Магнитомеханические эффекты в аморфных лентах, полученных быстрой закалкой из расплава

Впервые исследовано влияние на микротвёрдость аморфных лент различного состава длительности их выдержки в постоянном магнитном поле (МП) напряженностью 0,17 Т на воздухе при комнатной температуре. Установлена немонотонная зависимость микротвердости от длительности выдержки образцов аморфных металлич...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2007
Hauptverfasser:	Васильев, М.А., Галстян, Г.Г.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2007
Schriftenreihe:	Успехи физики металлов
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/125791
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Магнитомеханические эффекты в аморфных лентах, полученных быстрой закалкой из расплава / М.А. Васильев, Г.Г. Галстян // Успехи физики металлов. — 2007. — Т. 8, № 4. — С. 279-294. — Бібліогр.: 29 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-125791
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1257912025-02-23T18:56:39Z Магнитомеханические эффекты в аморфных лентах, полученных быстрой закалкой из расплава Магнетомеханічні ефекти в аморфних стрічках, одержаних швидкою закалкою із розтопу Magnetomechanical Effects in the Amorphous Bands Fabricated by Rapid Quenching from a Smelt Васильев, М.А. Галстян, Г.Г. Впервые исследовано влияние на микротвёрдость аморфных лент различного состава длительности их выдержки в постоянном магнитном поле (МП) напряженностью 0,17 Т на воздухе при комнатной температуре. Установлена немонотонная зависимость микротвердости от длительности выдержки образцов аморфных металлических сплавов (АМС) в МП. Эта особенность проявляется как для магнитных, так и немагнитных АМС. Длительная экспозиция в МП приводит к эффекту упрочнения. На основании проведенных исследований сделано предположение о том, что природа обнаруженного магнитомеханического эффекта связана с переходом аморфного сплава под воздействием МП в новое структурное состояние с иными параметрами ближнего порядка и уровнем внутренних напряжений. Вперше досліджено вплив на мікротвердість аморфних стрічок ріжного складу тривалости витримки їх у постійнім магнетнім полі (МП) напруженістю 0,17 Т у повітрі за кімнатної температури. Встановлено немонотонну залежність мікротвердости від тривалости витримки зразків аморфних металевих стопів (АМС) у МП. Ця особливість проявляється як для магнетних, так і немагнетних АМС. Тривала експозиція в МП призводить до ефекту зміцнення. На основі виконаних досліджень зроблено припущення про те, що природа виявленого магнетомеханічного ефекту пов’язана з переходом аморфного стопу під впливом МП у новий структурний стан з іншими параметрами близького порядку та рівнем внутрішніх напружень. Impact of duration of holding of various-composition amorphous ribbons within the 0.17 T magnetic field (MF) on their microhardness is investigated for the first time. Ribbons are held in the air at room temperature. Non-monotonic dependence of microhardness on holding duration in MF for samples of amorphous metal alloys (AMA) is revealed. Such a feature manifests itself for both magnetic and non-magnetic AMA. Long-term holding in MF results in strengthening of AMA. As suggested, the detected magneto-mechanical effect is caused by transition of the amorphous alloy under MF action into a new structural state with different short-range order parameters and level of internal stresses. Авторы выражают благодарность В. В. Маслову и В. К. Носенко за предоставление образцов аморфных лент, а также О. А. Мищуку за проведение химического анализа. 2007 Article Магнитомеханические эффекты в аморфных лентах, полученных быстрой закалкой из расплава / М.А. Васильев, Г.Г. Галстян // Успехи физики металлов. — 2007. — Т. 8, № 4. — С. 279-294. — Бібліогр.: 29 назв. — рос. 1608-1021 PACS: 61.43.Dq, 62.20.Qp, 62.40.+i, 68.60.Bs, 75.80.+q, 81.40.Ef, 81.40.Rs DOI: https://doi.org/10.15407/ufm.08.04.279 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/125791 ru Успехи физики металлов application/pdf Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Впервые исследовано влияние на микротвёрдость аморфных лент различного состава длительности их выдержки в постоянном магнитном поле (МП) напряженностью 0,17 Т на воздухе при комнатной температуре. Установлена немонотонная зависимость микротвердости от длительности выдержки образцов аморфных металлических сплавов (АМС) в МП. Эта особенность проявляется как для магнитных, так и немагнитных АМС. Длительная экспозиция в МП приводит к эффекту упрочнения. На основании проведенных исследований сделано предположение о том, что природа обнаруженного магнитомеханического эффекта связана с переходом аморфного сплава под воздействием МП в новое структурное состояние с иными параметрами ближнего порядка и уровнем внутренних напряжений.
format	Article
author	Васильев, М.А. Галстян, Г.Г.
spellingShingle	Васильев, М.А. Галстян, Г.Г. Магнитомеханические эффекты в аморфных лентах, полученных быстрой закалкой из расплава Успехи физики металлов
author_facet	Васильев, М.А. Галстян, Г.Г.
author_sort	Васильев, М.А.
title	Магнитомеханические эффекты в аморфных лентах, полученных быстрой закалкой из расплава
title_short	Магнитомеханические эффекты в аморфных лентах, полученных быстрой закалкой из расплава
title_full	Магнитомеханические эффекты в аморфных лентах, полученных быстрой закалкой из расплава
title_fullStr	Магнитомеханические эффекты в аморфных лентах, полученных быстрой закалкой из расплава
title_full_unstemmed	Магнитомеханические эффекты в аморфных лентах, полученных быстрой закалкой из расплава
title_sort	магнитомеханические эффекты в аморфных лентах, полученных быстрой закалкой из расплава
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate	2007
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/125791
citation_txt	Магнитомеханические эффекты в аморфных лентах, полученных быстрой закалкой из расплава / М.А. Васильев, Г.Г. Галстян // Успехи физики металлов. — 2007. — Т. 8, № 4. — С. 279-294. — Бібліогр.: 29 назв. — рос.
