Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 12
1.1. Магнитные потери 12
1.1.1. Амплитуднонезависимые потери, связанные с процессами смещений доменных границ (ДГ) 13
1.1.2. Обратимые вращения векторов спонтанной намагниченности 15
1.1.3. Потери немагнитной природы и проблема их выделения из суммарных потерь 19
1.1.4. О макровихревых потерях в ферромагнетиках 22
1.2. О внутреннем трении, связанном с гистерезисом смещения ДГ 24
1.2.1. Экспериментальные закономерности 24
1.2.2. Способы теоретического описания потерь на магнитоупругий гистерезис (МУГ)... 28
1.3. Необратимые вращения векторов ls, индуцированные магнитным и упругим (самообращение намагниченности) полями 32
1.4. О потерях в сложных магнитных полях 36
1.5. О ДЯ и AG- эффектах в магнетиках, в том числе в сложных полях 37
1.6. Выводы 40
ГЛАВА 2. Определение распределения "легких" осей в магнитоупорядоченных средах 42
2.1. Наиболее распространенные способы экспериментального выявления текстуры в магнитоупорядоченных средах 42
2.2. Метод анизометрического зондирования текстуры магнетиков 44
2.2.1. Одноосные магнетики 44
2.2.2. Трехосные магнетики 49
ГЛАВА 3. Особенности диссипации магнитоупругои энергии в неоднородных упругих полях 59
3.1. Поведение ДГ в неоднородных упругих ПОЛЯХ и возможность явления "срыва" амплитуды их смещений 59
3.2. Процессы вращений в неоднородных упругих полях и генерация гармоник 66
ГЛАВА 4. Потери энергии и генерация упругих волн в переменных магнитных полях 71
4.1. Генерация упругих волн и их гармоник в одноосных магнетиках 71
4.2. Трехосные магнетики 81
4.3. Расчет результирующих амплитуд упругих волн в кристаллах и параметров их гармоник 98
ГЛАВА 5. Диссипация энергии в сложных магнитоупругих полях 101
5.1. Расчет диссипативных и акустических параметров в трехосных магнетиках в сложных магнитных полях 101
5.2. Некоторые результаты компьютерных расчетов исходных ориентации векторов Is втрехосныхмагнетиках 115
5.3. Упругие волны в одноосных ферродиэлектриках в сложных магнитоупругих полях 118
Заключение 128
Список литературы 130
- Потери немагнитной природы и проблема их выделения из суммарных потерь
- Необратимые вращения векторов ls, индуцированные магнитным и упругим (самообращение намагниченности) полями
- Поведение ДГ в неоднородных упругих ПОЛЯХ и возможность явления "срыва" амплитуды их смещений
- Некоторые результаты компьютерных расчетов исходных ориентации векторов Is втрехосныхмагнетиках
Введение к работе
Актуальность темы. В поле внешних воздействий ферромагнетик, как и любое твердое тело, перестраивается, переходя в новое равновесное состояние. Этот процесс характеризуется такими важными диссипативными величинами как внутреннее трение Q'' и коэффициент (акустического) поглощения а. Первая из этих величин определяется в зависимости от вида воздействия на магнитоупорядоченную систему (магнетик) либо долей энергии, рассеянной за период колебания, либо через фазовое запаздывание отклика системы на это воздействие, либо по полуширине резонансного максимума амплитуды вынужденных колебаний и т.д. Коэффициент поглощения, который иногда называют коэффициентом затухания упругой волны, определяется по ее ослаблению при распространении в магнетике.
Обе эти величины весьма информативны, поскольку даже без использования других методов исследований могут дать ценные сведения о структуре изучаемых систем. Так, используя данные по диссипативному отклику магнетиков, можно выявить текстуру, охарактеризовать магнитофазовый состав, оценить размеры доменов и концентрации доменных границ (ДГ), определить ориентацию магнетика и т.д. Если же к этому добавить исследования упругих волн, генерируемых переменным магнитным полем, то можно получить достаточно детальные представления о структуре магнетиков и процессах, происходящих в них под действием этих полей. Такие исследования важны как в научном, так и в прикладном плане, ибо без понимания природы этих процессов невозможно управлять ими.
