Письма в ЖЭТФ, том 116, вып. 10, с. 675 - 680

Автоколебания крутящего момента при деформации кручением под

высоким давлением сплава NdFeB

А. А. Мазилкин^+∗, С. Г. Протасова⁺, Б. Б. Страумал^+∗×1), А. В. Дружинин^+×

⁺Институт физики твердого тела РАН, 142432 Черноголовка, Россия

^∗Научный центр РАН в Черноголовке, 142432 Черноголовка, Россия

^×Национальный исследовательский технологический университет “МИСиС”, 119049 Москва, Россия

Поступила в редакцию 5 сентября 2022 г.

После переработки 27 сентября 2022 г.

Принята к публикации 28 сентября 2022 г.

В работе изучено поведение многокомпонентного сплава на основе системы NdFeB при кручении под

высоким давлением (КВД). При КВД происходит частичная аморфизация сплава, причем доли аморф-

ной и кристаллической фаз изменяются в процессе деформации. Крутящий момент плавно возрастает

с увеличением угла поворота наковален, а с определенной деформации (∼1000^◦) возникают автоколе-

бания крутящего момента. Крутящий момент изменяется в интервале от 500 до 600 Н · м с периодом

около полутора секунд. Деформация сплава в режиме автоколебаний сопровождается интенсивной аку-

стической эмиссией с частотой звукового сигнала ∼ 1-2 с. Это явление можно объяснить периодической

сменой механизма деформации при КВД от дислокационного (характерного для кристаллической фазы)

к бездислокационному (типичному для аморфного состояния).

DOI: 10.31857/S1234567822220050, EDN: lyklko

Начиная с середины 1980-х гг., сплавы на осно-

Один из сравнительно новых методов синтеза ма-

ве системы NdFeB продолжают оставаться лучши-

териалов - это интенсивная пластическая деформа-

ми материалами для создания постоянных магнитов

ция (ИПД) [9]. Сдвиговая деформация в условиях

[1]. Соединение Nd₂Fe₁₄B (T-фаза [2, 3]) было прак-

высокого приложенного давления позволяет дости-

тически одновременно синтезировано в лаборатори-

гать значительного измельчения структуры образ-

ях General Motors Research Laboratories и Sumitomo

цов, и поэтому используется для синтеза нанокри-

Special Metals [4]. Оно демонстрирует рекордные зна-

сталлических материалов. Применение ИПД может

чения намагниченности насыщения (J_S > 1.2 Тл) и

также приводить к фазовым превращениям [10-14].

коэффициента магнито-кристаллической анизотро-

К настоящему времени разработано большое раз-

пии (K₁ > 10⁶ Дж/м³) при достаточно высокой тем-

нообразие схем ИПД, как, например, кручение при

пературе Кюри (T_C > 250^◦С). Эти свойства обес-

высоком давлении (КВД), равноканальное угловое

печивают высокое значение запасенной магнитной

прессование (РКУП), винтовая экструзия и др. [15].

энергии BH_max > 450 кДж/м³ [5]. Высокая коэрци-

В наших предыдущих работах по изучению струк-

тивная сила сплавов на основе NdFeB достигается за

турных изменений в тройных сплавах NdFeB при

счет того, что зерна ферромагнитной T-фазы изоли-

ИПД мы наблюдали, что КВД может привести к их

рованы друг от друга тонкими слоями немагнитной

частичной [16] или к полной [17] аморфизации, в за-

фазы [6].

висимости от состава. Целью данной работы было

Важной задачей для материаловедения остается

изучение структурных изменений в зависимости от

улучшение свойств материалов, в том числе и посто-

величины деформации при КВД многокомпонентно-

янных магнитов на основе T-фазы. Для изготовле-

го сплава на основе системы NdFeB, используемого

ния таких магнитов в основном используется метод

для изготовления постоянных магнитов.

жидкофазного спекания магнитно-ориентированных

Для исследования был взят многокомпонентный

порошков [7], либо метод кристаллизации из рас-

сплав на основе системы NdFeB, близкий по со-

плава, который позволяет получать нанокристаллы

ставу к сплаву, изученному нами ранее в работе

Nd₂Fe₁₄B в окружении аморфной фазы [8].

