МАГНИТНЫЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗОНИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ

Физические свойства железоникелевых сплавов начали изучаться еще в середине прошлого века. Вначале были исследованы магнитные свойства, причем максимальное внимание уделялось сплавам инварной (29-45% Ni) и пермаллойной (70-80% Ni) областей, что объясняется широким применением этих сплавов в вакуумной технике, электротехнике и радиотехнике. После получения в 1910 г. концентрационной кривой магнитной индукции насыщения исследователи, отвечая на запросы практики, выявили интересные свойства пермаллойных сплавов. Например, повышение максимальной проницаемости до 25·10⁴ гс/э испытывают сплавы с содержанием 65-70% никеля после прохождения так называемой термомагнитной обработки. Была обнаружена также зависимость начальной и максимальной проницаемостей от специальной термической (пермаллойной) обработки сплавов с 50-80% Ni.Среди них особенно выделяется сплав с 78% Ni, у которого начальная проницаемость возрастает от 2000 до 9000. Одна из причин особенных свойств 78-пермаллоя заключается в том, что у него константа магнитной анизотропии и константы магнитострикции близки к нулю, поэтому процесс намагничивания как смещением границ доменов, так и вращением векторов спонтанной намагниченности происходит с малой затратой энергии.

Магнитострикция насыщения λ бинарных Fe - Ni сплавов подробно исследована рядом авторов. Оказалось, что сплавам с содержанием никеля около 5, 30 и 81% соответствует нулевое значение λ (рис.4). Отсутствие магнитострикции для сплава с 30% Niсвязано, вероятно, с тем, что он при комнатной температуре может быть неферромагнитен .

Лихтенбергер произвел измерение констант магнитострикции λ₁₀₀, λ₁₁₁ ,λ₁₁₀ монокристаллах Fe-Ni в области концентраций 30-100% никеля (рис.5). Видно, что для сплавов с 60% и 85% никеля все константы равны (сплавы указанных составов обладают изотропной магнитострикцией), а в интервале 30-45% Ni константы магнитострикции имеют противоположные знаки (λ₁₀₀<0 λ₁₁₁ >0, λ₁₁₀>0). Существует узкая область сплавов (от 80% до 85% Ni), в пределах которой константы магнитострикции проходят через нуль и также имеют противоположные знаки.

Явление магнитострикции возникает за счет изменения магнитного взаимодействия атомов ферромагнитного вещества при переориентации векторов самопроизвольной намагниченности J_s доменов во внешнем магнитном поле. В связи с тем, что переориентацию могут вызвать и упругие механические напряжения, в сплавах при их деформации наблюдается механострикция, приводящая к отклонению от закона Гука. С явлением механострикции непосредственно связано явление увеличения под влиянием магнитного поля модуля упругости E Fe-Ni сплавов (ΔΕ -эффект).

В середине прошлого столетия был открыт так называемый магнитоупругий эффект, который состоит в том, что при деформации ферромагнитных тел наблюдается изменение их намагниченности. Согласно теории при действии на ферромагнетик упругих напряжений изменяется ориентация векторов J_s доменов, на характер которой существенное влияние оказывает знак магнитострикции. Например, никель (λ < 0) при растяжении имеет меньшую намагниченность, чем в ненагруженном состоянии, а в ферромагнетиках с λ > 0 растяжение приводит к возникновению петли гистерезиса намагниченности прямоугольного вида.

Рис.4. Концентрационные кривые магнитострикции насыщения и константы магнитной анизотропии К поликристаллических сплавов системы железо - никель

Рис. 5. Магнитострикция монокристаллов железоникелевых сплавов

Магнитоупругий эффект в области парапроцесса (Δ Js -эффект) при односторонней деформации растяжения (механопарапроцесс) исследован Беловым. Помимо других поправок им было учтено также изменение намагниченности за счет уменьшения площади поперечного сечения образца при растяжении. Наиболее сильно в системе железо-никель Δ J_S-эффект проявляется в инварных сплавах, линейно возрастая с увеличением растягивающей нагрузки. Например, относительное возрастание истинной намагниченности при действии нагрузок в 5 кг/мм на сплав 36% Ni- 64% Fе при температуре жидкого азота достигает 0,035%, при комнатных температурах - 0,13%, в области точки Кюри — 1, 2%. С позиций квантовомеханической теории ферромагнетизма этот факт объясняется сильной зависимостью обменного взаимодействия между спинами электронов соседних атомов от межатомных расстояний. При упругом растяжении даже небольшие изменения межатомных расстояний приводят к значительному усилению обменного взаимодействия, ответственного за ферромагнетизм, что и дает увеличение истинной намагниченности. Величину Δ Js -эффекта в области парапроцесса трудно подсчитать, даже если одновременно привлечь зонную и квантовомеханическую теории ферромагнетизма.

