ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2007, том 104, № 2, с. 144-149
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ^^^^^^^^^^ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 669.13:621.763:537.621.4
НИЗКОЧАСТОТНАЯ МАГНИТНАЯ ВОСПРИИМЧИВОСТЬ ВОЛОКНИСТЫХ Fe-Cu КОМПОЗИТОВ
© 2007 г. А. Н. Черкасов, В. А. Белошенко, В. 3. Спусканшк, В. Ю. Дмитренко, Б. А. Шевченко
Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина НАН Украины, 83114 Донецк, ул. Р. Люксембург, 72 Поступила в редакцию 11.07.2006 г.
Исследованы магнитные свойства волокнистых Fe-Cu композитов, изготовленных методом пакетного гидропрессования. Измерения низкочастотной магнитной восприимчивости проводились на образцах, отличающихся числом и диаметром волокон армко-железа в медной матрице. Установлено, что в определенном интервале диаметров волокон процессы деформации и отжига кардинально изменяют характер петель гистерезиса восприимчивости во внешнем магнитном поле. Показано, что это изменение может быть обусловлено структурной неоднородностью волокон, а, следовательно, и неоднородностью их магнитной подсистемы.
PACS 75.75.+a, 75.30.Cr
ВВЕДЕНИЕ
Поведение доменной структуры в низкочастотных магнитных полях во многом определяет магнитные свойства магнитомягких материалов. Существенную роль при этом играют кооперативные эффекты, связанные с динамикой доменной структуры образца в целом в процессах намагничивания и перемагничивания [1-3].
Исследуемые в настоящей работе Fe-Cu композиты, изготовленные методом гидростатического прессования и волочения [4], представляют собой одноосно ориентированные волокна армко-железа, упорядоченно расположенные в медной матрице. Известно, что магнитные свойства такого рода материалов существенно отличаются от свойств объемных образцов. И чем меньше диаметр волокон, тем больше будет это различие [5]. С другой стороны, армко-железо относится к магнитомягким материалам, магнитные свойства которых зависят от размеров кристаллических зерен, особенностей доменной структуры, величины внутренних напряжений и т.д. Исследуемые композиты в процессе изготовления подвергались сильной деформации [6], которая, как и разупрочняющие термообработки, существенно влияет на структуру волокон [7], а, следовательно, и на магнитные свойства образцов.
Целью работы является исследование влияния процессов пластической деформации и термообработки на характер петель гистерезиса низкочастотной магнитной восприимчивости %ac во внешнем магнитном поле H.
ЭКСПЕРИМЕНТ
1. Волокнистые композиты с различным числом железных волокон в медной матрице изготавливались по следующей технологии. На первом этапе биметаллическая заготовка, представляющая собой медный стакан диаметром 37 мм (медь марки М06) с железным вкладышем диаметром 28 мм, подвергалась четырехкратной гидроэкструзии до диаметра 6 мм со степенями деформации от 76% до 43%. Промежуточные диаметры составляли 18, 10 и 8 мм. На этом этапе исходная заготовка и пруток диаметром 18 мм отжигались в течение двух часов в вакууме при температуре 550°С. Дальнейшая деформация до рабочего диаметра В = 3 мм проводилась методом многократного волочения с разовыми деформациями, не превышающими 12%.
На втором этапе методом пакетного гидропрессования изготавливались композиты с числом волокон п = 211. Для этого биметаллическая проволока, полученная на первом этапе, разрезалась на конструктивные элементы длиной 150 мм. Пакет таких биметаллических прутков в количестве 211 штук помещался в медный стакан диаметром 59 мм. Полученная заготовка подвергалась четырехкратной гидроэкструзии до диаметра 7 мм (промежуточные диаметры: 25; 14 и 9.5 мм), а затем многократному волочению до В = 3 мм.
Аналогично второму этапу на третьем и четвертом этапах изготавливались композиты с числом волокон п = 2112 и 2113. Расчетное значение диаметра волокон в образцах диаметром В = 3 мм по мере роста п составляло ё ~ 140; 8 и 0.45 мкм соответственно. В биметаллических образцах (п = 1)
d - 2.4 мм. Более детально технология изготовления образцов изложена в работе [4].
2. В эксперименте исследовались цилиндрические образцы длиной l = 34.5 мм и диаметром D = = 3 мм и менее. Как постоянное H, так и низкочастотное переменное магнитное поле hQ cos Wt направлялось вдоль оси образцов. Использование столь длинных образцов (l > D) было обусловлено необходимостью уменьшения величины макроскопического размагничивающего фактора N. В результате этого уменьшалось макроскопическое размагничивающее поле, а следовательно, и такие характерные поля, как поле насыщения Hs.
Образцы размещались вдоль оси измерительной катушки. Двухканальное синхронное детектирование сигнала, снимаемого с катушки, позволяло регистрировать как действительную, так и мнимую части низкочастотной магнитной вос-
приимчиВ°сти Xac = XL + i X "ac .