Диссипация энергии в ферромагнетиках обусловлена несколькими причинами. При необратимых смещениях ДГ, имеет место магнитоупругий гистерезис (МУГ), для которого характерна ярко выраженная амплитудная зависимость {Xі. В области линейного отклика происходят обратимые смещения ДГ (амплитуднонезависимое внутреннее трение) и обратимые вращения векторов спонтанной намагниченности Is. Хотя изучение процессов диссипации магнитоупргой энергии ведется уже около века, тем не менее, многие стороны этих явлений до сих пор остаются мало исследованными. В связи с этим, а также учитывая то, что рассматриваемые виды магнитных потерь обычно являются преобладающими в сравнении с немагнитными, исследования диссипативных процессов остаются актуальными и в настоящий момент, как в практическом, так и в теоретическом плане.
Действительно, часто требуются материалы с определенным уровнем внутреннего трения Q'1, а на практике нередко появляется необходимость варьирования магнитных потерь в достаточно широких пределах либо изменением внешних условий, либо целенаправленным воздействием на их маг-нито-кристаллическую структуру. Без понимания физики этих процессов, без выявления механизмов и закономерностей, связанных со структурой доменов и ДГ в ферромагнетиках и ферритах, подобные задачи решать невозможно.
РОСНЛЦИОНАЛЬНАЯ { БИБЛИОТЕКА
ч^— in і rtm
В частности, в области линейного отклика где, судя по литературным данным, проведено немало исследований, касающихся изучения поглощения энергии в ферромагнетиках, тем не менее, остается много вопросов, связанных либо с интерпретацией выявленных экспериментальных закономерностей, либо с их теоретическим описанием. Это обусловлено тем, что часто используется малоинформативный полу феноменологически и подход. В результате некоторые вопросы вообще ни практически, ни теоретически не затрагиваются. В первую очередь это касается детальных экспериментальных исследований анизотропии поглощения продольных и сдвиговых волн в одно- трех- и четырехосных магнетиках и сопутствующих им эффектов. Отсутствуют опытные данные по дифференциальному Д и AG - эффектам в классических ферромагнетиках, хотя их исходные теоретические описания имеются. Проводились и исследования анизотропии амплитуднонезависимого внутреннего трения в идеализированных полиосных магнетиках. Предпринимались попытки учета взаимосвязи процессов смещений ДГ и вращений векторов Is в магнетиках с кубической симметрией в сопровождающих постоянных магнитных и упр>гих полях. Что касается систематических экспериментальных исследований частотной зависимости потерь, связанных с процессами смещений ДГ и вращений векторов Is, то они носят эпизодический характер. Нет ясности в вопросе о так называемых "критических" частотах, при которых согласно известной модели жесткозакрепленных гибких Д , последние могут существенно изменить вклад в величину внутреннего трения.
Для сложных полей (поля комбинированных внешних воздействий), судя по литературным данным, при описании в области линейного отклика диссипативных процессов в классических ферромагнетиках, также имеется ряд существенных пробелов. Безусловно, такие данные важны для практики, поскольку чаще всего реальные объекты исследований используются при одновременном наложении нескольких видов воздействий. Точно такая же ситуация сложилась и в исследовании процесса генерации упругих волн в переменных магнитных и упругих полях, в том числе при наложении еще и постоянных внешних воздействий. Выявление и последующее использование закономерностей при исследовании этих явлений, а также их строгое теоретическое описание возможны лишь на основе понимания природы рассматриваемых в работе диссипативных процессов.
Цель и задачи исследования. С учетом ситуации, сложившейся по данной проблеме, была поставлена цель:
Изучить особенности диссипации магнитоупругой энергии и генерации упругих волн в классических магнетиках с кубической и гексагональной симметрией с учетом процессов обратимых смещений ДГ и вращений векторов намагниченности доменов и найти их связь с магнитоструктур-ными параметрами системы, находящейся в сложном поле.
В процессе выполнения данной работы решались следующие задачи:
Рассмотреть и теоретически описать особенности диссипации магнитоуп-ругой энергии, обусловленной обратимыми смещениями и вращениями в неоднородных упругих полях для адекватной опыту модели жестко закрепленной ДГ. Найти связь соответствующих, им критических величин с магнитоструктурными параметрами кристаллов.
Разработать метод расчета параметров упругих волн и их гармоник, генерируемых доменными границами в одно- и трехосных магнетиках, находящихся в переменных магнитных полях.
Теоретически описать генерацию и диссипацию в кристаллах упругих волн и их гармоник, связанную с обратимыми вращениями векторов намагниченности доменов, индуцированными переменным магнитным полем.
4. Разработать алгоритм модельного описания диссипации волновых про-
, цессов, связанных с обратимыми вращениями векторов спонтанной на
магниченности в полидоменных одно- и трехосных магнетиках в сложных
полях. Учесть их взаимосвязь с фундаментальными магнитоструктурными
параметрами исследуемых систем. Найти метод расчета амплитуд акусти
ческих волн и их диссипативных параметров в кристаллах.
5. На основе анизометрического зондирования вращательного момента раз
работать идею метода количественного описания распределения "легких"
осей в реальных магнетиках, без которого конкретная реализация расче
тов, относящихся к поставленным выше задачам, невозможна.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту. Исследования по данной проблеме привели к разработке новых положений:
Особенности процессов обратимых вращений в магнетиках и поведения доменных границ в неоднородных упругих полях, которые сводятся к возможности генерации гармоник и явлений "срыва" процессов вращений и смещений доменных границ. Количественная связь характеризующих эти явления критических величин с магнитоструктурными параметрами магнетиков и внешними воздействиями.
Метод расчета эквивалентных компонент тензора напряжений, наводимых в магнетиках с кубической и гексагональной симметрией переменным магнитным полем, в том числе при наличии сопровождающих постоянных магнитного и упругого (одновременно) полей.
3.' Модельные описания процесса генерации переменным магнитным полем упругих волн, связанных со смещением доменных границ, а также результаты расчета внутреннего трения и коэффициента (акустического) поглощения для основной частоты и ее первой гармоники.
Аналитическое описание процессов диссипации и генерации упругих волн в полидоменных одно- и трехосных магнетиках с жестко закрепленными доменными границами.
Метод расчета параметров диссипации в моно- и подносных магнетиках в сложных полях, а также генерации акустических волн, наводимых переменным магнитным полем, с учетом геометрии доменной структуры и распределения магнитных фаз.
6. Анизометрический способ реализации предложенного метода количественного описания распределения "легких" осей в магнитоупорядоченных средах.
Научная новизна. В работе аналитически описаны важные особенности процесса диссипации магнитоупругой энергии, связанные как с обратимыми смещениями доменных границ, так и с обратимыми вращениями векторов спонтанной намагниченности, возникающими в переменных магнитных и сложных полях. Данное описание отчасти восполняет пробел в этой области экспериментальных и теоретических исследований, касающихся установления взаимосвязи внутреннего трения, коэффициента (акустического) поглощения, статического и динамического Д и AG - эффекта с магнитост-руктурными параметрами системы и величинами, характеризующими внешние воздействия. Решение подобной задачи создает предпосылки для поиска материалов с заданными диссипативными и магнито-акустическими свойствами и открывает возможность для их варьирования за счет наложения внешних полей.
Новым является предложенный метод расчета компонент тензора напряжений эквивалентных (по воздействию) переменному магнитному полю, в том числе и для случая сложных полей. Дано количественное описание генерации упругих волн с расчетом амплитуд их гармоник, фазовых запаздываний и коэффициентов поглощения. Рассмотрена анизотропия этих свойств в одно- и трехосных магнетиках. Описаны особенности процессов смещений и вращений в неоднородных упругих полях. Уточнен алгоритм аналитических расчетов диссипативных и акустических параметров магнетиков в сложных полях с использованием нормальных координат. Предложена идея метода анизометрического зондирования текстуры магнетика, основанного на нахождении опытным путем по анизотропии вращательного момента функции распределения "легких" осей магнетика.
