зависимости АЕ/Е0(Т, Н) определяются ходом температурной зависимости отношения 5 поля наведённой циркулярной анизотропии цк = 2КХ1: /(//0 Мч) и поля

Нп = (3//{/л^М,.), действующего на приповерхностную область

проволоки со стороны ядра за счет магнитоупругого взаимодействия, т.е. температурной зависимостью отношения:

где К8и — константа наведенной анизотропии приповерхностной области проволоки. При увеличении <5 с ростом Т, минимум на зависимости АЕ/Е0(Т, Н) смещается в область больших значений Н. Если же д уменьшается с ростом Т, минимум на зависимости ЛЕ/Е0(Т, Н) смещается в область меньших значений Н.

Из полученных результатов следует, что рост Т ведет к практически линейному уменьшению Нтах (рис.9), т.е. отношение АКнк

уменьшается. Следовательно, на зависимость АЕ/Е0(Т, Н) определяющее влияние оказывает уменьшение поля наведенной анизотропии с ростом температуры нагрева.

Эффективное магнитное поле Н3фф, действующее на намагниченность в приповерхностной области проволоки при намагничивании записывается как:

Рис. 8. Полевые зависимости АЕ-эффекта аморфных проволок состава РС71;<>15 обработанных постоянным электрическим током плотностью /=36 1 06 А/м2 с одновременным приложением растягивающих напряжений о=127 1 06 Па. а - нагрев, б - охлаждение. Температуры нагрева Т: ■ -Г=30°С, А - Г=90°С, ♦ - 7=150°С, □ - Г=210°С, Д - 7-=240°С, 0 - Г=300°С.

нх11ф = н+(3 / / (МоМ,) (8),

а условие существования минимума на зависимости АЕ/Е0(Т, Н) в магнитных полях, больших поля намагничивания ядра проволоки, в виде:

М0м8н + (3/4ИАЛ < -п)'(К + П) (9)

С ростом Т условие (9) перестаёт выполняться, т.е. отрицательный ЛЕ-эффект исчезает. Выполнение (9) зависит от величин радиусов ядра и приповерхностной области проволоки. С ростом радиуса приповерхностной области возрастает у„, а у6 уменьшается. При этом правый член в (9) возрастает, а само неравенство становится справедливым для более высоких значений Н и Т.

При низких у (/'=25' 106А/м2) и о<190 Па монотонное уменьшение АЕ/Ео в исследованных интервалах Н и Т может быть объяснено высоким уровнем внутренних напряжений в приповерхностной области проволоки, и, как следствие этого, выполнением условия (9). При/>36' 106 А/м2 и приложенных <т монотонное увеличение АЕ/Е0 с ростом Н может быть связано с возникновением локальных пластических деформаций. Это приводит к переориентации оси легкого намагничивания проволоки вдоль линии приложения напряжений, и к изменению механизмов намагничивания проволоки.

В параграфе 4.2 представлены результаты исследований влияния температуры нагрева на полевые зависимости ДЕ-эффекта аморфных проволок состава Ре758110В! ^ прошедших термомагнитную обработку.

При всех температурах термомагнитной обработки при относительно низких температурах нагрева у исследованных проволок наблюдается

отрицательный ДЕ-эффект (рис. 10). С ростом Т от 30°С до 90°С абсолютное значение ДЕ-эффекта возрастает, в то время как увеличении температуры нагрева до 7>90°-Н20°С уменьшает абсолютная величину ДЕ-эффекта.

Изменение температуры термомагнитной обработки Трге слабо влияет на максимальное абсолютное значение ДЕ-эффекта, но изменяет магнитное поле его достижения Нтах. Увеличение Трге от 370° до 430°С ведёт к уменьшению Нтах во всем интервале температур последующего нагрева проволок. При Трге=470 С Нтах возрастает. Относительно высокие значения Нтах свидетельствует о высоком уровне внутренних напряжений в проволоках.

s

т, с

Рис. 9. Зависимости Нтса(Т), полученные при нагреве аморфных проволок состава РетэЗиоВ^, обработанных постоянным

электрическим током плотностью _/=36"106А/м2 и растягивающих напряжений а: ♦ -(7=0 Па; А- о=31 106 Па; ■-о=127 1 06Па; • - о=191 106 Па;

Наличие отрицательного ДЕ-эффекта подтверждает, что в приповерхностной области проволок протекают процессы поворота намагниченности. Следовательно, можно говорить о наличие в проволоках наведенной анизотропии перпендикулярной их длине.