Вследствие скин-эффекта медная матрица, содержащая железные волокна, экранирует низкочастотное магнитное поле. Поэтому измерения проводились на минимально возможных в нашем эксперименте частотах. Так, например, на частоте Q/2tc = 40 Гц глубина скин-слоя в меди 8 ~ 1 см (8 > D) и эффектом экранирования поля матрицей можно пренебречь. Все графически представленные в настоящей работе зависимости X}ac (H) получены на этой частоте при hQ = 2 Э. Термообработка образцов осуществлялась в течение часа в вакууме при указанных в конкретных случаях температурах отжига tann. Оптическое изучение поперечных шлифов образцов выполнялось с помощью микроскопа "Neophot-2". Измерения микротвердости проводились на микротвердомере ПМТ-3.
АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
1. На рис. 1 приведены петли гистерезиса действительной части магнитной восприимчивости, полученные на образцах с различным числом волокон. Величина низкочастотного отклика нормирована на расчетное значение массы железа в каждом из образцов. При этом необходимо учитывать тот факт, что глубина скин-слоя в железе существенно меньше, чем в меди, из-за большого значения магнитной проницаемости. В результате величина X}ac будет заниженной по сравнению со значением, соответствующим массе железа в образце. В особенности это касается биметаллического образца, для которого 8 < d.
Анализ формы зависимости низкочастотного отклика от времени свидетельствует о том, что частотные (низкочастотные) петли гистерезиса имеют на используемых нами частотах, скорее всего, рэлеевский характер [8]. Так как во всем
х'с, произв. ед./г
Рис. 1. Петли гистерезиса действительной части магнитной восприимчивости х'ac образцов Fe-Cu композитов с различным числом волокон n (n = 1 - биметалл); D = 3 мм, tann = 550°C.
интервале полей Нвыполнялось неравенство X"ас ^
X}ас, ширина этих петель относительно невелика. Здесь величина X}ас характеризует угол наклона частотной (низкочастотной) петли гистерезиса Ф (X}ас ^ Ф), а X"ас - ее площадь. В магнитомяг-ких ферромагнетиках с узкой и пологой петлей гистерезиса намагниченности М величина X ^ас близка к значению производной dM|dH и зависимость X}ас (Н достаточно хорошо описывает характер зависимости М(Н). Однако это несправедливо в ферромагнетиках с широкой и крутой петлей гистерезиса намагниченности, в которых
величина X}ас может быть существенно меньше производной dM|dH [8]. Поэтому, сравнивая зависимости X}ас (Н), приведенные на рис. 1, нельзя, вообще говоря, утверждать, что по мере роста числа волокон наклон соответствующих петель гистерезиса М(Н) падает. Проделанные нами предварительные измерения намагниченности подтверждают это. Установлено, что с ростом Н коэрцитивная сила Нс и наклон петель гистерезиса М(Н) заметно возрастают.
Из рис. 1 видно, что все петли гистерезиса, за исключением полученной на образце с числом волокон п = 211, имеют "традиционный" характер: при Н > 0 восходящие ветви петель гистерезиса лежат выше нисходящих, а при Н < 0, наоборот. В образце же с п = 211 эти ветви самопересекаются и меняются местами при Н - ±130 Э и, следовательно, петля гистерезиса является частично инвертированной. Далее мы ограничимся анализом результатов, полученных на образцах с числом
Xас, произв. ед.
_I_I_I_I _I_I_I_I
0 50 100 150 200 0 50 100 150 200
Н, Э
Рис. 2. Фрагменты петель гистерезиса действительной части магнитной восприимчивости X'ас образцов с числом волокон п = 211; В = 3 мм: а - неотожженный образец; б - образцы, отожженные при ^пп = 350 и 600°С.
волокон п = 211, и попытаемся выявить причины, приводящие к такому аномальному поведению петель гистерезиса магнитной восприимчивости.
2. Приведенная на рис. 1 частично инвертированная петля гистерезиса магнитной восприимчивости Xполучена на отожженных образцах композитов с числом волокон п = 211. Однако на тех же, но неотожженных образцах инверсия не наблюдается (рис. 2а). Измерения, проведенные при различных температурах отжига, достигающих tann = 700°С, показали, что изменение характера петли гистерезиса происходит в интервале температур 350-400°С. При этом величина X\с су-
Хас 5
произв. ед.
-200 -100 0 100 200 Н, Э
Рис. 3. Фрагменты петель гистерезиса действительной части магнитной восприимчивости X}ас образцов
с числом волокон п = 211 и различным диаметром В: а - левая полуплоскость - неотожженные образцы; б - правая полуплоскость - образцы, отожженные при tann = 550°С.
щественно возрастает (рис. 26). Частично инвертированные петли гистерезиса магнитной проницаемости ^ас впервые наблюдались в Fe-Ni-Co спла-вах-перминварах ("перминвар-эффект") [8, 9]. При этом, как и в нашем случае, эффект наблюдался на образцах, отожженных при температурах ниже точки Кюри и медленно охлаждаемых до комнатной температуры.
В процессе изготовления образцы композитов подвергались значительной деформации. На каждом из этапов в результате пакетного гидропрессования и волочения суммарная степень деформации достигала величины е = 5.9, в том числе на "холодной" стадии, т.е. после двух предварительных отжигов, - величины е = 4.2. На рис. 3 приведены зависимости, иллюстрирующие влияние процессов деформации и отжига на характер петель гистерезиса магнитной восприимчивости. Измерения проводились на образцах диаметром В = 2; 1.5 и 1 мм, полученных волочением из образцов диаметром В =
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.