series	Успехи физики металлов
work_keys_str_mv	AT vasilʹevma magnitomehaničeskieéffektyvamorfnyhlentahpolučennyhbystrojzakalkojizrasplava AT galstângg magnitomehaničeskieéffektyvamorfnyhlentahpolučennyhbystrojzakalkojizrasplava AT vasilʹevma magnetomehaníčníefektivamorfnihstríčkahoderžanihšvidkoûzakalkoûízroztopu AT galstângg magnetomehaníčníefektivamorfnihstríčkahoderžanihšvidkoûzakalkoûízroztopu AT vasilʹevma magnetomechanicaleffectsintheamorphousbandsfabricatedbyrapidquenchingfromasmelt AT galstângg magnetomechanicaleffectsintheamorphousbandsfabricatedbyrapidquenchingfromasmelt
first_indexed	2025-11-24T12:28:52Z
last_indexed	2025-11-24T12:28:52Z
_version_	1849674780754575360
fulltext	279 PACS numbers: 61.43.Dq, 62.20.Qp, 62.40.+i, 68.60.Bs, 75.80.+q, 81.40.Ef, 81.40.Rs Магнитомеханические эффекты в аморфных лентах, полученных быстрой закалкой из расплава М. А. Васильев, Г. Г. Галстян Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины, бульв. Акад. Вернадского, 36, 03680, ГСП, Киев-142, Украина Впервые исследовано влияние на микротвердость аморфных лент различ- ного состава длительности их выдержки в постоянном магнитном поле (МП) напряженностью 0,17 Т на воздухе при комнатной температуре. Ус- тановлена немонотонная зависимость микротвердости от длительности выдержки образцов аморфных металлических сплавов (АМС) в МП. Эта особенность проявляется как для магнитных, так и немагнитных АМС. Длительная экспозиция в МП приводит к эффекту упрочнения. На осно- вании проведенных исследований сделано предположение о том, что при- рода обнаруженного магнитомеханического эффекта связана с переходом аморфного сплава под воздействием МП в новое структурное состояние с иными параметрами ближнего порядка и уровнем внутренних напряже- ний. Вперше досліджено вплив на мікротвердість аморфних стрічок ріжного складу тривалости витримки їх у постійнім магнетнім полі (МП) напру- женістю 0,17 Т у повітрі за кімнатної температури. Встановлено немоно- тонну залежність мікротвердости від тривалости витримки зразків амор- фних металевих стопів (АМС) у МП. Ця особливість проявляється як для магнетних, так і немагнетних АМС. Тривала експозиція в МП призводить до ефекту зміцнення. На основі виконаних досліджень зроблено припу- щення про те, що природа виявленого магнетомеханічного ефекту пов’язана з переходом аморфного стопу під впливом МП у новий структу- рний стан з іншими параметрами близького порядку та рівнем внутріш- ніх напружень. Impact of duration of holding of various-composition amorphous ribbons within the 0.17 T magnetic field (MF) on their microhardness is investigated for the first time. Ribbons are held in the air at room temperature. Non- monotonic dependence of microhardness on holding duration in MF for sam- ples of amorphous metal alloys (AMA) is revealed. Such a feature manifests itself for both magnetic and non-magnetic AMA. Long-term holding in MF Успехи физ. мет. / Usp. Fiz. Met. 2007, т. 8, сс. 279–294 Îòòèñêè äîñòóïíû íåïîñðåäñòâåííî îò èçäàòåëÿ Ôîòîêîïèðîâàíèå ðàçðåøåíî òîëüêî â ñîîòâåòñòâèè ñ ëèöåíçèåé 2007 ÈÌÔ (Èíñòèòóò ìåòàëëîôèçèêè èì. Ã. Â. Êóðäþìîâà ÍÀÍ Óêðàèíû) Íàïå÷àòàíî â Óêðàèíå. 280 М. А. ВАСИЛЬЕВ, Г. Г. ГАЛСТЯН results in strengthening of AMA. As suggested, the detected magneto- mechanical effect is caused by transition of the amorphous alloy under MF action into a new structural state with different short-range order parame- ters and level of internal stresses. Ключевые слова: аморфные металлические сплавы, постоянное магнит- ное поле, микротвердость, магнитомеханический эффект. (Получено 1 декабря 2007 г.) 1. ВВЕДЕНИЕ Известно, что сильное (более нескольких Тесла) магнитное поле (МП) является дополнительным термодинамическим фактором, который наряду с температурой и давлением влияет на кинетику и механизм структурно-фазовых изменений в магнитных и немаг- нитных материалах [1]. Такие поля являются эффективным сред- ством управления структурой, а, следовательно, и функциональ- ными свойствами магнитных материалов (термомагнитная обра- ботка). Новый всплеск интереса к магнитной обработке связан с откры- тием так называемого «магнитопластического эффекта», который проявляется при непосредственном воздействии слабого ( 1 T) по- стоянного или переменного МП [2, 3]. В данных работах впервые установлен эффект повышения пластичности при испытании на растяжение ферромагнитных металлов, находящихся при комнат- ной температуре в присутствии слабого МП. Дальнейшее изучение этого эффекта на широком круге кристаллических магнитных и немагнитных материалов показало более сложный характер влия- ния слабых МП на механические свойства материалов, как в про- цессе непосредственного воздействия МП, так и после его отключе- ния («магнитная память»). В широком температурном интервале и при разных скоростях и видах деформаций в присутствии МП или после его воздействия может изменяться не только величина маг- нитопластического эффекта, но и его знак [4]. В связи с этим сово- купность изменений механических свойств в результате воздейст- вия слабого МП стали называть «магнитомеханическим эффектом» (ММЭ). Практически все разнообразие наблюдаемых физических закономерностей, характеризующих ММЭ в неметаллических и ме- таллических материалах, находит свое объяснение в рамках кон- цепции спин-зависимых электронных переходов в слабом МП (см. обзоры [5–7]). Согласно этой концепции, МП приводит к эволюции спинового состояния в системе дислокация–парамагнитный центр (дефект) либо дислокация–магнитный домен. В случае бездислока- ционных материалов магнитомеханические эффекты связывают с МАГНИТОМЕХАНИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В АМОРФНЫХ ЛЕНТАХ 281 распадом квазимолекул или преципитатов под действием МП. Та- ким образом, при воздействии слабых магнитных полей, для кото- рых выполняется условие BB  kBТ (где B — магнетон Бора, В — индукция МП, kB — постоянная Больцмана и Т — температура), магнитная энергия не вносит вклад в термодинамическое состояние материала, как это имеет место в случае сильных магнитных полей. Однако возникает еще много вопросов, касающихся физической природы ММЭ, в частности, особенности его проявления в материа- лах, находящихся в аморфном состоянии, для которого характерно отсутствие структурных дефектов типа дислокаций. Известно только несколько работ по исследованию влияния слабых МП на структуру и свойства аморфных металлических сплавов (АМС). Например, авторы [8] установили замедление скорости формирова- ния кристаллических фаз Ni и Ni3P при отжиге аморфного сплава Ni80P20 в диапазоне 550–590С в присутствии постоянного МП на- пряженностью 418 кА/м. В работе [9] для АМС Fe83B12Si5 отмечено ускорение процесса кристаллизации в МП напряженностью 2,4 кА/м. Авторы полагают, что рост кристаллов -(Fe,Si) — диффузи- онноконтролируемый процесс, который происходит за счет аморф- ной фазы путем медленной миграции межфазной границы при диффузии через нее атомов бора. Таким образом, результаты раз- личных работ показывают, что влияние МП на процессы кристал- лизации в АМС зависит от состава сплава, и проявление эффекта влияния МП на них может быть разным. В работе [10] впервые изу- чено влияние слабого МП (125 Э) на релаксацию напряжений, крип и износ на примере ленты (100 мкм) из аморфного сплава Metglas 2826 MB (Fe40Ni38B18Mo4). Установлен эффект роста низкотемпера- турного крипа под влиянием МП. Таким образом, можно предполагать, что МП, также как и любые дестабилизирующие воздействия (температура, давление, облуче- ние, ультразвук), способно вызвать обратимое и необратимое изме- нение топологического и композиционного ближнего порядка и, соответственно, повлиять на физические свойства неупорядоченно- го состояния, в частности, на существенное изменение макроскопи- ческой пластичности [11]. Актуальность этой проблемы обусловле- на также и тем, что многие электротехнические изделия на основе магнитомягких АМС работают в условиях длительного воздействия магнитных полей различной напряженности. Для практического использования АМС очень важно иметь данные о стабильности их магнитных свойств с течением времени при конкретных темпера- турах, чаще всего в климатическом интервале температур. Малая толщина ленты, характерная для АМС, которые получены закалкой из жидкого состояния, существенно затрудняют исследо- вание механических свойств традиционными методами испытаний (на растяжение, сжатие, изгиб). В этих условиях большое значение 282 М. А. ВАСИЛЬЕВ, Г. Г. ГАЛСТЯН приобретает метод измерения микротвердости HV. В литературе имеется ряд работ, посвященных измерению микротвердости лент из аморфных сплавов [12, 13]. В основном в них исследовано влия- ние нагрузки, толщины ленты и температуры отжига на HV при комнатной температуре. В настоящей работе впервые исследовано влияние длительности выдержки в постоянном МП напряженностью 0,17 Т на микротвер- дость аморфных лент различного состава. Эксперименты выполне- ны на воздухе при комнатной температуре. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА В работе исследовались аморфные сплавы Fe71.8Si17.3B6.4Cu1.0Nb1.95Co1.55 (FM12), Fe77Si8B15 (MG10) и Al87Ni8Y5 (В112) в виде лент толщиной 25–30 мкм и шириной 15–20 мм, полученных методом закалки из расплава на вращающийся медный барабан со скоростью охлажде- ния  106 К с 1 (методом спиннингования) [14]. Аморфное состояние сплавов контролировалось с помощью рентгеноструктурного ана- лиза, просвечивающей электронной микроскопии и микродифрак- ции. Согласно результатам структурных анализов, ленты в состоя- нии поставки и после длительной выдержки на воздухе были аморфными («рентгеноаморфными»). Перед воздействием МП ленты находились на воздухе в течение нескольких лет, что обеспечивало существенную релаксацию ос- новных термических напряжений, существующих, как известно, в свежезакаленных аморфных лентах. Для обработки в МП аморфная лента помещалась в зазор между двумя пластинами постоянных магнитов, обеспечивающих равно- мерную напряженность поля (0,17 Т) в месте расположения экспе- риментального образца. После выдержки в магнитном поле в тече- ние заданного времени производилось измерение микротвердости (10–15 мин), затем образец снова помещался в МП для дальнейшей выдержки. Количественной мерой ММЭ в настоящей работе была величина микротвердости. Микротвердость HV измерялась на приборе ПМТ-3 при нагрузке на индентор Виккерса р  70–100 г. Выбор величины р определялся необходимостью исключения влияния подложки, для чего должно выполняться требование hl  10, где l — глубина отпе- чатка, и условием обеспечения достаточной чувствительности мик- ротвердости к магнитному воздействию. Оптимальное время вы- держки под нагрузкой составляло 10 с. При каждом режиме на- гружения наносили не менее 8–10 отпечатков, по усредненным значениям диагоналей которых рассчитывали микротвердость по стандартной методике. Погрешность измерений не превышала 5%. Индентирование выполняли на свободной (блестящей) стороне лен- МАГНИТОМЕХАНИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В АМОРФНЫХ ЛЕНТАХ 283 ты, то есть не соприкасавшейся с вращающимся барабаном при ее получении. Тестирование микротвердости во всех сериях измере- ний производилось на воздухе при комнатной температуре. Изменение химического состава поверхности аморфных лент по- сле воздействия МП исследовали с помощью электронного оже- спектрометра JAMP-10S. Для измерения энергии оже-электронов использовался энергоанализатор типа цилиндрического зеркала с разрешением по энергии EE  0,5%. Параметры первичного элек- тронного пучка: энергия 5 кэВ, ток пучка 210–6 A, диаметр пучка 50 мкм, напряжение модуляции на энергоанализаторе 4 В. Количе- ственный анализ концентраций основных компонентов сплава и примесных атомов производился в соответствии с атласом стан- дартных оже-спектров и коэффициентов элементной чувствитель- ности. Относительные концентрации элементов (Ci) в атомных про- центах определялись по известной формуле: Ci  (100Ii/gi)/ ( Ii gi), где Ii — интенсивность оже-пика i-го элемента, gi — фактор относи- тельной чувствительности i-го элемента. Программа позволяла производить автоматический расчет концентраций по полному оже-спектру одновременно до 10 химических элементов. ОБСУЖДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ В настоящей работе впервые проведены систематические измере- ния микротвердости HV магнитных и немагнитных аморфных сплавов, выдержанных определенное время () в слабом постоянном МП напряженностью 0,17 Т. На рисунках 1, 2, 3 приведены вре- менные зависимости относительного изменения микротвердости HV()HV0 в результате магнитного воздействия для аморфных лент FM12, MG10 и B112, соответственно. Здесь величина HV   HV – HV0, где значения HV0 соответствуют контрольному образцу (без приложения МП), изменения во времени для которого приве- дены на рис. 1 (кривая 1). Из приведенных результатов видно, что все временные эффекты воздействия МП существенно превышают экспериментальный раз- брос значений микротвердости, измеряемой на контрольных образ- цах для выбранных времен выдержки в МП. Этот разброс обуслов- лен, с одной стороны, стандартными погрешностями измерений, а с другой — структурной неоднородностью аморфных лент, в частно- сти, наличием микро- и макродефектов. Анализируя приведенные кривые HV()HV0, можно выделить, во-первых, некоторые общие закономерности влияния МП на мик- ротвердость для всех трех сплавов. Особого внимания заслуживает 284 М. А. ВАСИЛЬЕВ, Г. Г. ГАЛСТЯН анализ изменений разброса значений твердости при разных време- нах выдержки в МП для всех типов исследованных аморфных спла- вов. Из приведенных рисунков видно, что экспозиция образцов в МП во всех случаях приводит к немонотонному (с осцилляциями и изломами) характеру изменения микротвердости в зависимости от времени выдержки в МП. Данные, полученные на нескольких од- нотипных образцах, показали надежную воспроизводимость на- блюдаемых магнитомеханических эффектов. При этом видно, что на величину ММЭ влияет как состав сплава, так и время пребыва- ния образцов в МП. Наиболее радикальные изменения ММЭ обнаружены на аморф- ном сплаве FM12 (типа FINEMET), который, как известно, являет- ся аморфным прекурсором нанокристаллической структуры (после отжига), характеризующейся высокими магнитомягкими свойст- вами. Например, эффект повышения пластичности (магнитопла- стический эффект), наблюдаемый после 10 суток выдержки этого сплава в МП, достигает 15%, а эффект упрочнения (магнитоупроч- няющий эффект) после 90 суток составляет приблизительно 14%. Таким образом, в данном сплаве происходит изменение знака ММЭ в зависимости от времени пребывания в МП. В диапазоне выдержки в МП 0–30 суток имеет место магнитопластический эффект, тогда как при больших временах вплоть до максимальной экспозиции в МП (91 сутки) проявляется магнитоупрочняющий эффект. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20  H V H V 0 , % Âðåìÿ, ñóòêè FM-12 1 2 2 Рис. 1. Зависимость микротвердости от времени выдержки в МП: 1 — кон- трольный образец, 2 — сплав Fe71.8Si17.3B6.4Cu1.0Nb1.95Co1.55 (FM12). МАГНИТОМЕХАНИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В АМОРФНЫХ ЛЕНТАХ 285 Для тройного аморфного сплава MG10, который служит компо- зиционной основой для создания сплавов типа FINEMET, эффект пластификации наблюдается при меньшей экспозиции в МП (двое суток), но его величина имеет также высокое значение (14%). Как и в первом случае, после разупрочнения (  2–18 суток) в сплаве MG10 (рис. 2) обнаруживается последующий эффект упрочнения, однако, величина микротвердости не достигает исходного значе- ния, типичного для контрольного образца. То есть, для данного сплава