С ростом Т в интервале от 30°С до 180°-210°С Нтах значительно уменьшается (рис. 11). При более высоких Т уменьшение Нтах менее значительно. При этом зависимость Нтах(Т) описывается функциональным соотношением:

Н^=АТ-* (Ю)

где А и р //>'=0,4 К),7) параметры, зависящие от температуры термомагнитной обработки проволоки. Если считать Нтах~ Нк, следовательно, и поле наведенной термомагнитной обработкой анизотропии в приповерхностной области проволоки уменьшается с ростом Т по степенному закону. В связи с этим, следует говорить не об изменении поля наведенной анизотропии, а об изменении эффективного поля анизотропии Нкэфф- Намагничивание ядра проволоки приводит к возникновению в приповерхностной области дополнительных напряжений, способствующих повороту намагниченности в направлении Н. При этом Нтах~Нкэфф. С некоторыми допущениями выражение для эффективного поля анизотропии Нк'фф в приповерхностной области проволоки с учетом ее магнитоупругого взаимодействия с ядром можно записать в виде:

НкФ =НК(\ + Р2 +2Рсо&гУ'2 (11)

где Р = (3 / 2)Л5ГЛ^/гЕтА /2К, У - угол между наведенной осью лёгкого

намагничивания в приповерхностной области и возникающими в ядре проволоки напряжениями. При у =90°, Нкфф возрастает с ростом величины напряжений [8]. С ростом температуры нагрева происходит ослабление магнитоупругого

взаимодействия ядра с приповерхностной областью и уменьшение Нк■ При этом Як~1/Т. В свою очередь, коэффициент Р в (11) возрастает с ростом Г за счет более значительного уменьшения знаменателя по сравнению с числителем. Противоположным действием этих факторов объясняется отличие коэффициента (3 от 1.

0,09

0,04

-0,01

-0,06

■0,15

Рис. 10. Полевые зависимости ЛЕ-эффекта аморфных проволок состава Ре7581юВ15, прошедших термомагнитную обработку при температурах ТрГе. а - Трге= 370°С, б - Трге=420°С. Нагрев образца. Температура Т. м - Т= 30°С, ▲ - Г=90°С,♦ - Г=150бС, □ - Г=210°С, А - 7=240°С.

800 700 600

2 500 <

400

х 300 200 100

Рис. 11. Зависимости Нтах(Т), полученные при нагреве проволок состава Ре758ЬоВ15, прошедших термомагнитную обработку при различных температурах ТрГе\ ♦ - 7>е=370°С; А- Трге= 39(ГС;

- 7рГе=420 С; • - ТрГе=470 С.

150 200

т, с

20 С 150°С 290°С

20 С 150°С 290°С

-1.8я

Рис. 12. Петли гистерезиса аморфных проволок состава Ре75811оВ15, прошедших термомагнитную обработку при Трге=420°С. (а) - нагрев, (б) - охлаждение.

Величина [} определяется отношением объёмов ядра и приповерхностной области проволоки, а также уровнем внутренних напряжений в этих областях.

Эти параметры варьируются в зависимости от условий термомагнитной обработки проволок.

Необработанные проволоки и проволоки, обработанные при имеют петли гистерезиса (рис.12) характерные для образцов, в которых основным механизмом перестройки доменной структуры в области слабых магнитных полей является смещение доменных границ в ядре. В более сильных магнитных полях основным механизмом намагничивания становится поворот намагниченности в приповерхностной области проволок. Вместе с тем, из-за магнитоупругого взаимодействия ядра и приповерхностной области проволоки оба механизма перестройки доменной структуры взаимосвязаны. Взаимосвязь процессов перестройки доменной структуры ядра и приповерхностной области, а также высокий уровень внутренних напряжений приводит к тому, что полученные петли гистерезиса характеризуются относительно высокой коэрцитивной силой Не и относительно низкой остаточной индукцией^-.

При всех температурах термомагнитной обработки с ростом Т наблюдается ростЗг, что свидетельствует об увеличении объёма ядра проволоки. Рост объема ядра приводит к увеличению энергии магнитоупругого взаимодействия с приповерхностной областью. Магнитоупругое взаимодействие наиболее эффективно влияет на полевые зависимости АЕ-эффекта при Н ~НСр Чем выше Не, тем в более сильных магнитных полях достигается максимальное абсолютное значение отрицательного /1£-эффекта.

С ростом Трге до 420°^450°С уровень внутренних напряжений в проволоках понижается. В результате уменьшается Нс, а также магнитное поле, при котором начинается эффективное взаимодействие ядра с приповерхностной областью проволоки. Как следствие, Umax уменьшается с ростом ~Ц,ге.

В заключение диссертации приводятся основные результаты и выводы работы, а также список цитируемой литературы (библиография).

Основные результаты

Установлено, что в лентах состава Fe67Coi0Cr3Si5BI5 при температурах термомагнитной обработки от 330°С до 410°С и последующего нагрева от 30°С до 300°С реализуется только положительный ДЕ-эффект. В свою очередь, в лентах состава Fe64Co2iBI5, прошедших термомагнитную обработку в интервале температур от 250° до 350°С, при их нагреве до 210°С наблюдается отрицательный АЕ-эффект. Различия в ходе полевых зависимостей ДЕ-эффекта аморфных металлических лент составов Fe67Co10Cr3Si5Bi5 и Fe64Co2iBi5 связаны с отсутствием выраженной наведенной одноосной анизотропии в образцах первого состава и с ее наличием в образцах второго состава.