Таким образом, в работе получены новые результаты по описанию процессов диссипации и генерации упругих волн в классических магнетиках в области линейного отклика в сложных полях, которые чаще всего и встречаются на практике.
Достоверность полученных результатов Результаты исследований, разработанные алгоритмы расчетов и выводы из них, представленные в диссертации, хорошо коррелируют с имеющимися экспериментальными данными, полученными разными авторами, а также с исследованиями других эффектов, которые описывались аналогичным образом. Для отдельных численных расчетов систем уравнений вращательных моментов использовались стандартные машинные подпрограммы.
Практическая значимость. Исследования, проведенные в работе, касаются теоретического описания процессов диссипации магнитоупругой энергии и генерации упругих волн в магнетиках. Они представляют большой практический интерес и могут использоваться: при выявлении текстуры, расчетах внутреннего трения, коэффициентов (акустического) поглощения и амплитуд генерируемых сигналов для основной частоты и ее гармоник.
Практическую значимость имеют способы описания магнитоупругих потерь в сложных и неоднородных упругих полях, а также способы выявления особенностей, касающихся критических явлений в магнетиках, связанных как со смещениями ДГ, так и с обратимыми вращениями векторов спонтанной намагниченности. Для практических целей представляют интерес предложенные алгоритмы и методы теоретического описания выявленных закономерностей по диссипативному отклику и математическому моделированию рассматриваемых явлений.
Апробация работы. Изложенные в диссертации результаты докладывались на VIII Российской научно-технической конференции "Материалы и упрочняющие технологии - 2000" (Курск, 2000), на X Международной конференции "Взаимодействия дефектов и неупругие явления в твердых телах" (Тула, 2001) - 3 доклада, на XI сессии Российского Акустического общества (Москва, 2001), на X Юбилейной Международной конференции по магнитным жидкостям (Россия, Плес, 2002), на V Международной конференции "Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов" (Воронеж, 2003). Работа выполнена в Курском государственном техническом университете в соответствии с "Перечнем приоритетных направлений фундаментальных исследований", утвержденных президиумом РАН (раздел ] .2 - "Физика конденсированных состояний вещества", в том числе подраздел 1.2.6 - "Физика магнитных явлений, магнитные материалы и структуры").
Личный вклад соискателя. Автором получены основные результаты-и научные положения, выносимые на защиту. Им проводился анализ выявленных закономерностей и подготовка материалов к опубликованию.
Публикации. Основные результаты, полученные в диссертации, представлены в 16 публикациях: 12 статей и 4 - тезисы докладов.
Сгр) ктура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, изложенных на 143 страницах машинописного текста, включает 5 рисунков, 2 таблицы, перечень используемой литературы, состоящий из 141 наименования.
Первая глава является обзорной. В ней кратко изложены основные литературные данные, имеющиеся по данной проблеме. В конце обзора сделаны выводы, подтверждающие актуальность и значимость темы исследований. Во второй главе изложены результаты, касающиеся наиболее распространенных способов выявления текстуры в магнитоупорядоченных системах, а также описана идея метода расчета функции распределения "легких" осей в магнетиках. Третья глава посвящена рассмотрению особенностей протекания процессов смещений и вращений в неоднородных знакопеременных упругих полях. В четвертой главе представлены методы аналитического описания диссипации магнитоупругой энергии и генерации упругих волн в переменных магнитных полях, обусловленные процессами обратимых смещений доменных границ и вращений векторов спонтанной намагниченности. Пятая глава посвящена описанию диссипации магнитоупругой энергии в сложных магнитоупругих полях (комбинированные внешние воздействия).