[16]. Состав исследуемого промышленного сплава:

Fe-10.2 Nd-7.6-3.6 Dy-5.5 B-1.2 Co (ат. %) был опре-

¹⁾e-mail: straumal@issp.ac.ru

делен с помощью атомно-эмиссионной спектроско-

Письма в ЖЭТФ том 116 вып. 9 - 10

2022

675

676

А. А. Мазилкин, С. Г. Протасова, Б. Б. Страумал, А. В. Дружинин

пии с индуктивно-связанной плазмой. Для дефор-

мации методом КВД вырезались диски диаметром

10 мм и толщиной 0.6 мм. Диски подвергали КВД

в установке Бриджмена (W. Klement GmbH, Lang,

Austria). Установка имела компьютерное управление

и позволяла измерять и регистрировать крутящий

момент во время деформации. Деформация образцов

проводилась при комнатной температуре, давлении

P = 5ГПа и скорости вращения наковален 1об/мин.

Образцы для структурных исследований вырезались

из деформированных дисков на расстоянии 2-3 мм

от центра образца. Исследования с помощью просве-

чивающей электронной микроскопии (ПЭМ) прово-

дились на микроскопе Titan 80-300 (FEI) при уско-

ряющем напряжении 300 кВ. Исследования методом

растровой электронной микроскопии (РЭМ), а так-

же изготовление образцов для ПЭМ методом фо-

кусированного ионного пучка проводились на мик-

роскопе Versa 3D HighVac (FEI). Рентгеноструктур-

ный анализ проводился на дифрактометре SmartLab

(Rigaku), излучение Cu Kα.

На рисунке 1 приведены данные о структуре и

фазовом составе материала в исходном состоянии

до КВД. Данные рентгенофазового анализа (рис. 1a)

показывают присутствие в исследуемых образцах

текстурированной T-фазы (PDF

2, Entry #00-080-

0870), а также металлического неодима с кубической

структурой (PDF 2, Entry #00-089-5330). На РЭМ-

микрофотографии структуры с использованием де-

тектора обратно-рассеянных электронов (рис.1b) хо-

рошо видны богатые неодимом включения в трой-

ных стыках зерен фазы Nd₂Fe₁₄B. Распределение по

размеру частиц неодима (синяя диаграмма на врез-

ке) демонстрирует два максимума с размерами зерен

∼ 1.2 и 5.2 мкм соответственно. Средний размер зе-

рен Nd₂Fe₁₄B составляет ∼ 6 мкм; диаграмма крас-

ного цвета на вставке показывает соответствующее

распределение зерен по размеру. На микрофотогра-

Рис. 1. (Цветной онлайн) Структура и фазовый состав

фии, полученной с помощью ПЭМ (рис. 1c) также

исходного образца постоянного магнита сплава NdFeB.

можно видеть присутствие области богатой неоди-

(a) - Рентгеновский спектр с пиками текстурирован-

мом фазы в виде отдельных включений, а также в

ной T-фазы (# 00-080-0870), а также металлического

области тройных стыков зерен T-фазы.

неодима (# 00-089-5330); большинство пиков неодима

перекрывается с пиками T-фазы, отдельно видны от-

На рисунке 2a приведена зависимость крутяще-

ражения при 2θ = 35.68^◦ и 51.34^◦ (помечены красной

го момента от угла поворота плунжеров в течение

звездочкой). (b) - РЭМ-микрофотография в обратно-

всего процесса деформации. Из графика видно, что

рассеянных электронах; серая фаза - Nd2Fe14B, бе-

крутящий момент плавно возрастает с увеличением

лая - неодим; на вставках приведены распределе-

угла поворота, а после ∼ 160 с с начала деформации

ния по размерам зерен соответствующих фаз: синяя

(что соответствует углу поворота около 1000^◦) систе-

для неодима и красная - для Nd2Fe14B. (c) - ПЭМ-

ма переходит в режим автоколебаний. Крутящий мо-

микрофотография; зерна T-фазы с зернограничными

мент изменяется квази-периодически в интервале от

прослойками и частицами неодима в тройных стыках

500 до 600 Н · м). При этом деформация сплава со-

провождается интенсивной акустической эмиссией -

2022

Письма в ЖЭТФ том 116 вып. 9 - 10

Автоколебания крутящего момента при деформации кручением под высоким давлением сплава NdFeB 677

Рис. 2. (Цветной онлайн) (a) - Зависимость крутящего момента для многокомпонентного сплава на основе NdFeB,

скорость вращения наковален 1 об/мин; на вставке показана масштабированная горизонтальная часть зависимости.