В лентах Fe64Co2iBi5 с ростом температуры нагрева обнаружено уменьшение абсолютного максимального значения отрицательного ДЕ-эффекта и магнитного поля его достижения. Уменьшение поля наведённой одноосной анизотропии ленты состава Fe64Co2iBi5 с ростом температуры нагрева в интервале от 30°С до 210°С можно считать линейным.

В аморфных проволоках состава Fe75SiioBi5, прошедших обработку постоянным электрическим током при одновременном действии растягивающих напряжений, рост плотности электрического тока обработки приводит к переходу от отрицательного ДЕ-эффекта к положительному. Фактором, влияющим на полевые зависимости ДЕ-эффекта в исследованных проволоках, является магнитоупругое взаимодействие их ядра и приповерхностной области. Изменения полевых зависимостей ДЕ-эффекта при варьировании температуры нагрева определяется температурными изменениями отношения энергии наведенной анизотропии к энергии упругих напряжений в приповерхностной области, возникающих при намагничивании ядра проволоки.

Обнаружено, что в проволоках состава Fe75SiioB15, прошедших термомагнитную обработку, наблюдается отрицательный ДЕ-эффект, поле достижения максимального абсолютного значения которого frf.max определяется температурой обработки. Зависимость }/тах от температуры нагрева Tu подчиняется соотношению , где А и ß(ß=0A^0,l)- - параметры,

зависящие от температуры термомагнитной обработки проволок. Влияние температуры нагрева проволок на полевые зависимости ДЕ-эффекта определяется изменением поля наведенной анизотропии за счет магнитоупругого взаимодействия ядра и приповерхностной области.

Список цитируемой литературы 1. Глезер А.М. Принципы создания многофункциональных конструкционных материалов новог о поколения / A.M. Глезер // УФН. - 2012. - Т. 182. - № 5. - С. 559-566. 2 Улымжиева Э.Ц. Распределение намагниченности в пленке с винтовой анизотропией / Э.Ц. Улымжиева, А.Г. Прищепа// Сб. "ФМП " Красноярск - 1974. - С. 13-16.

3. Г'аврилюк A.A. Магнитные и магнитоупругие свойства аморфных ферромагнитных сплавов, обработанных электрическим током / A.A. Гаврилюк, А.Л. Семенов, А.Ю. Моховиков // ЖТФ. - 2006,- Т.76. - В.6. - С.64-71.

4. Hayashi N. The influence of magnetic field on the structure of domain walls in thin permalloy films /N Hayashi., E. Goto, K. Nishimoto // Jap. Journ. Appl. Phys. - 1968.-V.7. - P. 555 - 558.

5. Зубрицкий C.M. Процессы перестройки полосовой доменной структуры и модуль упругости в аморфных металлических пленках / С.М. Зубрицкий, А.Л. Петров // Физика металлов и металловедение. - 1995. - Т. 80. - В. 6. - С.47-52.

6. Wei - Hau Wu Demagnetization adjustment of the anisotropy of magnetic thin films / Wu Wei - Hau // IEEE Trans. Magn. - 1967. - V.3. -N.2-P.171 -173.

7. Gavriliuk A.A. The stability of the magnetic domains inside the core of amorphous metal wire / A.A. Gavriliuk, A.Yu. Mokhovikov, A.V. Semirov, A.L. Semenov, N.V. Turik // Journal of Non-Crystalline Solids - 2008. - V. 354. - P. 5230-5232.

8. Буравихин B.A. Влияние механических напряжений на магнитные свойства пленок. / В.А. Буравихин // Иркутск. Восточно - Сибирское книжное издательство. 1968. 160 с.

Публикации по теме диссертации Публикации в журналах из перечня ВАК РФ

1. Гаврилюк A.A. Возбуждение магнитоупругих колебаний в аморфных металлических лентах с одноосной наведенной анизотропией / A.A. Гаврилюк, AJI. Семенов, Е.А. Голыгин, Н.В. Морозова, A.B. Гаврилюк, З.Л. Ярычева, А.Р. Гафаров, А.Ю. Моховиков // Известия вузов. Физика. - 2012. - Т. 55.- № 6. -С. 62-68.

2. Гаврилюк A.A. Влияние температуры на ДЕ-эффект в аморфных металлических лентах состава Fe64Co2iB15 / A.A. Гаврилюк, А.Л. Семенов, Е.А. Голыгин, A.A. Зинченко, А.Р.

Гафаров//ФММ-2013. -Т. 114, В. 4. -С.325-328.

3. Гаврилюк A.A. Влияние температуры на ДЕ-эффект в аморфных металлических лентах Fe67CoioCr3Si5Bi5 / A.A. Гаврилюк, А.Л. Семенов, A.B. Гаврилюк, Е.А. Голыгин, А.Р. Гафаров, М.Ю. Просекин, И.Г. Просекина, Б.В. Гаврилюк, Н.В. Морозова, А.Ю. Моховиков // Материаловедение. - 2013. - В. 3. - С.13-18.

