Неорганические материалы, 2019, T. 55, № 2, стр. 148-153
Влияние пластической деформации на магнитные свойства быстрозакаленных металлических проволок Co66Fe4Ta2.5Si12.5B15
Н. В. Морозова 1, А. А. Гаврилюк 1, А. Л. Семенов 1, С. М. Зубрицкий 1, *, И. Л. Морозов 1, А. В. Гаврилюк 1, Е. А. Голыгин 1
1 Иркутский государственный университет
664003 Иркутск, ул. Карла Маркса, 1, Россия
* E-mail: zubr@api.isu.ru
Поступила в редакцию 06.03.2018
Аннотация
Установлено влияние пластических деформаций на магнитные параметры быстрозакаленных проволок состава Co66Fe4Ta2.5Si12.5B15, полученных вытягиванием из расплава, а также на их чувствительность к действию растягивающих напряжений. Пластическая деформация уменьшает значения таких магнитных параметров, как остаточная индукция, коэрцитивная сила и дифференциальная магнитная проницаемость, но увеличивает их чувствительность к внешним растягивающим напряжениям. Полученный результат можно объяснить увеличением константы магнитострикции исследованных проволок в результате наведения в них пластической деформации.
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время актуальным в области современного материаловедения и физики магнитных явлений является вопрос о возможности получения магнитных материалов с заданными параметрами. В этом смысле быстрозакаленные сплавы на основе переходных металлов в виде лент и проволок являются удобным модельным объектом. Не обладая собственной кристаллографической анизотропией, имея высокую дифференциальную магнитную проницаемость и малые потери на перемагничивание, такие сплавы в зависимости от вида и режимов их предварительной обработки могут изменять свои магнитные параметры в самом широком диапазоне.
Одним из способов целенаправленного управления магнитными параметрами таких сплавов может являться наведение в них контролируемой пластической деформации [1–3], которая должна приводить к изменению ближнего и дальнего порядка в расположении атомов. Как правило, наведение пластических деформаций в кристаллических магнитных материалах сопровождается значительным изменением магнитной проницаемости и коэрцитивной силы, что, в частности, может быть обусловлено появлением двух магнитных подсистем, обусловленных разной степенью деформации зерен [4]. В быстрозакаленных ферромагнетиках наведение пластической деформации не связано с увеличением концентрации дефектов, характерных для поликристаллических магнитных материалов.
Цель настоящей работы – исследование влияния пластической деформации различной величины на магнитные параметры быстрозакаленных ферромагнитных сплавов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В работе исследовались быстрозакаленные проволоки состава Co66Fe4Ta2.5Si12.5B15 длиной 0.09 м, диаметром 135 мкм. Исследуемые образцы были получены и сертифицированы в ФГУП “ЦНИИЧермет им. И.П. Бардина” (г. Москва). Константа магнитострикции λs проволок в недеформированном состоянии имела абсолютное значение ~10–7–10–8.
Наведение значительной пластической деформации только лишь приложением высоких значений растягивающих напряжений в быстрозакаленных наноструктурированных сплавах на основе переходных металлов весьма затруднительно из-за их разрушения. В связи с этим был использован способ получения пластически деформированных сплавов приложением растягивающих напряжений с одновременным пропусканием постоянного электрического тока. Наведение пластической деформации в проволоках проводилось путем пропускания по ним постоянного электрического тока плотностью j = 38.7 МА/м2 на воздухе в течение 2 мин с одновременным приложением растягивающих напряжений в интервале от 5.3 до 140 МПа.
