E-mail: spivak@psu.ru, LJ С Г^МПаКшиП
kinev@psu.ru n.C.K^KfJUUHMU,
Л.В.Спивак, А.С.Кинев
Пермский государственный университет, Россия, Пермь.
Эффект Баркгаузена в насыще-ных водородом аморфных
В работе приводятся результаты исследований электродвижущей силы Баркгаузена в сплавах 2НСР (Fe78B12Si9Ni1) и «Finemet» (Fe7gNi35Cu1Ni135B4). Сообщается о влиянии продолжительности насыщения водородом на ЭДСБаркгаузена, а также о влиянии температуры и времени выдержки на возврат ЭДС. Предлагается объяснение обнаруженному явлению.
ABSTRACT
The paper presents the results of studies into Barkhausen electromotive force in 2НСР (Fe78B12Si9Ni1]) and «Finemet» (Fe7gNi35Cu1Ni135B4) alloys. The effects produced by the duration of hydrogen saturation on Barkhausen EMF as well as the temperature and time lag effects on EMF recovery arc described. The explanation of this phenomenon is proposed.
ВВЕДЕНИЕ
Наблюдающийся в последнее время интерес к проблеме взаимодействия водорода с аморфными металлическими сплавами (АМС) обусловлен как особенностями строения, так и динамикой изменения физических и механических свойств подобных материалов при введении в них водорода [1].
В частности, АМС на основе железа интересны комплексом своих характеристик, в первую очередь, высокой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой при высоких значениях прочности и твердости. В кристаллических материалах такого сочетания механических и физических свойств до настоящего времени получить не удавалось [2].
Несмотря на значительное число публикаций по данной тематике, лишь единичные связаны с изучением свойств АМС непосредственно в процессе насыщения водородом или сразу же после такого воздействия.
Уже первые работы в этом направлении позволили обнаружить неизвестные ранее в физике взаимодействия водорода с аморфными металлическими сплавами эффекты, например, многократное ускорение ползучести при нагрузках, много меньших предела текучести [3], потерю несущей способности пересыщенного водородом АМС, так называемый «Реп-Х эффект» [4] и др.
Несомненно, что такого рода деформационный отклик должен быть связан с глубокой перестройкой структуры аморфных металлических сплавов. Однако быстрый выход водорода из АМС, обусловленный аномально высоким коэффициентом диффузии, и относительно малая растворимость водорода при обычных условиях затрудняют иссле-
дование изменений, происходящих в материале непосредственно при водородном воздействии. Это относится как к традиционным структурным методам исследования, так и определению физических характеристик, продолжительность измерения которых должна быть настолько мала, чтобы не внести существенных погрешностей, связанных с временной нестабильностью состояния насыщенного водородом АМС.
Оказалось, что удобной в этом отношении характеристикой является электродвижущая сила эффекта Баркгаузена (е6), измерение которой хорошо себя зарекомендовало при изучении различных сплавов, в первую очередь, кристаллических [5, б].
Целью настоящей работы было изучение влияния водорода и дейтерия на изменение ЭДС Баркгаузена в аморфных сплавах на основе железа.
МЕТОДИКАИССЛЕДОВАНИЯ
Исследованные образцы 2НСР и «ЕтетеЬ» представляли собой металлическую ленту длиной 50 мм, шириной 10 мм и толщиной 30 мкм. Насыщение водородом производили из кислого электролита (Ш Н2504 +100 мг/л As) при плотности катодного тока Л = 50 А/м2. Мышьяк добавляли как активатор наводороживания. Образец являлся катодом, анод -платиновая проволока. Подробности методики изложены в [7]. Дейтерирование производили из электролита на основе тяжелой воды при той же концентрации Б2504 и As.
Измерение е6 осуществляли с помощью установки СКИФ-1 [8]. Принцип работы установки основан на регистрации ЭДС Баркгаузена, возникающей при скачкообразном
Скрябина Н. Е., Спивак Л. В., Кинев А. С. Эффект Баркгаузена в насыщенных водородом аморфных металлических сплавах на основе железа.
78
смещении границ Блоха. Изменение магнитного потока ББ, соответствующее скачку Баркгаузена (СБ), пропорционально изменению магнитного момента при этом скачке тб, т.е. размеру СБ, и, следовательно
m
сб
сб
J e(t)dt,
(1)
200 _L
400
600
Рис.1. Влияние продолжительности насыщения водородом (1) и температуры отжига (2) на электродвижущую силу эффекта Баркгаузена сплава 2НСР. е* -отношение измеренной еб к значению еб эталона.
Причем, с ростом продолжительности введения водорода отмечается выход зависимости еб на насыщение. После прекращения введения водорода еб постепенно, в течение нескольких суток, возвращается к значению, близкому исходному (см.рис.2). Повторное насыщение водородом этого же образца (см.рис.2) вновь приводит к увеличению еб. Сплав 2НСР выдерживает несколько таких циклов насыщение водородом - дегазация, пока не наступит его разрушение.