4.Семенов A.JL Влияние термоциклирования на динамические магнитные характеристики быстрозакаленных лент FeCoCrSiB и FeCoB/ А.Л. Семенов, A.A. Гаврилюк, Е.А. Голыгин, А.Р. Гафаров, Н.В. Морозова, Ю.В. Пузанков // Вестник БГУ. - 2013. - В. 3. - С. 119-123.

5. Семёнов A.JI. Влияние термомагнитной обработки на температурную стабильность динамических магнитных характеристик аморфных металлических лент / A.JI. Семёнов, A.A. Гаврилюк, A.A. Гафаров, Е.А. Голыгин, А.Ю. Моховиков, Н.В. Морозова // Известия вузов. Чёрная металлургия - 2013. - № 12. - С. 65-67.

Патент

1. Гаврилюк A.A. Датчик температуры на аморфной металлической ленте / A.A. Гаврилюк, А.Л. Семёнов, АЛО. Моховиков, Е.А. Голыгин, С.М. Зубрицкий // Патент РФ на полезную модель № 129634. - 2013.

Другие публикации

1. Ярычева З.Л. Пьезомагнитные свойства быстрозакаленных ферромагнетиков / 3.JI. Ярычева, Е.А. Голыгин, A.J1. Петров, A.A. Гаврилюк, С.М. Зубрицкий // Вестн. ИГУ. -Иркутск, 2008. - 447 С.

2. Петров А.Л. Деформационное намагничивание аморфных ферромагнитных лент на основе железа / А.Л. Петров, A.A. Гаврилюк, Е.А. Голыгин, С.Г. Федоров, З.Л. Ярычева, С.М. Зубрицкий // Вестн. ИГУ. - Иркутск, 2008. - С. 345-350.

3. Голыгин Е.А. Термостабильность ДЕ-эффекта в аморфных металлических лентах на основе железа / Е.А. Голыгин, A.A. Гаврилюк, A.B. Гаврилюк, А.Л.Семенов, АЛО.Моховиков, А.А.Зинченко, И.Л. Морозов, Н.В.Морозова, Б.В. Гаврилюк// Т. д. IV Байкальской международной конференции. Иркутск: Изд-во ИГПУ. - 2010. - 186 С.

4. Гаврилюк A.A. Термостабильность ДЕ-эффекта в аморфных металлических лентах на основе железа / A.A. Гаврилюк, A.B. Гаврилюк, А.Л. Семенов, АЛО. Моховиков, A.A. Зинченко, И.Л. Морозов, Н.В. Морозова, Б.В. Гаврилюк, А.Л. Петров, Е.А. Голыгин // Т.д. IV - Байкальской международной конференции «Магнитные Материалы. Новые технологии»: Иркутск. - Иркутск: Изд-во ГОУ ВПО «ВСГАО». 2010. - С. 174.

5. Семенов А.Л. Магнитные и магнитоупругие свойства аморфных металлических сплавов на основе железа /А.Л. Семенов, И.Л. Морозов, Е.А. Голыгин, HB. Морозова, А.Р. Гафаров, A.A. Зинченко, АЛО. Моховиков, С.М. Зубрицкий, А. В. Пельменева, АЛО. Корзун, A.A. Гаврилюк // Т.д. 9 международной конференция «Современные металлические материалы и технологию): Санкт-Петербург, 2011.

6. Semenov A.L. Automatic setup for discovering the effect of the temperature on dynamic magnetic and magnetoelastic properties of amorphous ferromagnetic alloys / A.L. Semenov, I.L. Morozov, E.A. Golygin, N.V. Morozova, A.R. Gafarov, A.A. Zinchenko, A.Yu. Mokhovikov, S.M. Zubritsky, A.V. Pelmeneva, A.Yu. Korzun, A.A. Gavriliuk // Abstract. - International Conference «Functional Materials - 2011»: Crimea, Ukraine - P. 342-343.

7. Gavriliuk A. Influence of thermocycling on ДЕ-effect in amorphous Fc67Co10Cr3Si5Bi5 ribbons / A. Gavriliuk, A. Semenov, A. Mokhovikov, E. Golygin, A. Gafarov, N. Morozova, A. Zinchenko // Joint European Magnetic Symposia: Abstracts.- Parma, Italy. -2012. - P. - Fp-21.

8. Семенов А.Л. Динамические магнитные характеристики быстрозакаленных лент FeCoCrSiB и FeCoB, прошедших термомагнитную обработку /А.Л. Семенов A.A. Гаврилюк, А.Р. Гафаров, И.Л. Морозов, Б.В.Гаврилюк, Е.А. Голыгин, А.Ю. Моховиков,

С.М. Зубрицкий, Ю.В. Пузанков // V-International Baikal Conference «Magnetic Materials. New Technologies». — Иркутск.- 2012. - С.76-77.