Изменения структуры проволок состава Co66Fe4Ta2.5Si12.5B15 в процессе их предварительной обработки электрическим током не исследовались. Однако структурные исследования проволок близкого состава (Co66Fe4Nb2.5Si12.5B15), также полученных в ФГУП “ЦНИИЧермет им. И.П. Бардина”, при их обработке постоянным электрическим током на воздухе в отсутствие растягивающих деформаций проводились в [5]. Было показано, что в диапазоне плотностей электрического тока обработки j = 4.2–7.4 МА/м2 можно выделить три характерных диапазона, связанных с различными процессами структурной перестройки быстрозакаленных проволок состава Co66Fe4Nb2.5Si12.5B15. Установлено, что структурные изменения в проволоках влияют на их магнитную проницаемость и изменяют, в частности, магнитоимпедансные параметры. Согласно рентгенофазовому анализу, исходные образцы и образцы, обработанные при j = 4.2–33.3 МА/м2, имеют одинаковую дифракционную картину, которая представляет собой размытое гало без рефлексов. На дифракционной картине образца, обработанного при j = 35.4 МА/м2, имеется один широкий рефлекс, на котором различимы слабые линии. Исходя из этого в [5] делается вывод о том, что на начальных стадиях формирования кристаллической структуры (при j ≤ 35.4 МА/м2) размеры образующихся кристаллитов еще достаточно малы (менее 10 нм) и однозначно идентифицировать фазы по выявленным линиям не удается. Образцы, обработанные при j = 37.4 МА/м2, дают четкую дифракционную картину, позволяющую определить наличие в них кристаллических фаз α-Fe, β-Co, а также Сo3B, CoNbB. В образцах, обработанных при j = 46.4 МА/м2, четко определяются фазы α-Fe, β-Co, Co2Si. При этом обнаруживаются следы NbCo2 и α-Co. Таким образом, при плотности электрического тока выше 35.4 МА/м2 и, соответственно, увеличении температуры проволоки активируется рост кристаллитов, и их размеры, согласно [5], могут превышать 50 нм. Замена Nb на Тa в идентичных по составу наноструктурированных сплавах на основе переходных металлов не должна сколь-либо существенно влиять на процессы их структурной релаксации и кристаллизации [6]. В связи с этим можно считать, что структурные изменения, происходящие при обработке электрическим током проволоки состава Co66Fe4Ta2.5Si12.5B15, аналогичны структурным изменениям, происходящим в проволоке состава Co66Fe4Nb2.5Si12.5B15.
Остаточная пластическая деформация проволок Δl/l0 (где Δl = lσ–l0, lσ – длина проволок при приложении растягивающих напряжений σ, l0 – длина проволок при σ = 0) изменялось в интервале от 0.23 до 6.7% в зависимости от значений растягивающих напряжений, приложенных в процессе обработки электрическим током.
Измерение магнитных параметров исследуемых образцов осуществлялось индукционным методом [7]. Переменное магнитное поле в процессе измерений прикладывалось вдоль их длины. Частота перемагничивающего поля составляла 1 кГц. В процессе измерения магнитных параметров к исследуемым проволокам прикладывались растягивающие напряжения σ в интервале 7.0–140 МПа, что не приводило к возникновению в исследуемых образцах остаточных деформаций.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 приведены зависимости магнитных параметров исследованных проволок от величины Δl/l0. Как следует из полученных результатов, при изменении Δl/l0 от 0.23 до 6.7% происходит уменьшение остаточной индукции Br от 0.52 до 0.07 Тл, коэрцитивной силы Нс – от 35 до 13 А/м и максимального значения динамической магнитной проницаемости μdmax= (dB/dH)max – от 26 100 до 4800. Полученный результат свидетельствует об изменениях магнитной структуры проволок, происходящих при наведении в них пластических деформаций.
На рис. 2, 3 приведены петли гистерезиса проволок и соответствующие зависимости величин Br, Нс и μdmax от Δl/l0 и σ. Как следует из представленных зависимостей, чем больше величина наведенных пластических деформаций Δl/l0 в интервале от 0.23 до 3.53%, тем значительнее изменения Br, Нс и μd под действием растягивающих напряжений σ.
Рассмотрим поведение магнитных параметров проволок с различным значением Δl/l0 в отсутствие (σ = 0) и при приложении к ним σ. На полученных зависимостях В(Н) при различных Δl/l0 хорошо выражены два участка с разным значением дифференциальной магнитной проницаемости. Первый участок (Н = 0–(40–120) А/м) характеризуется высоким значением дифференциальной магнитной проницаемости μd, что свидетельствует о преобладающей роли процесса смещения доменных границ в механизме намагничивания проволоки. В более сильных магнитных полях (Н > 70–120 А/м) зависимость B(H) имеет линейный характер, т.е. μd не изменяется с ростом Н, что свидетельствует о том, что основным механизмом намагничивания проволок становится процесс поворота намагниченности.