характерен только магнитопластический эффект в пределах 0–18%. Аналогичное поведение микротвердости имеет место и в случае немагнитного аморфного сплава В112 на основе Al (рис. 3), однако величина ММЭ оказывается существенно ниже по сравне- нию с ферромагнитными аморфными сплавами. В диапазоне вре- мен выдержки 40–70 суток величина микротвердости сплава В112 приближается к исходному значению для контрольного образца. Таким образом, общей закономерностью для всех трех аморфных сплавов является факт повышения пластичности на начальных этапах выдержки в МП и последующего упрочнения после даль- нейшей магнитной обработки. Однако величина этих эффектов за- висит от длительности воздействия МП и типа аморфного сплава. Другая общая особенность на зависимостях HV()HV0 для всех исследованных материалов заключается в том, что временные кри- 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2  H V H V 0 , % Âðåìÿ âûäåðæêè â ÌÏ, ñóòêè MG10 Рис. 2. Зависимость микротвердости от времени выдержки в МП для аморфного сплава Fe77Si8B15 (MG10). 286 М. А. ВАСИЛЬЕВ, Г. Г. ГАЛСТЯН вые носят «зигзагообразный» характер. То есть, в аморфном мате- риале во всем временном диапазоне с разной интенсивностью по- следовательно реализуются два процесса, индуцированные МП, — пластификация и упрочнение. На рисунке 4 приведены временные зависимости изменения со- става поверхности аморфного сплава на основе железа типа FINEMET, после выдержки образцов в МП, полученные методом оже-электронной спектроскопии. Отмечается также немонотонный характер изменения поверхностной концентрации таких элемен- тов, как Fe, Si, B, Nb и O, в зависимости от экспозиции образцов в МП. Наблюдается рост количества атомов всех указанных элемен- тов, кроме Fe, с увеличением длительности воздействия МП. Наи- больший эффект роста концентрации соответствует бору. В началь- ный период выдержки в МП (до 10 суток) концентрация всех эле- ментов, кроме Si, падает. Методами рентгеноструктурного анализа и просвечивающей электронной микроскопии установлено, что образцы исследован- ных АМС после воздействия МП сохраняются в аморфном состоя- нии. Перед тем, как сделать предположения о причинах проявления ММЭ в аморфных сплавах, исследованных в настоящей работе, рас- смотрим основные физические аспекты ММЭ, представленные в ли- тературе применительно к кристаллическим материалам. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2  H V H V 0 , % Âðåìÿ âûäåðæêè â ÌÏ, ñóòêè B112 Рис. 3. Зависимость микротвердости от времени выдержки в МП для аморфного сплава Al87Ni8Y5 (B112). МАГНИТОМЕХАНИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В АМОРФНЫХ ЛЕНТАХ 287 К настоящему времени можно считать надежно установленным существование ММЭ в разнообразных материалах, в частности, в ионных, ковалентных, ионно-ковалентных и молекулярных кри- сталлах, содержащих дислокации и разнообразные точечные де- фекты. Практически все разнообразие наблюдаемых физических закономерностей, характеризующих данное явление в неметалли- ческих материалах, нашло свое объяснение в рамках концепции спин-зависимых электронных переходов в слабом внешнем МП [4– 7]. Согласно этим моделям, МП приводит к эволюции спинового со- стояния в системе дислокация–парамагнитный центр (точечный дефект или примесный атом), которая обуславливает снятие спино- вого запрета на определенные электронные переходы. Последние радикально меняют конфигурацию системы, приводя, в частности, к откреплению дислокаций от точечных дефектов либо к формиро- ванию новых стопоров, что и изменяет динамику дислокаций, а, следовательно, и механические свойства материала. В работах [15, 16], установлено наличие ММЭ при измерении микротвердости в монокристаллическом кремнии, не содержащем дислокации. Среди возможных механизмов действия слабого МП 0 20 40 60 80 100 120 140 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Ê î í ö å í ò ð à ö è ÿ , à ò .% Âðåìÿ âûäåðæêè â ÌÏ, ñóòêè Fe Si B Nb O Рис. 4. Изменение состава поверхностного слоя сплава FINEMET от време- ни выдержки в МП. 288 М. А. ВАСИЛЬЕВ, Г. Г. ГАЛСТЯН на дефектную структуру бездислокационных кристаллов особое внимание уделяется разработанной сначала в спиновой химии тео- рии спин-зависимых реакций между частицами с неспаренными электронами. Основываясь на этих модельных представлениях, ав- торы [15, 16] допускают, что стимулированные МП спин-зависимые процессы приводят к разрыву химических связей в кислородных квазимолекулах типа Si–O или в преципитатах. При этом, благода- ря магнитной диффузионной неустойчивости, возможно протека- ние междефектных реакций, в результате которых формируются точечные дефекты типа кислород–вакансия. Как следствие этих реакций, в приповерхностных слоях кремния снижается количест- во вакансий и, соответственно, компенсируются напряжения сжа- тия, обусловленные процессами возникновения и движения вакан- сий. Изменение уровня напряжений сжатия в приповерхностных слоях образцов после МП приводит, в частности, к уменьшению микротвердости. В обзоре [4] представлено достаточное количество эксперимен- тальных результатов, подтверждающих существование ММЭ также и в металлических материалах, как магнитных, так и немагнит- ных. Надежно установлено, что