Потери немагнитной природы и проблема их выделения из суммарных потерь
Оно может возникнуть, например, при наложении переменного или постоянного магнитного поля Н, упругого воздействия сг, либо за счет создания дефектов кристаллической решетки. В связи с этим изучение диссипативных свойств ферромагнетиков и ферритов (магнетики) позволяет получить важную информацию о магнитной и кристаллической структуре исследуемых материалов. Высокая чувствительность диссипативного отклика и к структурным изменениям, и к внешним воздействиям делает этот метод исследования магнито-упорядоченных сред весьма информативным. Причина этой чувствительности заключается в том, что в магнетиках в поле внешних знакопеременных напряжений развиваются процессы смещения доменных границ (ДГ) и вращения векторов спонтанной намагниченности /5 доменов [1-4]. Эти процессы подразделяют на обратимые и необратимые. При необратимых смещениях доменные границы отрываются от мест их закрепления точечными или линейными дефектами, вызывая новый вид магнитных потерь: потери на магнитоупругий гистерезис (МУГ). Известны различные механизмы описания подобных потерь [2, 5, б]. Эта, так называемая, гистерезисная составляющая магнитных потерь чувствительна практически ко всем перестройкам доменной структуры, происходящим под влиянием внешних воздействий. Существуют, однако, и потери, связанные с необратимыми вращениями векторов Is к которым отдельные авторы относят большинство потерь на МУГ. Фактически такие представления о МУГ мы находим еще у Кочарда [3], а затем и в [7]. При внешних частотах 104Л/ возникают потери, связанные со спиновой релаксацией, обусловленной "вязким" поведением спиновой системы [8-10]. Известен также фононный и магнонный механизм диссипации энергии в ферромагнетиках [И]. В свою очередь потери, обусловленные обратимыми смещениями и вращениями подразделяют на микровихревые и макровихревые [1, 2] и связывают с токами, наводимыми соответственно в доменах и во всем образце, находящемся в поле знакопеременных напряже-ний. Все магнитные потери взаимосвязаны, однако, в первом приближении их можно считать независимыми и поэтому разделить на отдельные составляющие. Остановимся, более подробно, на этих отдельных составляющих.
Амплитуднонезависимые потери вызываются обратимыми смещениями ДГ и вращениями векторов Is. В обоих случаях происходят локальные изменения намагниченности под влиянием внешних напряжений [1], приводящие к возникновению микровихревых токов. Мэзон [12] для внутреннего трения, связанного со смещениями ДГ, получил - начальная восприимчивость, величина А определяется выбранным направлением в кристалле. Для процессов смещения время релаксации где D - размер домена, т,. изменяется от Ю-4 до 10 с, Es -Р модуль Юнга в насыщающих полях, р - плотность магнетика. Соотношение (1.1) подтверждается экспериментально в [13, 14] для никеля, а также в работах, посвященных описанию амплитуднонезависимых потерь [15-20]. Из (1.1) следует, что при частотах со«т-1 величина 2 1 со, а при со»т_ Q l со-1, т.е. величина Q ] этого типа достигает максимума при со = т"1. Было установлено, что внутренние напряжения ап распределенные в кристалле с периодом і, приводят к зависимости от них внутреннего трения [16] подтверждается в ряде работ [1, 3, 21, 22, 23, 24]. При этом получается, что f" - 0, когда I Is, и внутреннее трение здесь не зависит от амплитуды колебаний, а определяется частотой. Данный факт использовался для разделения внутреннего трения на составляющие. Попытка такого разделения сделана в [25] на примере никелевых трубок. Зависимость (1.2) аналитически получили Н.С. Акулов и Г.С, Кринчик [26]. Выводы данной теории подтверждаются на опыте на монокристаллах никеля и кобальта в мегагерцевом диапазоне частот [27, 28], а в [12] на поликристаллических никелевых образцах в килогерцовом диапазоне частот. Для железа [29] в области - 1 МГц был обнаружен максимум, зарегистрированный на частоте 0,2 МГц [30]. При интерпретации полученных закономерностей использовалась также и модель доменных границ, закрепленных дефектами кристаллической решетки [20]. На частотах - 104Л/ в магнитных полях наблюдался максимум зависимости Q ](H) в никеле [30-33], в железо-никелевых сплавах [23, 31, 34, 35], в перминваре [36]. С ростом поля Н внутреннее трение уменьшается и в железе [21, 37], и в никеле [38]. При этом в никеле выявлены два максимума Q 1, которые связаны с потерями на макро- и микровихревые токи [36].