(b) - Амплитудно-частотный спектр крутящего момента; штрихами и числами обозначено положение максимумов

громкими щелчками с частотой звукового сигнала 1-

2 с. Такое поведение при КВД отличается от типич-

ного, в том числе, для тройного сплава NdFeB [17],

когда рост крутящего момента заканчивается пере-

ходом системы в стационарное состояние. Стацио-

нарное состояние при КВД наблюдалось во многих

материалах, как например, в сплавах меди, алюми-

ния, железа, титана [18].

Для количественного описания автоколебаний

крутящего момента мы применили Фурье-анализ; со-

ответствующий амплитудно-частотный спектр при-

веден на рис.2b. На спектре присутствует несколько

максимумов, равноотстоящих друг от друга. Наблю-

даемая частота колебаний крутящего момента соот-

ветствует периоду ∼ 1.5 с, т.е. практически совпадает

Рис. 3. (Цветной онлайн) Спектры рентгеновской ди-

с частотой щелчков акустической эмиссии.

фракции образца сплава NdFeB, деформированного на

Спектры рентгеновской дифракции, приведенные

n = 3.5, 5 и 7 оборотов наковальни при скорости вра-

на рис. 3, показывают, что в области автоколебаний в

щения 1 об/мин

рентгеновском спектре исследуемого образца имеет-

ся лишь нескольких довольно широких пиков. Воз-

Таблица 1. Полуширина пика на спектре рентгеновской ди-

можное присутствие в структуре аморфной фазы мо-

фракции (см. рис. 3)

жет маскироваться наложением на пики от кристал-

Число оборотов

Ширина пика на середине

лических фаз. Для оценки степени кристалличности

наковален, n

высоты, градусы (2θ ≈ 51^◦)

мы измерили полуширину основного пика в спектре

3.5

2.7

(2θ ≈ 51^◦) сплава после разной степени деформации

3.4

(числа оборотов наковален), см. табл. 1. Видно, что

3.1

полуширина пика существенно колеблется в зависи-

мости от степени деформации и меняется немоно-

тонно.

мельчение структуры. На ПЭМ-микрофотографиях

Исследования, проведенные методом ПЭМ, пока-

(рис. 4a, b) в структуре видны кристаллиты T-фазы

зывают, что в результате деформации происходит из-

размером от 5 до 15 нм. Наряду с кристаллической

Письма в ЖЭТФ том 116 вып. 9 - 10

2022

678

А. А. Мазилкин, С. Г. Протасова, Б. Б. Страумал, А. В. Дружинин

Рис. 4. (Цветной онлайн) Результаты исследования сплава NdFeB методом ПЭМ. Микрофотографии структуры в ре-

жиме: (a) - светлого поля и (b) - высокого разрешения; (c) - картина электронной дифракции (n = 3.5) и (d) -

соответствующее радиальное распределение интенсивности для n = 3.5, 5 и 7 оборотов наковальни

фазой, в структуре также наблюдаются области с

го поведения материалов в схожих условиях. Она ха-

контрастом, характерным для аморфного матери-

рактеризуется автоколебаниями крутящего момента

ала (рис. 4b). Присутствие аморфной фазы также

на средней и поздней стадиях деформации, а так-

подтверждается данными электронной дифракции.

же сопровождается интенсивной акустической эмис-

Диффузное гало можно видеть на картине дифрак-

сией. В чем может быть причина такого поведения?

ции для образца с n = 3.5 (рис. 4c). На соответству-

Известно, что источником акустической эмиссии

ющих профилях для n = 3.5, 5 и 7 гало видно в виде

при деформации кристаллических материалов яв-

широких линий с наложенными пиками от кристал-

ляется резкая релаксация внутренних напряжений,

лической части структуры (рис. 4d).

связанная с динамикой дислокационных скоплений.