слабое МП влияет на изменение на- пряжения течения и скорости ползучести всех исследованных маг- нитных и немагнитных поликристаллических металлов и сплавов. Анализ выполненных работ по исследованию ММЭ показал, что на- личие, интенсивность и знак эффекта зависят от конкретных усло- вий эксперимента, таких как тип материала и его предыстория, в том числе характер и количество примесей, структурно-фазовое со- стояние, напряженность и частота МП, температура и режимы ис- пытания в области пластического течения и др. Изучение макро- скопических пластических свойств различных металлических ма- териалов показало, что магнитное воздействие может привести как к эффекту разупрочнения, так и к упрочнению. Существуют мо- дельные представления о физических механизмах влияния слабого МП на характер пластической деформации, обусловленный изме- нением динамики дислокаций и доменных стенок в магнитных ма- териалах. Таким образом, в физических моделях влияния слабого МП на кристаллические твердые тела предлагается интерпретация изме- нений свойств материалов с учетом спиновой динамики сложных многостадийных процессов, которые инициируются магнитным полем в системе метастабильных структурных дефектов, сущест- вующих как в магнитных, так и в немагнитных материалах. В связи с этим рассмотрим возможность реализации указанных физических подходов применительно к аморфным металлическим сплавам (АМС). Следует подчеркнуть, что в АМС отсутствуют такие типичные МАГНИТОМЕХАНИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В АМОРФНЫХ ЛЕНТАХ 289 для кристаллических материалов структурные дефекты, как дис- локации. Метастабильное состояние АМС обусловлено наличием в них других специфических структурных дефектов на атомном уровне, к которым можно отнести следующие [17, 18]: локальный химический и топологический ближний порядок с характерным параметром корреляции 1,5–2 нм, структурно-обусловленный и избыточный свободный объем, ассоциаты (кластеры), представ- ляющие собой локальные конфигурации атомов металла с атомами металлоидов (по типу фосфидов, боридов, силицидов и т.д.), мик- ропоры, образующиеся в процессе закалки из расплава, области с измененной концентрацией атомов в приповерхностных областях, а также внутренние напряжения, возникающие как в процессе по- лучения аморфных лент, так и в результате различных внешних воздействий. В магнитных АМС, кроме того, следует отметить при- сутствие разнообразных магнитных доменов и доменных стенок, которые в кристаллических материалах являются активными сто- порами дислокаций и точечных дефектов, в том числе примесных атомов [4]. Большое влияние на свойства магнитных АМС оказы- вают также магнитострикционные эффекты. По мнению многих авторов, избыточный свободный объем (в виде порообразных микронесплошностей), являющийся наиболее мо- бильной составляющей частью свободного объема, может быть от- ветственным за структурные перестройки и изменения физико- механических свойств АМС в процессе низкотемпературной струк- турной релаксации и, возможно, на ранней стадии кристаллиза- ции. При отжиге ниже температуры стеклования плотность АМС повышается приблизительно на 0,5%. Эту величину и относят к из- быточному свободному объему. Установлено, что неравномерное распределение свободного объема приводит к флуктуациям плотно- сти и образованию источников внутренних напряжений (порядка 15106 Н/м2) [19]. При формировании и аннигиляции свободного объема имеют место атомные перемещения, приводящие к измене- ниям межатомного расстояния между ближайшими соседями, а также среднего топологического и химического порядка [17, 18]. Как известно, области с повышенным содержанием свободного объ- ема являются менее прочными. Эти «ослабленные зоны» и являют- ся источниками локального пластического течения. Конденсация свободного объема в поры в зонах растяжения снижает атомную подвижность, а в зонах сжатия повышает ее. Поэтому именно в зо- нах сжатия происходит упрочнение материала [20]. С учетом отмеченных особенностей дефектной структуры АМС можно высказать предположение о том, что слабое МП, как и в слу- чае кристаллических материалов, оказывает влияние на спин- зависимые взаимодействия в системе структурных дефектов раз- личного масштабного уровня, присутствующих в аморфных мате- 290 М. А. ВАСИЛЬЕВ, Г. Г. ГАЛСТЯН риалах. Такие взаимодействия должны приводить к переходу ис- ходного метастабильного аморфного состояния сплава на новый, более стабильный уровень. По нашему мнению, с этой точки зрения можно отметить некоторую аналогию между процессами магнит- ной и низкотемпературной структурной релаксацией аморфного состояния. Известно, что прочностные характеристики АМС (в том числе и микротвердость) существенно зависят от количества свободного объема, химического состава как аморфной матрицы, так и класте- ров, среднего межатомного расстояния, характера внутренних на- пряжений в объеме и в приповерхностной области аморфной ленты [21, 22]. В частности, упрочнению АМС способствуют следующие факторы: уменьшение свободного объема, приводящее к повыше- нию плотности материала и уменьшению межатомного расстояния, повышение ближнего топологического и химического порядка, присутствие наноразмерных кластеров, рост ковалентной состав- ляющей межатомной связи за счет увеличения количества атомов металлоидов, сжимающие внутренние напряжения. Одной из осо- бенностей строения АМС является возможность существования, после быстрой закалки расплава, областей с химической микроне- однородностью (негомогенностью), структура которых может по- разному реагировать на внешние воздействия. По-видимому, наи- более вероятным вариантом такой негомогенной системы является наличие в быстрозакаленных сплавах небольшой доли наноразмер- ных кластеров химических элементов или соединений [23–25]. Механизм влияния этих факторов во многом определяется атом- ной подвижностью химических компонентов, входящих в АМС, которая, в свою очередь, обусловлена динамикой свободного объема и распределением внутренних напряжений. Известно, что атомы, окруженные критическим свободным объемом, могут перемещать- ся около своего положения. Конденсация свободного объема в поры в зонах растяжения снижает атомную подвижность, а в зонах сжа- тия повышает ее. Поэтому именно в зонах сжатия происходит уп- рочнение материала. В работе [26] показано, что в области «вен» на изломе АМС на основе железа и бора сегрегируют такие элементы, как B, O и C. Причина этого заключается в возникновении свобод- ного объема в области зон сдвига при негомогенной деформации, что ведет к локальному изменению пластичности и плотности. В этой области растягивающих напряжений перемещаются атомы с меньшим радиусом. Неоднократно было установлено, что при су- ществовании внутренних механических напряжений в АМС, вы- званных пластической деформацией [27, 28] или охлаждением в жидком азоте [29], наблюдается интенсивная миграция элементов, проявляющаяся в перераспределении компонентов образца как в поверхностной области, так и в объеме аморфного образца. Эта ми- МАГНИТОМЕХАНИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В АМОРФНЫХ ЛЕНТАХ 291 грация обусловлена полем внутренних напряжений, релаксация которых облегчается процессом диффузии элементов по толщине аморфной ленты. Таким образом, источниками внутренних напряжений в АМС, влияющих на миграцию атомов могут быть также следующие фак- торы: все указанные выше несовершенства структуры АМС, разли- чия в термическом расширении разных участков ленты, в том чис- ле, на границе раздела кластер–аморфная матрица (термоупругие напряжения), изменение характера межатомной связи (например, изменение доли ковалентной составляющей связи) в результате увеличения межатомного расстояния в сплаве, с одной стороны, и изменение энергетического состояния дефектов, с другой, концен- трационные неоднородности, формирование оксидного поверхно- стного слоя. В магнитных АМС дополнительными источниками внутренних напряжений являются спонтанная магнитострикция и взаимодействие дефектов с доменными стенками. При наложении МП упругие напряжения, возникающие в результате магнитост- рикционной деформации решетки, способствуют более заметным изменениям в структуре аморфных образцов. Известно, что одним из возможных механизмов, определяющих изменение коэффици- ента диффузии в ферромагнетике при воздействии МП, может быть изменение энергии образования вакансии. Это изменение, обуслов- ленное магнитным упорядочением и магнитострикционной дефор- мацией, может вызвать изменение концентрации вакансий в мате- риале, которая непосредственно связана с коэффициентом диффу- зии примесей [1]. В поле магнитострикционных напряжений в АМС скорость диффузионных процессов, как известно, увеличивается [1]. Можно отметить, что аморфные сплавы Fe73.5Si11.5B11Cu1Nb3 и Fe73.5Si13.5B9Cu1Nb3 типа FINEMET имеют положительную магнито- стрикцию. Кроме внутренних напряжений, на механические свойства АМС может влиять также структурное и химическое состояние класте- ров. В МП, возможно, формируются новые химические связи в ло- кальном объеме. В соответствии с [15, 16], МП снимает запрет на распад метастабильных состояний. МП создает магнитоупругие и динамические напряжения, которые разрушают преципитаты (бо- риды и силициды). За счет таких напряжений разрушаются не только слабые, но и сильные связи. Можно предположить, что в АМС при наложении МП происходит локальный распад кластеров, например, типа боридов, силицидов, оксидов, и твердость падает. Основываясь на доказательствах и модельных представлениях, приведенных в литературе, можно сделать следующее заключение о физической природе поведения зависимостей HV(), приведенных на рис. 1, 2, 3. Как следует из приведенных данных, коренная пере- стройка реальной структуры АМС, индуцированная слабым МП, 292 М. А. ВАСИЛЬЕВ, Г. Г. ГАЛСТЯН протекает в течение достаточно длительного времени, от несколь- ких дней до нескольких недель, возможно, и месяцев. При воздействии МП можно выделить два основных процесса, обуславливающих наблюдаемое изменение твердости: относитель- но быстро действующие (возникновение и релаксация напряже- ний), ведущие к промежуточным актам разупрочнения и упрочне- ния (нивелирование напряжений сжатия в приповерхностных сло- ях на начальных стадиях выдержки в МП и «зигзаги» на времен- ных кривых), и долговременные (распад комплексов или их созда- ние, миграция атомов), ведущие к необратимому конечному упроч- нению за счет роста