9. Гаврилкж A.A. Влияние температуры на ДЕ-эффекг в аморфных металлических лептах на основе железа, прошедших термомагнитную обработку / А.А. Гаврилюк, A.JI. Семенов, Е.А. Голыши, А.Р. Гафаров, А.А. Зинченко, Б. В. Гаврилюк, Н.В. Морозова, А.Ю. Моховиков // V-International Baikal Conference «Magnetic Materials. New Technologies». Иркутск.-2012. - С.150-151.

10. Голыпт E.A. Магнитоупругие свойства аморфных лент Fe67Co10Cr3Si5Bi5 /Е.А. Голыгин, А.А. Гаврилюк, A.JI. Семенов, А.Р.Гафаров, А.А. Зинченко // Сб. тр. XXII Международной конференции «Новое в магнетизме и магнитных материалах», Астрахань НМММ-2012. с. 105-107.

11. Семенов АЛ. Влияние лазерной обработки на магиитоупрутие свойства аморфных лент на основе железа / А.Л.Семенов, А.А. Гаврилюк, Е.А. Голыгин, Б.В. Гаврилюк, А.А. Зинченко // Сб. тр. XXII Международной конференции «Новое в магнетизме и магнитных материалах», НМММ-2012. 2012 г. - Астрахань. - С. 97-100.

12. Семенов A.JI. Влияние термоциклирования на динамические магнитные характеристики наноструктурированных лент FeCoCrSiB и FeCoB, прошедших термомагнитную обработку / A.JI. Семенов, А.А. Гаврилюк, А.Р. Гафаров, Н.В. Морозова, Е.А. Голыгин, А.Ю. Моховиков, Ю.В. Пузанков //Сб. тр. конф. «Наноматериалы и технологии». Улаи-Удэ, 2012. - С. 144-149.

13. Гаврилюк А.А. Влияние температуры на ДЕ-эффект в наноструктурированных металлических лентах состава Fe67CoioCr3Si5B15 / А.А.Гаврилюк, A.JI. Семенов, Е.А.Голыгин, Б.В.Гаврилюк, А.Р.Гафаров, И.Г.Просекина, А.А.Зинченко // Сб. тр. конф. «Наноматериалы и технологии». - Улан-Удэ, 2012,. - С. 186-191.

14. Гаврилюк А.А. Влияние температуры на ДЕ-эффект в наноструктурированных металлических лентах состава Fe67Co1oCr3Si5B15 // А.А. Гаврилюк, A.JI. Семенов, Е.А. Голыгин, Б.В. Гаврилюк, А.Р. Гафаров, И.Г. Просекииа, // Материалы Всероссийской молодежной школы «Актуальные проблемы физики» Таганрог. 2012, - С. 29 -34.

15. Gavriliuk А.А. Influence of the temperature on the ДЕ-effect of rapid-quenched Fe75SiioB15 wires/ A.A. Gavriliuk, E.A. Golygin, A.L. Semenov, A.Yu. Mokhovikov, AR. Gafarov, N.V. Morozova // Abstract: DICNMA. - 2013. - San Sebastian. - Spain. -P.4A-13-6

16. Semenov A. Influence of the temperature on magnetoelastic parameters of rapid-quenched Fe75SiioBi5 wires / A. Semenov, E. Golygin, A. Gavriliuk, A. Mokhovikov, A. Gafarov, N. Morozova // Abstract: V Euro-Asian Symposium Trends in MAGnetism:. - 2013.- Vladivostok. -Russia. — P.303-304.

17. Gavriliuk A Influence of the thermocycling on dynamic magnetic parameters of rapid-quenched Fe8i.5B135Si3C2 ribbons / A. Gavriliuk, E. Golygin, A. Mokhovikov, A. Gafarov, N. Morozova, A Semenov // Abstract: V Euro-Asian Symposium Trends in MAGnetism: 2013. -Vladivostok. - Russia - P. 307-308.

18. Semenov A. Magnetic and magnetoelastic properties of amorphous Fe75SiioB15 wires / A. Semenov, A Gavriliuk, A. Mokhovikov, A. Seredkin, E. Golygin, A Gafarov, N. Morozova // JEMS-2013, Rhodes, Greece. Ref. Numb. 367.1367814949.

