1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 83, № 12, 2019

Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 12, стр. 1689-1692

Магнитодиффузионный эффект в системе Fe–Sn в магнитном поле при 730°С

А. В. Покоев 1, *, А. А. Федотов 1, С. В. Дивинский 1, 2

1 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования “Самарский национальный исследовательский университет имени акад. С.П. Королева”
Самара, Россия

2 Университет Мюнстера, Институт физики материалов
Мюнстер, Германия

* E-mail: a.v.pokoev46@mail.ru

Поступила в редакцию 16.12.2018
После доработки 25.02.2019
Принята к публикации 27.08.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Экспериментально исследовано влияние импульсного и постоянного магнитных полей на коэффициент диффузии Sn в α-Fe в интервале амплитуд напряженности магнитного поля 39.8–557.2 кА ∙ м–1 и частотном диапазоне 1–21 Гц при температуре 730°С. Установлено, что включение как импульсного, так и постоянного магнитных полей существенно влияет на величину коэффициента диффузии Sn в α-Fe. При амплитудах импульсного магнитного поля от 238.8 кА ∙ м–1 и более наблюдается резонансное поведение коэффициента диффузии. Обсуждаются возможные механизмы наблюдаемого эффекта.

ВВЕДЕНИЕ

Как показывают эксперименты [1], магнитные поля (МП) оказывают существенное влияние на гетеродиффузию в ферромагнитных материалах, а величина наблюдаемого эффекта зависит от структурного состояния ферромагнетика-растворителя и его намагниченности (степени магнитного упорядочения), определяемой, прежде всего, температурой и напряженностью МП. Наименее изученной областью этого эффекта является влияние импульсного магнитного поля (ИМП) на диффузные свойства ферромагнетиков, экспериментальные исследования этого явления крайне ограничены и за редким исключением [2, 3] не проводились. В работе [2] показано, что ИМП оказывает существенное влияние на диффузную подвижность атомов Al в бинарных твердых растворах на основе ферромагнитного α-Fe и обосновано предположение, что наибольший вклад в массоперенос в условиях описанного эксперимента обусловлен магнитоупругим взаимодействием полей упругих напряжений примесных атомов и дислокаций с упругими полями движущихся под действием ИМП доменных стенок α-Fe. В работе [3] обсуждается гипотеза о релаксационном характере поведения коэффициентов гетеродиффузии Sn в α-Fe, обусловленном диффузной переориентацией дефектных атомных комплексов по механизму Зинера под воздействием магнитостриционных колебаний кристаллической решетки α-Fe в ИМП. Проверка гипотезы о релаксационной природе влияния ИМП на диффузионную подвижность немагнитной примеси в ферромагнитной матрице требует проведения более широких экспериментальных исследований магнитодиффузионного эффекта в различных системах ферромагнитных материалов и в системе Fe–Sn, в частности. В этой связи цель настоящей работы – измерение частотных и амплитудных зависимостей КД Sn в α-Fe в ИМП и постоянном магнитных полях (ПМП).

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В качестве растворителя использовано поликристаллическое железо следующего состава (вес. %): С – 0.008, Si – 0.130, Mn – 0.250, S – 0.020, P – 0.010, Cu – 0.160, остальное – Fe.

Выбор диффузанта Sn обусловлен также существенно большим его атомным радиусом по сравнению с атомным радиусом Fe и оптимальным соответствием условиям применимости рентгеновского метода [4] измерения коэффициента диффузии (КД): достаточной растворимостью в α-Fe (~7 ат. %), заметной и известной диффузионной подвижностью в растворах α-Fe [5]. С целью исключения влияния вклада зернограничной диффузии на результаты измерений коэффициента объемной диффузии рентгенографическим методом, образцы были подвергнуты рекристализационному отжигу в вакууме при температуре 1400°С в течение двух часов. После отжига средний размер зерна составил ~350 мкм, что соответствует требованиям, предъявляемым к размеру зерна d при измерениях коэффициента объемной диффузии d ≥ 4.3(Dt)1/2 рентгеновским методом [4]. Образцы из α-Fe изготавливали в виде цилиндров диаметром 11 мм и высотой 11 мм. Одну из торцевых поверхностей образцов шлифовали и полировали механическим способом и промывали высокочистым ацетоном марки ОСЧ. Тонкие пленки Sn наносили на полированные рабочие поверхности методом термического испарения в вакууме при остаточном давлении 5 · 10–3 Па и температуре образцов ~270°С. Диапазон полученных толщин пленок составил от 0.035 до 0.050 мкм. Для отжигов в МП образцы попарно помещали в вакуумную печь с прижатыми друг к другу рабочими поверхностями. Диффузионные отжиги проводили в вакууме 5 · 10–3 Па при температуре 730°С и длительностях отжига 8–16 ч. ИМП создавали электромагнитом ФЛ-1 (производства МГУ) и контролировали осциллографом C1-83 (производства России). Форма сигнала ИМП описывается следующим выражением:

$H{\text{(}}t{\text{)}} = \left\{ \begin{gathered} {{H}_{1}} \sin (2{\pi }ft){\text{,}}\,\,\,\,0 < t < {{t}_{1}}{\text{;}} \hfill \\ 0,\,\,\,\, {{t}_{1}} < t < {{t}_{1}} + {{t}_{2}}{\text{,}} \hfill \\ \end{gathered} \right.$
где H1 – амплитуда импульсной гармонической составляющей МП, f – частота ИМП, t1 – длительность импульса, t2 – время паузы между импульсами, t1/t2 ≅ 0.5 ± 0.1. Эффективный коэффициент объемной диффузии рассчитывали по формуле:
$D = \frac{1}{{{\pi }t}}{{\left( {\frac{{{{V}_{2}}}}{{{{V}_{1}}}}} \right)}^{2}}\frac{{{{h}^{2}}}}{{c_{1}^{2}}},$
где t – время диффузионного отжига, V1 и V2 – атомные объемы Sn и Fe соответственно, h – толщина тонкой пленки Sn, c1 – поверхностная концентрация Sn.

Поверхностную концентрацию рассчитывали по смещению дифракционной линии Co Kα1 (311) твердого раствора Sn в α-Fe относительно положения линии чистого α-Fe в соответствии с выражением:

${{c}_{1}} = \frac{{{{a}_{0}}co{{s}^{2}}\left( {{\pi } - 2\vartheta } \right)}}{{2bgtg\vartheta }}\Delta l,$
где a0 = 2.8664 Å – параметр решетки α-Fe, Δl – смещение дифракционной линии, ϑ = 80°57′ – угол Вульфа–Брэгга, g = 190 мм – расстояние от образца до рентгеновской пленки.

Наблюдаемые смещения дифракционной рентгеновской линии твердого раствора Sn–Fe в поверхностных слоях образца относительно линии исходного чистого растворителя составляли 2.5–6.9 мм, что соответствовало рассчитанным значениям поверхностной концентрации Sn от 0.4 до 1.1 ат. %. Перечисленные условия проведения эксперимента обеспечивали выполнение измерений коэффициента объемной диффузии рентгенографическим методом [4] c ошибкой ~10%.

Степень влияния МП на КД Sn в α-Fe характеризовали относительным КД Drel(f, H) = = DH(f, H)/DH = 0, где DH(f, H) и DH = 0 – КД Sn в α‑Fe в ИМП с амплитудой напряженности H на частоте следования импульсов МП f и без поля соответственно; при этом измеренный КД без МП составлял DН = 0 = 6.9 ∙ 10–13 см2 ∙ с–1. Зависимости КД Sn в α-Fe от частоты импульсов Drel(f) и от амплитуды напряженности ИМП Drel(H) при температуре 730°С (далее частотная и полевая зависимости соответственно) измерены в интервале частот 1–21 Гц с дискретностью 4 Гц при амплитудах 39.8 (0.5 кЭ), 79.6 (1.0 кЭ), 238.8 (3.0 кЭ), 398.0 (5.0 кЭ) и 557.2 кА ∙ м–1 (7.0 кЭ). Зависимость КД Sn в α-Fe от амплитуды напряженности постоянного магнитного поля (ПМП) Drel(H) при температуре 730°С измерена при 39.8 (0.5 кЭ), 79.6 (1.0 кЭ), 238.8 (3.0 кЭ), 398.0 (5.0 кЭ) и 557.2 кА ∙ м–1 (7.0 кЭ).