ковалентной составляющей межатомной связи. При более длительной выдержке в МП процессы упрочнения преоб- ладают над механизмами разупрочнения, что и обуславливает воз- никновение максимума на наблюдаемой зависимости HV(). Таким образом, если предположить, что микротвердость изменя- ется вследствие изменения состава и спинового состояния струк- турных дефектов в АМС, уменьшающих вероятность формирова- ния зон сдвига, генерируемых при вдавливании индентора, то влияние МП можно объяснить совокупностью действий нескольких атермических механизмов: аккумуляцией и аннигиляцией свобод- ного объема, перераспределением и релаксацией внутренних на- пряжений, перераспределением химических элементов между объ- емом и поверхностью аморфной ленты, связанным, в том числе, с распадом или перестройкой кластеров. В магнитных лентах ММЭ сильнее, по-видимому, за счет большего влияния доменной струк- туры и магнитострикционных эффектов по сравнению с немагнит- ным АМС на основе алюминия. ВЫВОДЫ 1. Впервые установлено, что микромеханические свойства аморф- ных металлических сплавов, индикатором которых выступает ве- личина микротвердости, под влиянием слабого МП (0,17 Т) претер- певают существенные изменения. Для магнитных АМС характерна большая величина магнитомеханического эффекта. 2. Зависимость микротвердости от времени выдержки в МП носит немонотонный характер с эффектом упрочнения при длительных выдержках. 3. Установлена корреляция между изменением микротвердости и химического состава поверхности аморфных лент. 4. Обработка в слабом МП в пределах аморфного состояния приво- дит к изменению типа атомного распределения, развитию процесса образования химического ближнего порядка, сопровождаемого концентрационным расслоением, степень которого растет с увели- чением времени выдержки в МП. МАГНИТОМЕХАНИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В АМОРФНЫХ ЛЕНТАХ 293 5. Сделано предположение о том, что микротвердость после воздей- ствия слабого МП изменяется вследствие изменения состава и спи- нового состояния структурных дефектов в АМС, уменьшающих ве- роятность формирования зон сдвига, генерируемых при вдавлива- нии индентора. Авторы выражают благодарность В. В. Маслову и В. К. Носенко за предоставление образцов аморфных лент, а также О. А. Мищуку за проведение химического анализа. ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. В. Ф. Мазанко, А. В. Покоев, В. М. Миронов, Диффузионные процессы в металлах под действием магнитных полей и импульсных деформаций. Т. 1, 2 (Москва: Машиностроение-1: 2006). 2. S. Hayashi, S. Takahashi, and M. Yamamoto, J. Phys. Soc. Japan, 25, No. 2: 910 (1968). 3. S. Hayashi, S. Takahashi, and M. Yamamoto, J. Phys. Soc. Japan, 30, No. 2: 381 (1971). 4. М. А. Васильев, Успехи физ. мет., 8, №1: 65 (2007). 5. V. I. Alshits, E. V. Darinskaya, M. V. Koldaeva, and E. A. Petrzhik, Crystallog- raphy Reports, 48, No. 5: 768 (2003). 6. Ю. И. Головин, ФТТ, 46, №5: 769 (2004). 7. Р. Б. Моргунов, УФН, 174, №2: 131 (2004). 8. П. П. Кузьменко, Н. И. Захаренко, Н. Г. Бабич, Докл. АН УССР. Сер. А. Физ.- мат. науки, №4: 66 (1987). 9. Y. Wolfus, Y. Yeshurun, I. Felner et al., Phil. Magazine, 56, No. 6: 963 (1987). 10. V. Ramakrishnan and A. Ghosh, Wear, 69, No. 1: 71 (1981). 11. А. М. Глезер, И. Е. Пермякова, В. А. Федоров, Изв. РАН. Сер. физич., 70, №9: 1396 (2006). 12. Ю. В. Мильман, В. П. Овчаров, С. В. Пан, А. П. Рачек, Порошковая метал- лургия, №12: 69 (1984). 13. Ю. В. Мильман, С. В. Пан, С. В. Постой, Р. К. Иващенко, Порошковая ме- таллургия, №8: 49 (1990). 14. В. В. Маслов, Д. Ю. Падерно, Аморфные металлические сплавы (Киев: Наукова думка: 1987), с. 52. 15. В. А. Макара, Л. П. Стебленко, Н. Я. Горидько, В. Н. Кравченко, А. Н. Ко- ломиец, ФТТ, 43, №3: 462 (2001). 16. В. А. Макара, Л. П. Стебленко, Ю. Л. Кольченко, С. М. Науменко, О. А. Патран, Металлофиз. новейшие технол., 27, №4: 527 (2005). 17. А. М. Глезер, Б. М. Молотилов, ФММ, вып. 2: 5 (1990). 18. А. М. Глезер, Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д. И. Менделеева), XLVI, №5: 57 (2002). 19. А. М. Глезер, С. Г. Зайченко, Н. С. Перов, Е. А. Ганьшина, Изв. РАН. Сер. физич., 65, №10: 1472 (2001). 20. H. Kronmuller and W. Fernengel, Phys. Stat. Sol. (a), 64: 593 (1981). 21. А. М. Глезер, Б. М. Молотилов, О. Л. Утевская, Металлофизика, 5, №1: 29 (1983). 294 М. А. ВАСИЛЬЕВ, Г. Г. ГАЛСТЯН 22. А. М. Глезер, Б. М. Молотилов, О. Л. Утевская, ФММ, 58: 991 (1984). 23. А. В. Романова, В. В. Немошкаленко, Г. М. Зелинская и др., Металлофи- зика, 5, №4: 49 (1983). 24. А. Г. Ильинский, А. П. Бровко, Г. М. Зелинская и др., Металлофизика, 10, №2: 34 (1988). 25. Г. М. Зелинская, Л. Е. Михайлова, А. П. Бровко, А. В. Романова, Метал- лофизика, 14, №1: 111 (1992). 26. S. V. Pan, Yu. Milman, and A. A. Malyshenko, Mater. Sci. Eng., A145: 127 (1991). 27. В. Я. Баянкин, В. Ю. Васильев, А. Х. Мельникова и др., Изв. АН СССР. Сер. физич., 50, №9: 1700 (1986). 28. В. Я. Баянкин, Н. А. Орлова, С. С. Самойлович, ФиХОМ, №3: 127 (1996). 29. S. P. Chenakin, M. A. Vasylyev, and G. G. Galstyan, N. Kruse, Surf. Sci., 600, Iss. 17: 3394 (2006).

Магнитомеханические эффекты в аморфных лентах, полученных быстрой закалкой из расплава

Institution

Ähnliche Einträge