В [39, 40] найдено частотное смещение максимума ?_1(я) В никеле, а в [41, 42] - влияние сжатия и растяжения на Q l. Кроме того, в [41, 42] обнаружено возникновение максимума затухания ультразвука в железе, в [43] - влияние сжатия на затухание в никелевых монокристаллах и ориентационная зависимость Q l [44, 45]. Наблюдалось затухание ультразвука в никелевых монокристаллах при нулевом значении константы анизотропии с максимумом [46]. При описании данного вида потерь, связанных со смещением ДГ, весьма информативным оказался подход с использованием достаточно хорошо адекватной опыту модели гибкой доменной границы, жестко закрепленной дефектами кристаллической решетки. Следует отметить, что описание проводилось с учетом типа ДГ и их концентрации, а также с учетом концентрации магнитных фаз в [47], где получены соотношения, описывающие анизотропию Q l, коэффициенты (акустического) поглощения и АЕ эффект. В [48] для исходного размагниченного состояния полидоменного трехосного магнетика учитывается взаимосвязь процессов смещений ДГ и вращений векторов спонтанной намагниченности Is. Рассмотрены следствия из модели гибкой ДГ, которые заключаются в проявлении существенных особенностей в поведении внутреннего трения в околорезонансной области частот в случае линейного отклика [49, 50]. Можно отметить, что работ, в которых проводились бы экспериментальные исследования рассматриваемого вида потерь в сложных полях нет, как нет и попыток их количественного описания.
Необратимые вращения векторов ls, индуцированные магнитным и упругим (самообращение намагниченности) полями
Внутреннее трение Q 1 ферромагнетиков наряду с магнитной 1 имеет и немагнитную Q x составляющую. Каждая из них отвечает реализации различных диссипативных процессов. Магнитная помимо двух рассмотренных включает гистерезис ную составляющую (амплитуднозависимая), связанную уже с необратимыми смещениями ДГ. При "больших" амплитудах деформации є (нелинейный отклик) появляется еще и составляющая, обусловленная необратимыми вращениями векторов /5. Потери немагнитной природы также определяются несколькими составляющими. При этом каждая из них может доминировать в той или иной области частот, температур, внешних воздействий и исходных структурных состояний исследуемой системы [63]. Все они зависят от типа дефектов, их концентрации и распределения в кристаллах. Вопрос о четком разделении внутреннего трения на составляющие не решен до сих пор. Так, еще К. Мишек (1964) предложил выделять 0"1 из Q l экстраполированием Q l{zM) на нулевую амплитуду. В этом случае потери на магнитоупругий гистерезис, казалось бы, должны обращаться в нуль. Но еще в 1962г. И.Б. Кекало и Б.Г. Лившиц экспериментально установили, что зависимости Q l(zM) в различных переменных магнитных полях при гм - 0 не пересекаются. Существует и другое несоответствие: при Нм - со величина Q J должна обращаться в нуль, a Q 1 остаться. Но тогда Q x( x ) должна быть меньше, чем Q ] при єм — 0. Однако, опыт проведенный на отожженных никелевых поликристаллических проволочных образцах этого не подтверждает. Видимо, значение Q {&M- 0) зависит от поля Я. Данный факт действительно следует из стохастической теории [64], причем, тогда для zM = 0 где G - модуль сдвига. То же самое с точностью до несущественного постоянного множителя получилось значительно раньше у Н.С Акулова и Г.