Таким образом, деформация многокомпонентно-

Однако в случае исследуемого сплава, структура

го сплава NdFeB существенно отличается от обычно- представляет смесь кристаллической и аморфной

Письма в ЖЭТФ том 116 вып. 9 - 10

2022

Автоколебания крутящего момента при деформации кручением под высоким давлением сплава NdFeB 679

фаз. Механизмы деформации в кристаллических и

сталлической составляющих непрерывно меняется.

аморфных материалах существенно различаются. В

Авторы объясняют такое поведение особенностями

кристаллических материалах деформация происхо-

деформирования КВД, когда величина сдвиговой де-

дит путем скольжения или переползания дислока-

формации непрерывно меняется по радиусу образ-

ций, а также проскальзывания по границам зерен.

ца при постоянном приложении высокого давления.

Вклад зернограничного проскальзывания возраста-

Важную роль в такого рода трансформации аморф-

ет по мере уменьшения размера зерен [19]. В свою

ной и кристаллической фаз авторы работы [21] отво-

очередь, уменьшение размера зерен затрудняет де-

дят структуре межфазной границы.

формации решетки путем скольжения дислокаций,

Интересно отметить, что при изучении КВД трех-

поскольку по механизму Холла-Петча границы зе-

компонентного сплава NdFeB [17], когда происходит

рен препятствуют скольжению дислокаций из одного

полная аморфизация образца, мы не наблюдали аку-

зерна в другое. В то же время, в аморфных материа-

стической эмиссии. Иными словами, если на ста-

лах нет кристаллической решетки с дальним поряд-

ционарной стадии деформации присутствует только

ком, а значит, в них не существует и дислокаций. Нет

аморфная фаза, то режим автоколебаний не насту-

в них и границ зерен, поскольку нет областей с по-

пает. Это может быть дополнительным доводом в

разному ориентированными участками кристалличе-

пользу нашей гипотезы об обратимой аморфизации

ской решетки. Поэтому деформация аморфных мате-

исследуемого сплава при деформации КВД.

риалов происходит иначе, путем образования полос

Таким образом, нами обнаружено, что при КВД

скольжения и движения их границ [20].

многокомпонентного коммерческого сплава NdFeB

Если при интенсивной пластической деформации

формируется смешанная аморфно-кристаллическая

происходит аморфизация исходного кристаллическо-

структура, в которой доля компонентов периодиче-

го материала, то это означает, что в процессе ИПД

ски меняется в ходе деформации. Изменение фазо-

будет наблюдаться и переключение механизмов де-

вого состава при КВД сопровождается интенсивной

формации. На начальном этапе, когда материал еще

акустической эмиссией, связанной с изменением ме-

полностью кристаллический, деформация будет ид-

ханизма деформации материала.

ти путем перемещения дислокаций в объеме зерен и

Работа выполнена при финансовой поддерж-

проскальзывания по их границам. В дальнейшем, по

ке Российского научного фонда (грант РНФ

мере аморфизации, начнется и деформация аморф-

#22-23-00613).

ного материала по механизму образования и роста

Экспериментальные исследования выполнены на

полос скольжения. Если произойдет полная аморфи-

оборудовании Центра коллективного пользования

зация всего материала, то первый механизм практи-

ИФТТ РАН. Авторы выражают благодарность А.

чески исчезнет.

Кильмаметову (INT, Карлсруэ) за помощь в исполь-

Мы можем предположить, что в исследуемом

зовании установки КВД, а также центру коллектив-

сплаве при деформации происходит обратимый пе-

ного пользования (INT, Карлсруэ) за возможность

реход аморфной фазы в кристаллическую и обрат-

работы на микроскопе Titan 80-300.

но. При этом резко меняется механизм деформа-

ции и, соответственно, скорость и геометрия распро-

1. T. Schrefl, J. Fidler, and H. Kronmüller, Phys. Rev. B

странения полос скольжения в аморфной фазе. Это

49, 6100 (1994).