Величина Δl/l0 определяет чувствительность магнитных параметров проволок к действию σ. Так, при Δl/l0 = 0 (рис. 2) Br и μdmax практически не изменяются с ростом σ интервале 7.0–140 МПа. При увеличении Δl/l0 до 3.53% повышение σ приводит к росту Br и μdmax. В частности, Br при Δl/l0 = 3.53% возрастает от 0.13 Тл при σ = 0 до 0.63 Тл при σ = 140 МПа. При этом μdmax изменяется в интервале от 6700 до 49 100. Такой результат может свидетельствовать как об изменении основного механизма намагничивания исследованных проволок, так и об увеличении модуля константы магнитострикции λs. Отметим, что при дальнейшем увеличении Δl/l0 до 6.7% наблюдается некоторое уменьшение чувствительности магнитных параметров проволок к действию σ (изменение Br в интервале от 0.08 до 0.51 Тл и μdmax от 4560 до 18 880 соответственно).
Полученные зависимости Br, Нс и μdmax от Δl/l0 при σ = 0 можно объяснить на основе следующих представлений. Согласно [6], магнитная структура быстрозакаленных проволок с константой магнитострикции близкой к нулю состоит из продольно намагниченного ядра и приповерхностной области, в которой намагниченность преимущественно имеет либо радиальную (если λs > 0), либо циркулярную (если λs < 0) ориентацию. Уменьшение Br и μd проволок с ростом Δl/l0 указывает на уменьшение объема магнитного ядра проволоки, перемагничивающегося смещением доменных границ. Взаимосвязь между радиусом r продольно намагниченного ядра и Br выражается соотношением [8]
где Bs – индукция насыщения проволоки, R – радиус проволоки. Уменьшение объема ядра проволоки является следствием наведения радиальной магнитной анизотропии при возникновении пластических деформаций.Коэрцитивная сила проволоки определяется в основном полем Hdw смещения доменных границ в ее ядре. В свою очередь выражение для поля смещения Hdw доменной границы в ядре проволоки может быть представлено в виде [9]
где Hc0 – коэрцитивная сила доменной границы в ядре проволоки, γ ~ (AKl)1/2 – ее поверхностная плотность энергии, A – параметр обменного взаимодействия, Kl –константа магнитной анизотропии ядра проволоки, обусловленная внутренними закалочными напряжениями. Пластическая деформации проволоки уменьшает значения А и Kl, что в свою очередь приводит к уменьшению γ и Hdw.Наведение пластической деформации в исследованных проволоках является результатом их термоупругой обработки [10]. Такая обработка в быстрозакаленных ферромагнитных проволоках с положительным значением λs приводит к наведению радиальной магнитной анизотропии, перпендикулярной линии приложения пластических деформаций, следовательно, к увеличению объема проволоки с радиальным распределением намагниченности. В свою очередь в быстрозакаленных ферромагнитных проволоках с отрицательным значением λs наводится магнитная анизотропия вдоль линии приложения деформаций. Как свидетельствуют зависимости Br(σ) и μdmax (σ), в проволоках с Δl/l0 от 1.18 до 6.7% λs > 0. В этом случае приложение σ в процессе измерения магнитных параметров ведет к повороту намагниченности вдоль линии приложения растягивающих напряжений, что сопровождается ростом Br и μdmax. Чем значительнее объем материала с радиальным распределением намагниченности, тем больше изменения Br и μdmax проволок под действием σ. Вместе с тем увеличение чувствительности магнитных параметров проволок под действием пластических деформаций к σ не может быть объяснено только лишь изменением распределения намагниченности в ядре и приповерхностной области проволок. Более важным фактором в быстрозакаленных проволоках на основе кобальта может являться изменение λs в результате наведения пластических деформаций. Обсудим этот вопрос подробнее.
Согласно модели поворота намагниченности [11], процесс перестройки доменной структуры в области проволоки с радиальным распределением намагниченности, занимающей после наведения пластических деформаций основной объем образца, может быть описан соотношением
где Kr – константа наведенной пластическими деформациями радиальной магнитной анизотропии проволок, μ0 – магнитная проницаемость вакуума. Из (3) получим следующее выражение для величины λs:(4)
${{\lambda }_{S}} = ((2\Delta {{K}_{r}}/3\sigma )--(B_{s}^{2}/3\sigma {{\mu }_{0}}\Delta {{\mu }_{d}})){{(\Delta {{B}_{r}}/{{B}_{s}})}^{{3/2}}},$Из анализа петель гистерезиса проволок с различным значением Δl/l0 (рис. 2) следует, что μd на втором участке петель гистерезиса практически не зависит от магнитного поля и может считаться постоянной величиной. В свою очередь в исследованном диапазоне Н и σ значения максимально измеренной магнитной индукции для проволок с различным значением Δl/l0 близки, что свидетельствует о близких значениях их Bs ≈ 0.8 Тл.