С. Кринчика [26], на основании совершенно иных исходных представлений. Вопрос о разделении Q 1 на магнитную и немагнитную составляющие усложняется еще и тем, что при ЕЛ, -» 0 в области линейного отклика Q 1 содержит еще два слагаемых: "вращательную" составляющую и составляющую, обусловленную смещениями ДГ. Но обе эти составляющие при Нм- со обращаются в нуль, что видно из (1.1.1 и 1.1.2), так как для них Q l со т" Нм [63]. Кроме того поля Н влияют на взаимодействие ДГ с дефектами, а в переменном поле Нм с частотой у вслед за ДГ будут осциллировать и связанные с ними дислокационные сегменты. Амплитуда таких осцилляции равна /, 2» где/- осциллирующая сила с частотой у (для поля HM)f А - линейная /Лу плотность массы дислокационной линии. Как показано в [6, 60] эти осцилляции изменяют эффективную потенциальную энергию дислокации С на величину АС = А 2 а поэтому где п определяется видом распределения примесных атомов по дислокационным сегментам. В очень сильных полях Н может изменяться и дислокационная структура магнетика. При этом выделяют два случая: ДГ сильнее взаимодействуют с дислокациями, чем дислокации с закрепляющими их точечными дефектами и наоборот. В [6, 60] показано, что если дислокации слабее взаимодействуют с ДГ, чем с примесными атомами, то где ДЕгд - изменение энергии взаимодействия ДГ с дислокациями за счет поля Н. В зависимости от вида этих двух случаев мы получаем "последовательное" или "параллельное" включение механизмов диссипации. От этого же зависит и их регистрируемое на опыте "суммарное" эффективное значение Q l. Кроме того изменить немагнитную составляющую Q l могут сопровождающие статические упругие поля [65]. Таким образом, измеряемую на опыте в ферромагнетиках величину Q x нельзя однозначно разбить на составляющие, и даже вопрос о разделении ее хотя бы на магнитную и немагнитную части остается открытым. Это отмечалось еще в [1].
Поведение ДГ в неоднородных упругих ПОЛЯХ и возможность явления "срыва" амплитуды их смещений
С увеличением поля Я уровень ? (о) при небольших а уменьшается, либо изменяется с максимумом. В малых полях И выполняется закон Акулова (1.31). Линейность Q l(c) и исчезновение потерь на МУГ когда а — 0 наблюдали в никеле, причем в некоторых работах исследовано влияние поперечного магнитного поля на магнитомеханические явления в никелевой проволоке. То же самое имеет место в железе [87-91] и сталях [92, 93]. Во многих работах значения " (о- О) отличаются от
Причина этого в неправомерности экстраполяции Q x к нулевым значениям айв наличии потерь, связанных с обратимыми смещениями ДГ [94]. Данный вид потерь в металлах и сплавах рассмотрен в [95], а для экзотических материалов и состояний в [96]. Максимум Q ]{H), наблюдаемый в некоторых материалах, объясняется, например, на основе доменного механизма [97]. В сильно деформированном никеле зависимость ?" (#) получается слабо убывающей. В [98] для железа выяснилось, что Q x не зависит от а и уменьшается с ростом Я, а для кобальта наоборот: Q l зависит от а, но не зависит от Я [99]. С уменьшением процента примесей максимум Q l{H) И потери на МУГ возрастают. В сверхчистом железе при Я = 0 эти потери настолько велики, что Q x даже повторно не воспроизводится [100]. То же самое имеет место в хорошо отожженном никеле [101]. В переменных магнитных полях потери на МУГ обусловлены процессами, приводящими к ампли-туднонезависимому внутреннему трению. Для них закономерности изменения Q x (#) заметно отличаются в сравнении с постоянными магнитными по-лями. Так для полей Я с ростом а в случае железа величина максимума Q X\H) сначала растет, а затем стремится к нулю [102]. Экспериментальное изучение этого вида потерь продолжается и сегодня [103-108].