Научное издание

ГОЛЫГИН ЕВГЕНИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА АЕ-ЭФФЕКТ В АМОРФНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВАХ НА ОСНОВЕ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

Подписано в печать 20.03.2014. Формат 60x84 1/16. Усл.-печ. л. 1,3. Тираж 150 экз. Заказ 15

Издательство ИГУ 664003, Иркутск, бул. Гагарина, 36

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет»

04201455131

Голыгин Евгений Александрович

Влияние температуры на АЕ-эффект в аморфных металлических сплавах на

основе переходных металлов

Специальность: 01.04.11. - физика магнитных явлений

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, доцент А.А. Гаврилюк

На правах рукописи

Иркутск - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение _4

Глава 1. Литературный обзор__13

§ 1.1. Влияние предварительных обработок на магнитные характеристики и

структуру аморфных металлических лент на основе железа_13

Выводы по § 1.1 _27

§ 1.2. Магнитоупругие характеристики аморфных металлических лент основе

железа_28

Выводы по § 1.2_39

§ 1.3. Магнитные и магнитоупругие свойства аморфных металлических

проволок на основе железа _40

Выводы по § 1.3_52

Глава 2. Методика проведения эксперимента и образцы _54

§2.1 Аморфные металлические ленты и методика их обработки _54

§2.2. Аморфные металлические проволоки и методика их обработки _55

§2.3. Установка для проведения термомагнитной обработки аморфных

металлических лент и проволок_56

§ 2.4. Методика измерения АЕ-эффекта магнитострикционных аморфных

металлических сплавов _58

§ 2.5. Установка для определения температурных зависимостей динамических

магнитных характеристик аморфных металлических сплавов _63

Глава 3. АЕ-эффект в аморфных металлических лентах, прошедших

предварительную обработку_66

§ 3.1 АЕ-эффект в аморфных металлических лентах состава РебуСоюО^зВ^,

прошедших термомагнитную обработку_66

§ 3.2 АЕ-эффект в аморфных металлических лентах состава Реб^Ог^з,

прошедших предварительную термомагнитную обработку_81

Выводы по главе 3_92

Глава 4. АЕ-эффект в аморфных металлических проволоках состава РеузЗ^оВ^_94

§ 4.1 Влияние температуры нагрева на АЕ-эффект проволок состава Ре7581юВ15, прошедших обработку переменным электрическим током при одновременном приложении растягивающих напряжений_95

§ 4.2 Влияние температуры нагрева на АЕ-эффект аморфных металлических

проволок состава Реу^юВ^, прошедших термомагнитную обработку_103

Выводы по главе 4 _112

Заключение_114

Список литературы_116

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Аморфные металлические сплавы являются одними из наименее изученных объектов современной физики конденсированного состояния. Аморфное состояние твёрдого тела можно определить как состояние с отсутствием корреляций расстояний между атомами на расстояниях превышающих несколько координационных сфер, при этом присутствует ближний порядок в расположении соседних атомов. Отсутствие дальнего порядка в расположении атомов приводит к реализации такой совокупности физических свойств, которую невозможно получить в твёрдом теле с кристаллической структурой (высокие механические, магнитные свойства и т.д.).

Одними из наиболее перспективных аморфных металлических сплавов, как с точки зрения их практического использования, так и с точки зрения изучения особенностей структуры аморфного конденсированного состояния, являются аморфные металлические сплавы на основе железа. Обладая высокими значениями намагниченности насыщения, константы магнитострикции, магнитной проницаемости и малыми потерями на перемагничивание, такие сплавы находят применение в различных отраслях техники, как чувствительные элементы датчиков силы, деформации, температуры, рабочие элементы магнитострикционных линий задержки, а также генераторов звуковых и ультразвуковых колебаний. Кроме того, такого рода материалы используются при создании сверхпрочных ферромагнитных структур, для многофункциональных конструкционных материалов нового поколения [1].

Основной причиной, сдерживающей самое широкое применение быстрозакаленных аморфных материалов на основе железа в современных наукоемких технологиях, является их низкая температурная стабильность, связанная с тем, что структура аморфных материалов, полученных быстрой закалкой не является равновесной. Низкая энергия активации диффузионного движения атомов делает характеристики этих сплавов чувствительными к температурным воздействиям. Предполагается, что перевод аморфного металлического сплава в состояние близкое к равновесному позволит существенно повысить температурную стабильность, его магнитных и магнитоупругих

параметров. В настоящее время существует несколько способов изменения дальнего и ближнего упорядочения атомов в аморфных материалах. Наиболее эффективные из них связаны с проведением различного рода предварительных обработок, в процессе которых осуществляется переход аморфного сплава в состояние близкое к равновесному. Следует отметить, что, несмотря на значительное число работ, посвященных исследованию влияния режимов предварительных обработок аморфных металлических сплавов на их магнитные и магнитоупругие характеристики, в настоящее время практически отсутствуют представления о влиянии условий обработки сплавов на температурную стабильность указанных параметров. Выработка таких представлений представляется весьма целесообразной как с точки зрения получения новых знаний о структуре аморфного состояния, так и с позиций практического использования аморфных металлических сплавов.

Аморфные металлические сплавы на основе железа, являются уникальными модельными объектами, позволяющими выявить взаимосвязь температурных изменений в механизмах перестройки доменной структуры с температурными изменениями магнитных и магнитоупругих параметров в ферромагнетиках. В свою очередь, именно вид и режим предварительной обработки аморфных металлических сплавов во многом определяет их доменную структуру и механизмы её перестройки под действием магнитного поля. Таким образом, можно предположить, что вариация видов и режимов предварительных обработок аморфных металлических сплавов позволит получать у них необходимую температурную чувствительность магнитных и магнитоупругих параметров.