Так как основным механизмом намагничивания проволок состава Co66Fe4Ta2.5Si12.5B15 с высоким значением Δl/l0 является поворот магнитных моментов в области с радиальным распределением намагниченности, то приложение σ приводит к уменьшению константы магнитной радиальной анизотропии Kr. При этом увеличение Br и μd может быть обусловлено возросшими, по сравнению с недеформированным состоянием, значениями λs.
Оценочные изменения поля наведенной радиальной анизотропии ΔHkr, возникающие под действием упругих растягивающих напряжений σ = = 140 МПа, приложенных в процессе измерения петель гистерезиса, и соответствующие значения константы магнитострикции λs проволок при различных величинах Δl/l0, полученные из выражения (4), приведены на рис. 4.
Как следует из полученных результатов, константа магнитострикции λs изменяет знак в результате пластической деформации проволок. Само абсолютное значение λs возрастает c увеличением Δl/l0 по сравнению с первоначальным значением почти на порядок. Именно это обстоятельство является основной причиной роста чувствительности магнитных параметров проволок с относительно высоким значением пластической деформации к действию упругих растягивающих напряжений.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основании проведенных исследований влияния наведенной пластической деформации на динамические магнитные параметры быстрозакаленных проволок состава Co66Fe4Ta2.5Si12.5B15 сделаны следующие выводы.
Пластическая деформация наводит радиальную магнитную анизотропию, в проволоках состава Co66Fe4Ta2.5Si12.5B15, что приводит к уменьшению их остаточной индукции, коэрцитивной силы и дифференциальной магнитной проницаемости.
Рост пластической деформации быстрозакаленных проволок состава Co66Fe4Ta2.5Si12.5B15 в интервале от 0.23 до 6.7% приводит к увеличению чувствительности их остаточной индукции, коэрцитивной силы и дифференциальной магнитной проницаемости к действию упругих растягивающих напряжений, ориентированных вдоль длины проволоки. Такой результат может быть связан не столько с увеличением объема области проволоки с радиальным распределением намагниченности, сколько с увеличением константы магнитострикции пластически деформированных проволок.
Список литературы
Глезер А.М. Принципы создания многофункциональных конструкционных материалов нового поколения // Успехи физ. наук. 2012. Т. 182. № 5. С. 559–566.
Андриевский Р.А., Глезер А.М. Прочность наноструктур // Успехи физ. наук. 2009. Т. 179. № 4. С. 337–358.
Глезер А.М., Шурыгина Н.А. Аморфно-нанокристаллические сплавы. М.: Физматлит, 2013. 452 с.
Кулеев В.Г. Оценка относительного количества остаточно сжатых зерен в сталях после их пластического растяжения по изменению их остаточной намагниченности // Дефектоскопия. 2011. № 7. С. 1221.
Семиров А.В., Кудрявцев В.О., Моисеев А.А., Букреев Д.А., Ковалева Н.П., Васюхно Н.В. Высокочастотные электрические свойства аморфного магнитомягкого провода на основе кобальта, прошедшего отжиг постоянным электрическим током // Изв. вузов. Черная металлургия. 2013. № 12. С. 46–50.
Кекало И.Б. Нанокристаллические магнитно-мягкие материалы // Курс лекций. М.: МИСиС, 1999. 227 с.
Турик Н.В. Динамические магнитные и магнитоупругие свойства аморфных металлических проволок состава Fe75Si10B15 и лент состава Fe64Со21B15. Дис. … канд. физ.-мат. наук. Иркутск: ИГУ, 2009. 163 с.
Bordin G., Buttino G., Poppi M. Bending Effects and Temperature Dependence of Magnetic Properties in Fe-Rich Amorphous Wire // J. Magn. Magn. Mater. 2001. V. 233. P. 187–194.
Гаврилюк А.В., Гаврилюк А.А., Ковалева Н.П., Моховиков А.Ю., Семенов А.Л., Гаврилюк Б.В. Магнитные свойства аморфных металлических проволок Fe75Si10B15 // Физика металлов и металловедение. 2006. Т. 101. № 5. С. 21–26.
Лесник А.Г. Наведенная магнитная анизотропия. Киев: Наук. думка, 1976. 211 с.
Kobacoff L.T. Thermal, Magnetic and Magnetomechanical Properties of Metglass 2605 S2 and S3 // IEEE Trans. Magn. 1982. V. 53. № 11. P. 8098–8900.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Неорганические материалы