Инварные сплавы Fe-Ni обладают и другими интересными физическими свойствами. Так, сплав с γ-решеткой, содержащей 36% никеля, имеет минимальное значение коэффициента линейного расширения. Благодаря этому свойству, этот сплав применяют при изготовлении деталей точных измерительных приборов и в различных конструкциях с вакуумноплотными спаями. Шевенар впервые высказал догадку, что аномалия теплового расширения инвара имеет чисто ферромагнитную природу: при нагревании происходит магнитное превращение, которому сопутствует объемное изменение, компенсирующее обычное термическое расширение тела.

В инварной области наблюдается ухудшение упругих свойств, что, вероятно, обусловлено максимальным значением параметра кристаллической решетки (рис. 4). Исследование температурной зависимости модуля упругости инварного сплава с 42% Ni показало, что возрастание модуля упругости с повышением температуры до точки Кюри (характерное для многих ферромагнетиков) сохраняется и в намагниченных до насыщения образцах (рис. 7), тогда как у неинварных сплавов в полях насыщения эта аномалия снимается [12]. Положительный знак температурного коэффициента модуля упругости в полях технического насыщения наблюдается в области 29-45% никеля (рис. 6); аномалия исчезает лишь при температурах выше точки Кюри [64]. Если аномалия температурной зависимости модуля Юнга у обычных ферромагнитных металлов и сплавов определяется в основном тем, что под воздействием внешних напряжений происходит переориентация векторов спонтанной намагниченности, то у инварных сплавов большую роль играет еще и вторая причина - изменение самой величины истинной намагниченности под действием напряжений (Δ Js -эффект), которое и обусловливает специфические температурные особенности поведения модуля упругости.

С явлением Δ Js -эффекта тесно связано явление смещения точки Кюри ферромагнетика под действием упругих напряжений, обнаруженное Беловым [65] в инварных железоникелевых сплавах. Ферромагнетизм у сплавов инварной области обусловлен обменным взаимодействием атомов не только первой координационной сферы, но и последующих. Подтверждением этому является тот факт, что ферромагнитное превращение инваров чрезвычайно размыто по температурному интервалу. Возможно, что упругие напряжения меняют параметры первой и последующих координационных сфер, а это, в свою очередь, вызывает изменение обменного взаимодействия. Если намагниченность возрастает, то это приводит к смещению точки магнитного превращения в сторону более высоких температур [12, 65].

Рис. 6. а) модуль нормальной упругости и б) кривые температурного коэффициента модуля нормальной упругости (1 ) и параметра кристаллической решетки ( 2 ) сплавов системы железо - никель

Парапроцесс, как и процессы смещения границ доменов и вращения векторов Js доменов во внешнем магнитном поле, сопровождается магнитострикцией, которая изменяет, в основном, объем ферромагнетика. В системе железо-никель максимальное значение объемной магнитострикции парапроцесса также приходится на инварные сплавы. В сущности, это термодинамическое следствие того, что в инварах обменная энергия сильно зависит от межатомных расстояний. Поэтому не случайно Деринг связывал аномалию температурного коэффициента модуля упругости инваров с аномалией объемной магнитострикции в области парапроцесса.

На инварные сплавы железо-никель приходится также максимум электросопротивления и минимум теплопроводности.

В настоящее время существует несколько точек зрения на природу инварных аномалий в железоникелевых сплавах, каждая из которых, хорошо согласуясь с частью наблюдаемых инварных эффектов, не в состоянии охватить проблему в целом. Это работы Белова К. П., Кондорского E. И., Вейса , Сидорова С. К. и др., Шаги и др.

Идея Кондорского о том, что особенности инварных аномалий связаны с отрицательным обменным взаимодействием атомов γ-фазы железа была подтверждена при квантовомеханическом рассмотрении проблемы и широкими экспериментальными исследованиями. Рассматривая работы по принципу подхода в них к электронной структуре атомов в инварных сплавах Fе- Ni, можно сделать вывод, что все инварные аномалии не могут быть объяснены в настоящее время ни с точки зрения коллективизированых, ни с точки зрения локализованных 3d-электронов.

Рис. 7. Температурная зависимость модуля упругости:

а) сплава Fe - 42 % N i в магнитных полях: 1 - О; 2 - 40;

Эрстед

б) чистого никеля в магнитных полях: 1-575; 2 -106;

Эрстед

Поэтому Кондорский предлагает для объяснения аномалий инваров гибридную модель, которая включает как s-d, так и d-d обменные взаимодействия. Получила распространение идея о существовании в инварах кластеров, т. е. объединений, включающих в себя до 25 атомов, суммарный спиновый момент которых может быть порядка десятков магнетонов Бора.