явление может служить причиной квазипериодиче-

ских колебаний крутящего момента и соответствен-

2. K. H. J. Buschow, Mater. Sci. Reports 1, 1 (1986).

но акустической эмиссии. Предположение о том, что

3. M. Sagawa, S. Fujimura, N. Togawa, H. Yamamoto, and

при интенсивной пластической деформации с уча-

Y. Matsuura, J. Appl. Phys. 55, 2083 (1984).

стием аморфной и кристаллической фаз может про-

4. J. Lucas, P. Lucas, T. Le Mercier, A. Rollat, and

исходить периодически переход из аморфной фа-

W. Davenport, Rare Earths: Science, Technology,

зы в кристаллическую и обратно, высказывались и

Production and Use, Elsevier, Amsterdam (2015).

ранее. В частности, такое обратимое превращение

5. W. Rodewald, Handbook of Magnetism and Advanced

наблюдалось для аморфно-кристаллического компо-

Magnetic Materials, Rare-earth Transition-metal

зита Ti₂NiCu [21]. В частности, для композитных

Magnets, John Wiley & Sons Ltd, Chichester, UK

(2007).

аморфно-кристаллических образцов авторы показа-

ли, что изменение структуры в зависимости от сте-

6. D. Goll and H. Kronmuller, Naturwissenschaften 87,

пени деформации происходит в режиме затухающей

423 (2000).

цикличности, когда соотношение аморфной и кри-

7. J. F. Herbst, Rev. Mod. Phys. 63, 819 (1991).

Письма в ЖЭТФ том 116 вып. 9 - 10

2022

680

А. А. Мазилкин, С. Г. Протасова, Б. Б. Страумал, А. В. Дружинин

8. A. Manaf, R. A. Buckley, and H. A. Davies, J. Magn.

15. R. Z. Valiev, B. Straumal, and T. G. Langdon, Annu.

Magn. Mater. 128, 302 (1993).

Rev. Mat. Sci. 52, 357 (2022).

9. K. Edalati, A. Bachmaier, V. Beloshenko et al.

16. B. B. Straumal, A. Kilmametov, A. Mazilkin,

(Collaboration), Mater. Res. Lett. 10, 163 (2022).

S. G. Protasova, K. I. Kolesnikova, P. B. Straumal,

and B. Baretzky, Mater. Lett. 145, 63 (2015).

10. Y. Ivanisenko, X. Sauvage, A. Mazilkin, A. Kilmametov,

J. A. Beach, and B. Straumal, Adv. Eng. Mater. 20,

17. B. B. Straumal, A. A. Mazilkin, S. G. Protasova,

D. V. Gunderov, G. A. López, and B. Baretzky, Mater.

1800443 (2018).

Lett. 161, 735 (2015).

11. B. B. Straumal, X. Sauvage, B. Baretzky, A. Mazilkin,

18. B. B. Straumal, A. Kilmametov, Y. Ivanisenko,

and R. Valiev, Scr. Mater. 70, 59 (2014).

A. Mazilkin, O. Kogtenkova, L. Kurmanaeva,

12. Y. Ivanisenko, A. Mazilkin, I. Gallino, S. Riegler,

A. Korneva, P. Zieba, and B. Baretzky, Int. J.

S. Doyle, A. Kilmametov, O. Fabrichnaya, and

Mater. Res. 106, 657 (2015).

M. Heilmaier, J. Alloys Compd. 905, 164201 (2022).

19. S. N. Naik and S. M. Walley, J. Mater. Sci. 55, 2661

13. B. B. Straumal, A. R. Kilmametov, A. A. Mazilkin,

(2020).

A.S. Gornakova, O. B. Fabrichnaya, M. J. Kriegel,

20. A. L. Greer, Y. Q. Cheng, and E. Ma, Mater. Sci. Eng.

D. Rafaja, M. F. Bulatov, A. N. Nekrasov, and

R 74, 71 (2013).

B. Baretzky, JETP Lett. 111, 568 (2020).

21. R. V. Sundeev, A. V. Shalimova, N. N. Sitnikov,

14. B. B. Straumal, A. A. Mazilkin, S. G. Protasova,

O. P. Chernogorova, A. M. Glezer, Yu. Presnyakov,

A.R. Kilmametov, A. V. Druzhinin, and B. Baretzky,

A. Karateev, A. Pechina, and A.V. Shelyakov, J. Alloys

JETP Lett. 112, 37 (2020).

Compd. 845, 156273 (2020).

Письма в ЖЭТФ том 116 вып. 9 - 10

2022