В связи с вышеизложенным целью исследований являлось выявление закономерностей влияния температуры нагрева на ДЕ-эффект аморфных металлических сплавов на основе железа в виде лент и проволок, прошедших различные виды предварительной обработки.

Основными задачами исследований являлись: 1. Исследование влияния температуры предварительной термомагнитной обработки и температуры нагрева в цикле «нагрев-охлаждение» на полевые зависимости АЕ-эффекта аморфных металлических лент составов Ре67Со1оСгз815В15 и Ре64Со21В15.

2. Изучение влияния параметров предварительной обработки постоянным электрическим током при одновременном приложении растягивающих напряжений на температурные изменения полевых зависимостей ДЕ-эффекта аморфных металлических проволок состава Ре7581юВ15.

3. Исследование влияния температуры предварительной термомагнитной обработки и температуры нагрева в цикле «нагрев-охлаждение» на полевые зависимости ДЕ-эффекта аморфных металлических проволок состава Ре75811оВ15 в широком интервале температур.

4. Выработка представлений о влиянии температуры нагрева на полевые зависимости ДЕ-эффекта аморфных металлических лент и проволок на основе железа, прошедших предварительную обработку.

Научная новизна.

Впервые обнаружено, что в аморфной металлической ленте состава Реб7СоюСгз815В15, независимо от параметров проведённой термомагнитной обработки, реализуется только положительный ДЕ-эффект. Причиной этого является малая величина поля наведённой одноосной анизотропии исследованных лент, а также высокая степень его неоднородности

Предложен метод измерения температурной зависимости наведённой одноосной анизотропии в аморфных металлических лентах состава Ре^Сс^В^, прошедших предварительную термомагнитную обработку, по измерению их температурной зависимости поля минимума отрицательного ДЕ-эффекта.

Установлено, что представления о магнитоупругой связи между ядром и приповерхностной области проволоки позволяет адекватно объяснить влияние температуры на полевые зависимости ДЕ-эффекта аморфных металлических проволок состава Реу^юВ^, обработанных постоянным электрическим током с одновременным приложением растягивающих напряжений.

Разработаны представления, объясняющие температурное поведение поля наведенной термомагнитной обработкой анизотропии аморфных металлических проволок состава Реу^юВ^, на основе представлений о возникновении растягивающих напряжений в приповерхностной области проволоки при намагничивании её ядра.

Практическая значимость.

Результаты исследований могут быть использованы для создания прецизионных датчиков температурных изменений различных физических величин и устройств функциональной электроники, в которых чувствительными элементами являются аморфные металлические сплавы.

Проведённые исследования определяют режимы предварительных обработок таких сплавов для достижения у них оптимальной с практической точки зрения температурной чувствительности магнитоупругих характеристик. Результаты проведённых исследований вносят вклад в развитие представлений о возможности целенаправленного управления температурной стабильностью магнитных и магнитоупругих параметров аморфных металлических сплавов на основе железа при помощи вариации видов и режимов предварительной обработки.

Защищаемые положения.

1. Положительный ДЕ-эффект в аморфной металлической ленте состава Реб7Со1оСг3815В15, прошедшей термомагнитную обработку, объясняется низким значением поля наведённой одноосной анизотропии и значительной угловой дисперсией анизотропии. Следствием этого является появление «заряженных» участков доменных границ, приводящее к росту поверхностной плотности их энергии и к исчезновению отрицательного ДЕ-эффекта.

2. Уменьшение максимального абсолютного значения отрицательного ДЕ-эффекта с ростом температуры нагрева в аморфных металлических лентах состава Реб4Со21В15, прошедших термомагнитную обработку, обусловлено уменьшением поля наведённой одноосной анизотропии. Величина поля наведённой одноосной анизотропии изменяется обратно пропорционально температуре нагрева ленты, что свидетельствует об основополагающем вкладе направленного упорядочения пар атомов переходных металлов в формирование наведенной одноосной анизотропии.

3. Значения плотности постоянного электрического тока обработки и приложенных одновременно растягивающих напряжений в процессе обработки аморфных металлических проволок состава РеузБ^оВ^ определяют энергию их магнитоупругого взаимодействия. При этом характер полевой зависимости ДЕ-эффекта при разных температурах нагрева проволок определяется ходом температурной зависимости отношения энергии наведённой в процессе

предварительной обработки анизотропии к энергии упругих напряжений, действующих на приповерхностную область проволоки со стороны ядра за счёт магнитоупругого взаимодействия.