где г(Ь) - ЭДС от СБ на зажимах измерительной катушки; Ьс6 - длительность СБ. Отсюда следует, что площадь импульсов ЭДС пропорциональна моменту СБ или объему перемагни-чивающейся области. Если длительности СБ для данного образца отличаются незначительно, то в первом приближении можно считать амплитуду импульсов ЭДС на выходе измерительной катушки пропорциональной размерам СБ (скорость движения междоменной стенки во время СБ также считается почти не изменяющейся от одного СБ к другому).
Датчик Баркгаузена представлял собой измерительную катушку, улавливающую магнитный поток от СБ и преобразующую его в электродвижущую силу эффекта Баркгаузена, и накладной электромагнит, наводящий магнитное поле в объеме образца. Частота переключения магнитного поля составляла 50 Гц. Направление приложенного магнитного поля совпадало с направлением протяжки ленты. Перемаг-ничивание в объеме образца было однородным. В качестве эталонов использовали ленты сплавов 2НСР и «КиешеЬ> в состоянии поставки.
Отжиг образцов аморфных сплавов проводили в вакууме или в жидких нейтральных средах.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В процессе исследования было обнаружено, что введение водорода вызывает многократное (рис.1, кривая 1) увеличение е .
s Б. усл. ед.
н
-X
3 суток 10 мин 3 суток
10 мин 3 суток
X->
-Х-
Время
Рис.2. Динамика изменения электродвижущей силы эффекта Баркгаузена сплава 2НСР. Сплошная кривая - насыщение водородом в течение 10 мин. Прерывистая кривая - выдержка в течение 3 суток. еб* - отношение измеренной еб к значению еб эталона.
С увеличением числа циклов нарастают остаточные изменения, и уменьшается амплитуда изменения е6 в каждом цикле. Установлено, что остаточные изменения в значениях е6 устраняются нагревом до 100°С. После этого сплав имеет значение еб, характерное исходному состоянию сплава 2НСР.
Исследование влияния температуры нагрева на скорость возврата еб к исходному, перед насыщением водородом состоянию, показало, что повышение температуры нагрева выше 60°С резко ускоряет возврат этой характеристики и уже при 120°С время возврата составляет всего несколько минут, вместо трех суток при 20°С. Поскольку в исследованном диапазоне температур нагрева каких-либо структурных изменений в сплаве этого типа до сих пор не обнаружено, то единственной причиной возврата еб следует считать выход водорода из металла. Это подтверждается данными специальных электрохимических исследований.
Как было показано в настоящей работе, увеличение е6 в этом сплаве может быть достигнуто его отжигом при 200-б50°С (см.рис.1). Однако отжиг сплава, даже при температурах, превышающих температуру его кристаллизации, не позволяет достичь столь больших увеличений еб, какие могут быть достигнуты при насыщении сплава 2НСР водородом.
Несомненно, нагрев аморфного сплава до таких температур влияет на его структуру и приводит к необратимым изменениям свойств сплава, что и обеспечивает постоянство значения еб после его термической обработки в течение всего периода наблюдения. Определенным доказательством таких структурных изменений при нагреве в данном
T. °С
о*
s Б
[. мин
© Scientific Technical Centre «TATA»
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)
#1 2002
температурном интервале являются данные рентгенострук-турного анализа и практически полная релаксация напряжений при отжиге аморфных сплавов на оправке.
Аналогичные эксперименты были проведены с изотопом водорода - дейтерием.
Результаты, полученные при насыщении дейтерием АМС, качественно подобны тем, что были получены при введении водорода. Однако имеются два важных отличия: во-первых, при одинаковых значениях плотности тока и при одинаковых временах насыщения все наблюдаемые эффекты в изменении е6 существенно меньше по величине; во-вторых, скорость возврата еб значительно меньше, нежели при использовании водорода. Эти различия обусловлены, по нашему мнению, значительно меньшим коэффициентом диффузии дейтерия в сплаве 2НСР, по сравнению с коэффициентом диффузии водорода.
Энергия активации выхода водорода из АМС, определенная методом электрохимической экстракции, оказалась равной 0.15 эВ, что весьма близко к значению энергии активации изменения ЭДС Баркгаузена, определеннму из данных по влиянию температуры выдержки на возврат значений еб. По мере выхода водорода (дейтерия) из сплава происходит синхронное с этим процессом уменьшение еб. Этот факт дает нам основание считать, что обнаруженные эффекты обусловлены, в первую очередь, присутствием водорода в сплаве. По мере выхода водорода (дейтерия) из сплава происходит синхронное с этим процессом уменьшение еб.
Таким образом, полученные результаты позволяют считать, что в пересыщенном водородом АМС возникает особое структурное состояние, обеспечивающее снижение потенциального барьера при переходе 180° границы магнитного домена из одного состояния равновесия в другое в переменном магнитном поле.
Качественно аналогичные результаты были получены и на другом аморфном сплаве на основе железа - «КиешеЪ» (см. также [9]). Обнаруженные при этом особенности сводятся к следующим: для получения того же по величине эффекта требуется более продолжительное насыщение водородом или более высокая интенсивность его введения
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.