На рис. 1 представлены графики частотной зависимости относительного КД Sn в α-Fe при амплитудах ИМП 39.8 и 79.6 кА ∙ м–1. При указанных значениях амплитуд напряженности поля эффект влияния ИМП проявляется в общем уменьшении значения КД Sn в α-Fe относительно соответствующего значения без МП, при этом величина КД изменяется практически незначительно при f > 1 Гц в исследованном диапазоне частот. При повышении амплитуды напряженности поля наблюдается резонансное поведение величины КД: минимальное значение изменения относительного КД Sn в α-Fe наблюдается на частоте ~9 Гц в диапазоне амплитуд 238.8–557.2 кА ∙ м–1, а максимальное значение изменения КД наблюдается при амплитуде 398 кА ∙ м–1 на частоте 13 Гц (рис. 2).

Рис. 1.

Частотные зависимости относительного КД Sn в α-Fe при амплитудах напряженности ИМП 39.8 и 79.6 кА ∙ м–1.

Рис. 2.

Частотные зависимости относительного КД Sn в α-Fe при амплитудах напряженности ИМП 238.8, 398.0 и 557.2 кА ∙ м–1.

На рис. 3 и 4 представлены графики полевой зависимости относительного КД Sn в α-Fe в диапазоне амплитуд 39.8–557.2 кА ∙ м–1 на частотах 1, 5, 9 Гц и 13, 17, 21 Гц соответственно.

Рис. 3.

Полевые зависимости относительного КД Sn в α-Fe при частотах ИМП 1–9 Гц.

Рис. 4.

Полевые зависимости относительного КД Sn в α-Fe при частотах ИМП 13–21 Гц.

Как уже было отмечено, существенное увеличение значения относительного КД Sn в α-Fe зарегистрировано на частоте 13 Гц при амплитуде напряженности ИМП 398 кА ∙ м–1. Можно также отметить, что по сравнению с малыми амплитудами 39.8–79.6 кА ∙ м–1 при амплитудах 238.8–557.2 кА ∙ м–1 частотная зависимость КД Sn в α-Fe имеет несколько незначительных экстремумов и носит в той или иной степени резонансный характер.

Изменение значения относительного КД Sn в α-Fe на частоте 9 Гц незначительно и находится в пределах погрешности измерений, а его величина во всем диапазоне амплитуд имеет значение порядка ~0.6. При одновременном действии малых амплитуд 39.8–79.6 кА ∙ м–1 и низких частот 1–5 Гц ИМП наблюдается уменьшение значений относительного КД до 0.5–0.6, а с увеличением амплитуды либо частоты величина относительного КД растет и, за исключением частоты 13 Гц, приближается к значению КД Sn в α-Fe без поля.

Уменьшение КД Sn в α-Fe при амплитуде ИМП 39.8 кА ∙ м–1 также наблюдается на графике полевой зависимости при включении ПМП, на котором хорошо заметно значение насыщения намагниченности Fe, достигаемое при амплитуде ~238.3 кА ∙ м–1 (рис. 5).

Рис. 5.

Полевая зависимость относительного КД Sn в α-Fe в диапазоне амплитуд напряженности ПМП 39.8–557.2 кА ∙ м–1.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Обнаруженный эффект влияния МП на КД Sn в α-Fe при температуре 730°С, лежащей в ферромагнитной области состояний α-Fe, согласуется с весьма ограниченными данными о магнитострикционных напряжениях кристаллической решетки ферромагнитных металлов [6]. Действие внешних МП вызывает взаимодействие упругих напряжений как комплексов дефектов, так и одиночных примесных атомов с полями упругих напряжений кристаллической решетки α-Fe. При малых амплитудах напряженности, порядка 39.8 кА ∙ м–1, включение постоянного и импульсного МП оказывает одинаковое воздействие на диффузионную подвижность атомов Sn в матрице α-Fe, что выражается в существенном уменьшении КД. На основании этого можно утверждать о преимущественном влиянии эффекта статических магнитострикционных напряжений кристаллической решетки матрицы, взаимодействующих с упругими полями напряжений комплексов дефектов, образованных атомами примеси. С другой стороны, при амплитудах напряженности ИМП порядка 238.8–557.2 кА ∙ м–1 наблюдается резонансное поведение КД Sn в α-Fe, что косвенно подтверждает релаксационный характер наблюдаемого эффекта. Немаловажным фактором в совокупности с нагревом до температуры 730°С, близкой к температуре Кюри, является введение немагнитной примеси, которое уменьшает магнитную восприимчивость и снижает температуру магнитного превращения образующегося сплава Fe–Sn [6, 7]. Это обстоятельство объясняет влияние ИМП на КД при больших амплитудах напряженности 238.8–557.2 кА ∙ м–1. В работе [3] показано, что резонансный характер поведения КД Sn в α-Fe при воздействии ИМП сохраняется и при температуре 790°С, превышающей значение температуры точки Кюри для α-Fe. Данный эффект хорошо согласуется с результатами исследований магнитострикции Fe, выполненными K. Хонда и С. Шимизу [8]. На основании полученных данных можно заключить, что резонансное поведение КД Sn в α-Fe при воздействии ИМП вызвано магнитострикционными напряжениями кристаллической решетки α-Fe, что позволяет выделить круг наиболее вероятных механизмов наблюдаемого резонансного эффекта:

1) в начальный момент времени, когда концентрация Sn в поверхностном диффузионном слое образцов α-Fe достаточно велика, >5 ат. %, сохраняется высокая вероятность переориентации пар примесных атомов по механизму Зинера [9], что несомненно вносит дополнительный вклад в КД Sn в α-Fe при включении ИМП;

2) при уменьшении концентрации Sn до ~1–3 ат. % вероятность реализации зинеровской релаксации резко уменьшается. Соответственно должен существовать другой механизм, ответственный за дополнительный вклад в массоперенос Sn в α-Fe. В случае малых концентраций немагнитной примеси действие магнитострикционных напряжений в направлении осей легкого намагничивания α-Fe максимально, что способствуют изменению потенциального барьера при перескоке примесного атома Sn и в конечном итоге влияет на частоту атомных перескоков и величину КД Sn в α-Fe.

Дополнительно следует упомянуть об упругом взаимодействии движущихся при перемагничивании образцов, доменных стенок с захватываемыми ими дислокациями. Перемещаемая таким образом дислокация является транспортом для примесных атомов, что приводит к увеличению КД при включении ИМП [2].

ВЫВОДЫ

В результате экспериментального исследования установлено, что импульсные и постоянные магнитные поля оказывают значительное влияние на диффузию Sn в α-Fe при температуре 730°С. Величина КД Sn в α-Fe зависит от частоты и амплитуды напряженности приложенного МП и при больших амплитудах ИМП имеет выраженный резонансный характер. Эффект резонансного поведения КД Sn в α-Fe обусловлен взаимодействием магнитострикционных напряжений кристаллической решетки α-Fe с упругими полями напряжений комплексов атомных дефектов. Полученные экспериментальные данные подтверждают гипотезу о релаксационном механизме влияния МП на диффузию немагнитных примесей в твердых растворах на основе α-Fe.

Список литературы

  1. Pokoev A.V., Fedotov A.A. // Defect Diffus. Forum. 2015. V. 363. P. 190.

  2. Вержаковская М.А., Петров С.С., Покоев А.В. // Изв. РАН. Сер. физ. 2007. Т. 71. № 12. С. 1717; Verzhakovskaya M.A., Petrov S.S., Pokoev A.V. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2007. V. 71. № 12. P. 1674.

  3. Fedotov A.A., Pokoev A.V., Divinsky S.V. // Defect Diffus. Forum. 2018. V. 383. P. 185.

  4. Fogelson R.L., Ugai Y.A., Pokoev A.V., Akimova I.A. // Sov. Phys. Sol. St. 1971. V. 13. P. 856.

  5. Neumann G., Tuijn C. Self-diffusion and impurity diffusion in pure metals. Amsterdam: Pergamon, 2009. 349 p.

  6. Бозорт М. Ферромагнетизм. М.: ИЛ, 1956. 784 с.

  7. Лякишев Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем. Т. 2. М.: Машиностроение, 1997. 1023 с.

  8. Honda K., Shimizu S. // Phil. Mag. 1903. V. 6. P. 392.

  9. Zener C.M., Elasticity and anelasticity of metals. Chicago: University of Chicago Press, 1948. 170 p.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал