научная статья по теме ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ОСОБЕННОСТИ ИНВАРНЫХ АНОМАЛИЙ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ. FE–NI СПЛАВЫ С ГЦК-РЕШЕТКОЙ Физика

Текст научной статьи на тему «ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ОСОБЕННОСТИ ИНВАРНЫХ АНОМАЛИЙ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ. FE–NI СПЛАВЫ С ГЦК-РЕШЕТКОЙ»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2007, том 104, № 2, с. 155-165

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА

УДК 669.018:472:537.634

ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ОСОБЕННОСТИ ИНВАРНЫХ АНОМАЛИЙ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ. Fe-Ni СПЛАВЫ С ГЦК-РЕШЕТКОЙ

© 2007 г. О. А. Хоменко

Российская инженерная академия УрО, 620049 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 4

Поступила в редакцию 10.10.2005 г.; в окончательном варианте - 31.01.07 г.

у^е-№ сплавы по характеру физических свойств могут быть разделены на три группы материалов: инвары, высоконикелевые сплавы и средненикелевые сплавы переходного класса. В инварах и сплавах переходного класса в интервале АТ, примыкающем к Тс, имеет место слабое ферромагнитное состояние. Для высоконикелевых сплавов и переходных сплавов при температуре ниже ^ характерно сильное ферромагнитное состояние. Инварные аномалии физических свойств в у^е-№ сплавах наблюдаются в температурном интервале, в котором происходит переход слабого ферромагнитного состояния в сильное состояние.

PACS 75.80^.,81.40^

Под инварными аномалиями физических свойств подразумеваются малые значения температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР), положительные или нулевые величины температурных коэффициентов модулей упругости, большие положительные значения спонтанной магнито-стрикции и магнитострикции парапроцесса, значительное уменьшение температуры магнитного упорядочения и намагниченности под действием давления и т.д. [1-3]. В инварах эти параметры, как правило, по абсолютной величине на порядок больше, чем у обычных ферромагнетиков [1].

Еще не так давно к инварам относили лишь сплавы на основе у^е систем Fe-Ni, Fe-Co, Fe-Pt, Fe-Pd и Fe-Mn [1, 3]. К настоящему времени инва-роподобные свойства обнаружены в большом числе сплавов и соединений не только с кристаллической решеткой, но и с аморфной структурой. Список таких материалов приведен, например, в работах [4-8]. Из веществ с кристаллической структурой инвароподобные характеристики имеют сплавы с ГЦК-решеткой (на основе Fe-Ni), ОЦК-решеткой (Fe-Co), сложной кубической решеткой (фазы Лавеса ZrFe2, РЗМСо2), с гексагональной решеткой (РЗМFe17) [3, 4, 7-11]. Инвароподобные свойства характерны для материалов с магнитным упорядочением второго рода (у^-№), первого рода (НоСо2, ЕгСо2) и для сплавов Cr-Fe, Cr-Fe-Mn и соединений Мп-Ав1 - Х8ЬХ, у которых основа Сг и МпАв имеет фазовый магнитный переход первого рода [1, 11, 12]. В инвары включены зонные ферромагнетики на основе 3й?-переход-ных металлов (сплавы на основе у^) и соединения РЗМСо2 и РЗМFe17, у которых часть электронов-носителей магнитного момента (4/-электроны) локализованы. Инвароподобные характеристики об-

наружены не только в сплавах на основе или с участием Бе, но и в сплавах и соединениях, не имеющих в своем составе Fe, таких как ZrZn2, №-Р^ №3А1, НоСо2 и т.д. [4, 7, 11]. Инвароподобными свойствами обладают как вещества с концентрационной негомогенностью (у^-№), так и соединения с концентрационной гомогенностью (фазы Лавесса) [10, 7]. К инварам исследователи относят очень слабые зонные ферромагнетики ^йп2, №Т^ FeзAl), слабые зонные ферромагнетики (у^-№) и сильные зонные ферромагнетики (Fe-Pt, Fe-Pd) [4, 13, 14], а также антиферромагнетики (у^-Мп, Сг-Мп) [3, 7].

Из изложенного выше видно, что инварный эффект не связан с определенным кристаллическим строением вещества, типом магнитного упорядочения, гомогенностью или негомогенностью твердого раствора, он является многогранным часто встречающимся в природе явлением. Возникает вопрос, имеет ли это явление единую природу или под инварным эффектом мы подразумеваем целый спектр свойств различного происхождения? Даже о природе инварных аномалий классических инваров на основе у^ в литературе нет единого мнения [2-7].

Одним из перспективных путей исследования инварных аномалий является феноменологический подход, основанный на законах термодинамики. В последние десятилетия, основывась в истоке на теорию фазовых переходов Ландау и работы Белова [1], феноменологическая теория инваров достигла заметных результатов. В пределах этого метода детально рассмотрено магнитоупругое взаимодействие - параметр, определяющий маг-нитообъемные и магнитоупругие аномалии инваров [15], изучена роль магнитных неоднородно-

стей в магнитном упорядочении и магнитообъем-ных эффектах инваров [16, 17], оценена роль взаимодействия магнитной, фононной и электронных подсистем в реализации инварных свойств [18].

В настоящее время из гипотез, посвященных микроскопическому описанию инварного эффекта, большинство, согласно обзорам [2, 3, 7, 14], имеют исторический интерес. Следует отметить, что подавляющее число этих представлений отражает одну или несколько граней многогранного инварного эффекта. Практически каждая из исторических гипотез сослужила свою положительную роль, способствуя более глубокому и разностороннему пониманию инварного эффекта. Например, хотя нет оснований утверждать наличие смешанного характера обменного взаимодействия во многих сплавах инварного типа (сплавы Fe3Pt, ZrZn2 и т.д.), именно магнитной негомогенностью удается объяснить состояние спинового стекла в богатых железом у^е-№ инварах при глубоком охлаждении [19]. Согласно зонной модели Стонера-Вольфарта [13, 14], у^е-№ инвары (~28 —45%№) отнесены к слабым зонным ферромагнетикам. Использование этой модели позволило объяснить многие физические свойства инваров [13, 14, 20, 21]. Создание на базе моделей Стонера и локализованных моментов Объединенной теории расширило возможности концепции слабого ферромагнетизма инваров, в частности, удалось связать наличие локального магнитного момента при температуре выше Тс со спиновыми флюктуациями [22]. Эти идеи получили дальнейшее развитие в работе [8]. Однако совпадение магнитных моментов FePd и FePt инваров с кривой Слетера-Полинга (С-П) дало основание отнести эти сплавы к сильным ферромагнетикам [3, 23, 24] и вызвать кризис модели слабого зонного ферромагнетизма инваров. Наиболее предрасположенной к развитию оказалась модель двух у-состояний атомов железа Вейсса [25]. Эта модель позволила объяснить магнитообъемные эффекты в ферромагнитных у^е-№ инварах, но возникли трудности в описании, например, спонтанной магнитострикции у^е-Мп антиферромагнитных инваров. Согласно Вейссу, основным состоянием в антиферромагнитных сплавах на основе у^е должно быть низкоспиновое угсостояние с малым атомным объемом. При нагреве до температуры Нееля ^ должно происходить термическое возбуждение высокоспинового у2-состояния Fe с большим атомным объемом и наблюдаться аномально большие значения коэффициента термического расширения при температурах ниже Однако характер аномалии ТКЛР ниже Тк в этих сплавах подобен у^е-№ инварам. Модель Вейсса за последние десятилетия прошла неоднократную модернизацию сначала в рамках концепции локализованных [26, 27], а затем коллективизированных электронов [28, 7]. Модель двух спино-

вых состояний (ДСС) наиболее законченную форму приобрела в работах Вассермана [7, 9, 29, 30]. Согласно этой модели, сплавы на основе у^е имеют идентичную природу, основным состоянием является высокоспиновое с большим атомным объемом. Термическое возбуждение низкоспинового состояния при нагреве с более малым атомным объемом вызывает частичную или полную компенсацию ангармонического термического расширения, вызывая инварную аномалию ТКЛР. В основе инварных аномалий физических свойств лежит момент-объемная нестабильность, характерная для сплавов на основе переходных металлов при определенной концентрации внешних ё + ¿--электронов на атом. В отмеченных выше работах представлены результаты расчетов полной энергии сплавов как функции магнитного момента, электронной концентрации и атомного объема, показана энергетика высокоспиновых - низкоспиновых превращений. Однако в рамках модели Вассермана (МВ) не удается четко объяснить различие физических свойств Fe-Ni и Fe-Pt инваров при температурах близких к 0К. Понятия о "мягком" и "твердом" магнитном поведении Fe-Ni и Fe-Pt инваров, соответственно, при низких температурах очень туманны. Как отмечено в работе [29], природа возбуждений основного состояния в инварах также до конца не понята.

В литературе имеются и другие точки зрения на природу инварных аномалий. В ряде работ [19, 31-33] высказано предположение о том, что в основе спонтанной магнитострикции лежат, прежде всего, различия удельного объема инваров в парамагнитном и ферромагнитном состояниях, возможность существования этих состояний в широком интервале температур с постепенным вытеснением парамагнитного состояния ферромагнитным по мере магнитного упорядочения. Фактически прямо или косвенно идет речь о фазовом магнитном переходе 1 рода, хотя и весьма своеобразном. В DLM-модели предполагается, что при ориентации или дезориентации спинов в пространстве происходит изменение зонной структуры, вызывающее соответствующие изменения магнитного момента и удельного объема инваров [35]. Последнее и определяет аномалию ТКЛР инваров. В работе [19] в основе инварных аномалий физических свойств для Fe-Ni инваров предложены спин-волновые и антиферромагнитные возбуждения, а в Fe-Pd инварах спин-волновые и парамагнитные возбуждения. В статье [34] инварные аномалии в Fe-Ni инварах связаны с изменениями магнитного момента, а в Fe-Pd-сплаваx с переориентацией спинов в пространстве при ферромагнитном превращении.

Подводя итог обзору отметим отсутствие единства взглядов на природу инварного эффекта в сплавах переходных металлов. Ограничиваясь сплавами только на основе 3ё-металлов, укажем два характер-

ных типа материалов: инвары типа у^е-№ и инвары типа у^е-Р!. Для первых характерно наличие аномалий физических свойств при всех температурах ниже Тс, а для вторых - в интервале температур, примыкающем к Тс и удаленном от 0К. Однако, как будет показано ниже, в системе у^е-№ также имеются сплавы по поведению физических свойств подобные у^е-Р! инварам. Этим сплавам, имеющим более высокую концентрацию никеля, чем у^е-№ инвары, в литературе уделено недостаточное внимание. Между тем одновременное изучение физических свойств отмеченных сплавов,

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.

Показать целиком