4. Магнитное поле Нтах, при котором достигается максимальное абсолютное значение отрицательного АЕ-эффекта в аморфных металлических проволоках состава Fe75SiioB15, определяется температурой их термомагнитной обработки. Величина Нтах уменьшается с ростом температуры нагрева Т проволок согласно функциональной зависимости Hmm=AT~p, где коэффициенты /?=0,4-Ю,7 и А определяются отношением энергии магнитоупругого взаимодействия ядра и приповерхностной области проволоки к энергии наведённой анизотропии.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

• Всероссийской Байкальской конференции студентов, аспирантов и молодых учёных по наноструктурным материалам (г. Иркутск, ИГУ, 2009 г.);

• Международной научной конференции «Релаксационные явления в твёрдых телах» (г. Воронеж, ВГТУ, 2010 г.);

• XI Всероссийской молодёжной школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества, (г. Екатеринбург, УрО РАН, 2010 г.);

• IV-V международной Байкальской конференции «Магнитные материалы. Новые технологии» (г. Иркутск, ВСГАО, ИГУ, 2010, 2012 г.);

• Десятой региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование» (г. Владивосток, 2011 г.);

• International conference «Functional Materials - 2011» (Украина, г. Крым, 2011 г.)

• 9-ой международной научно-технической конференции «Современные Металлические материалы и Технологии (СММТ 11) (г. Санкт-Петербург, г.

2011 г.)

• Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Наноматериалы и технологии-IV» (г. Улан-Удэ, БГУ, 2012 г.);

• Восемнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных ВНКСФ - 18 (г. Красноярск, До РАН, ДФУ, 2012 г.);

• 3rd European Workshop on "Self-Organized Nanomagnets" (Испания, г. Мадрид,

2012 г.)

• XXII международной конференции «Новое в магнетизме и магнитных материалах» (НМММ-22) (г. Астрахань, АГУ, 2012 г.)

• V Euro-Asian Symposium Trends in MAGnetism: Nanomagnetism (15th - 21st September 2013, Russky Island, Vladivostok, Russia)

• Joint European Magnetic Symposia (JEMS-2013) (25-30 August 2013, Rhodes, Greece).

• Donostia International Conference on Nanoscaled Magnetism and Applications (DICNMA) (9th- 13th September, 2013, San Sebastian, Spain).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 22 работы, из которых 5 работ опубликованы в реферируемых журналах из перечня ВАК РФ и патент РФ. Личный вклад автора.

Автор работы принимал непосредственное участие в постановке задач по теме исследований, создании приставки для термомагнитной обработки аморфных металлических сплавов в виде лент. Большинство экспериментальных результатов, представленных в работе, получены лично автором. Автор принимал участие в теоретической интерпретации полученных результатов, разработке модельных представлений, а также, в написании и редактировании научных публикаций. Структура и объем диссертации.

Диссертация изложена на 134 печатных страницах, содержит 40 рисунков. Библиография включает 180 наименований. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, заключения и списка литературы. Краткое содержание диссертации.

Во введении дано обоснование актуальности выбранной темы исследований. Сформулированы цели и задачи исследований, показаны новизна, практическая значимость полученных результатов и сведения об апробации работы, приведены защищаемые положения, кратко изложено содержание работы.

В 1-й главе проведён литературный обзор работ по исследованию доменной структуры и процессов её перестройки под действием магнитного поля аморфных металлических лент на основе железа. Рассмотрено влияние различного рода предварительных обработок аморфных металлических лент на их структуру и магнитные параметры. Приведены результаты исследований магнитоупругих

характеристик аморфных металлических лент на основе переходных металлов. Проведён анализ модели взаимосвязи процессов перестройки доменной структуры с магнитоупругими характеристиками аморфных металлических лент с наведённой одноосной анизотропией. Анализируется влияние процессов структурной релаксации и кристаллизации в аморфных металлических сплавах на их магнитные свойства. Отдельный параграф посвящён анализу результатов исследований магнитных и магнитоупругих свойств аморфных металлических проволок на основе железа. В параграфе приведены данные о влиянии геометрических параметров проволок, прикладываемых упругих напряжений, температуры нагрева и т.д. на магнитные характеристики проволок. Рассматриваются особенности доменной структуры и процессы её перестройки под действием магнитного поля. Анализируется модель магнитоупругой связи между ядром и приповерхностной областью проволоки.

Во 2-й главе приведены сведения об исследуемых в работе аморфных металлических лентах и проволоках. Описаны используемые методы и режимы предварительных обработок исследуемых образцов. Даётся описание установки для проведения термомагнитной обработки аморфных металлических лент и проволок, а также экспериментальных установок, используемых для определения температурных зависимостей, ДЕ-эффекта и динамических магнитных характеристик исследуемых образцов.

Глава 3 посвящена экспериментальным исследованиям температурных зависимостей магнитных и магнитоупругих свойств аморфных металлических лент на основе переходных металлов, прошедших разные виды предварительной обработки.

В параграфе 3.1 представлены результаты исследования влияния температуры предварительной термомагнитной обработки и температуры последующего нагрева на зависимости величины ДЕ-эффекта от внешнего магнитного поля аморфных металлических лент состава Ре67Со1оСгз815В15. Для подтверждения выдвинутых предположений приведены полевые зависимости ДЕ-эффекта аморфных металлических лент с