Известны и теоретические подходы к описанию потерь на МУГ от чисто интерпретационных до описаний феноменологического характера, рассмотренных в [2]. К ним относится подход, основанный на максвелловой интерпретации функции распределения внутренних напряжений. Однако он не дает выводов согласующихся с опытом. В доменном механизме [2] рассматривается и учитывается взаимодействие ДГ с дефектами в поле потенциала Рэлея. В [109] рассчитана величина пропорциональная Q 1 путем введения некоторых структурно-чувствительных характеристик вещества. При этом также вводится ряд формальных "корректирующих" величин и теряется связь с выяснением микроскопической природы МУГ. И.Б. Кекало и В.Л, Столяров распространили теорию Н.С. Акулова на область необратимых смещений ДГ [97]. Разлагая магнитоупругую энергию в ряд по степеням а, они получили для нее выражение Я3 и постулировали, что это слагаемое равно — 2 Ш Х(Зу? ljhfff3 где Л,- и V; - направляющие косинусы полей 2 Is м Я и о, Л - параметр потерь на МУГ. На основе этого для малых и больших полей Я и сг ими был определен вид зависимостей Q 1(H,G). Такой подход позволяет феноменологически описать основные закономерности изменения - (Я,сг).Г.П. Яковлев [7] же считает, что потери на МУГ связаны с необратимыми вращениями векторов Is в поле знакопеременных напряжений а. Однако, если в полях а, отвечающих максимуму Г (сг), процессы смещения ДГ уже завершены, то это еще не значит, что процессы смещения ДГ не дают вклада в МУГ, поскольку Q x hW, где AW— потери энергии за цикл колебания образца. Есть указание [2] и на то, что 180 ДГ также дают вклад в МУГ, если они связаны с 90е ДГ. Известен и стохастический подход, на основе которого было произведено теоретическое описание магнитоупругого затухания, учитывающее кроме двух статистических параметров и фундаментальные магнитоструктурные постоянные и параметры доменной структуры [6, 60, 64], При этом для железа были описаны, коррелирующие с опытом, зависимости Q lyH) С максимумом, а также изменения Q" (а) с максимумами в присутствии заданного переменного магнитного поля Я. Полученные соотношения описывают и закономерности смещения максимумов Q l при изменении сопровождающих малых переменных магнитных полей [60]. Разложение Q 1 в ряд по малым параметрам теории, например, дает где G - модуль сдвига, R - вторая константа Рэлея. Первое слагаемое здесь с точностью до несущественной постоянной величины совпадает с выражением, полученным еще Н.С. Акуловым и Г.С. Кринчиком с совершенно иных позиций. Второе слагаемое в (1.34) также согласуется с выражением, найденным ранее М. Корнецким [79]. Несколько иной вид для Q l получается в [6, 60] для амплитудной зависимости 2"1(еЯІ) в присутствии магнитного поля. Этот стохастический подход [64] в согласии с опытом описывает и температурную зависимость Q \ Затем данная теория была обобщена на случай трехмерной доменной структуры [6, ПО], в том числе и применительно к сложным полям (комбинированные внешние воздействия). Несмотря на ряд преимуществ стохастический подход имеет и некоторые недостатки, связанные, в частности, с тем, что при малой концентрации примесных точечных дефектов, закрепляющих ДГ, эта теория становится неприменимой. Кроме того, если один из стохастических параметров: среднюю квадратичную силу взаимодействия ДГ с дефектами, в принципе, можно рассчитать, зная распределение дефектов на ДГ, то другой ее параметр такого прозрачного смысла уже не имеет. Тем не менее, данный подход позволяет описать и основные закономерности, касающиеся, например, ориентационной зависимости МУГ для случая продольных волн в трехосном магнетике [6, 60]. Отчасти свободен от указанных выше недостатков микроскопический подход [6, 111]. Здесь описание основано на учете сил взаимодействия ДГ с дефектами, ее (ДГ) поверхностного натяжения и отрыва ДГ от точек закрепления.
Некоторые результаты компьютерных расчетов исходных ориентации векторов Is втрехосныхмагнетиках
Показано, что, например, в кобальте самообращение намагниченности возможно лишь в определенном интервале температур. Чтобы систему "взвести", перед исследованием зависимости 7(ф) необходимо выполнить закручивание. Затем образец переводится в состояние IR и включается циркулярное магнитное поле Нг, За счет него создается состояние с одной, явно преобладающей магнитной фазой. После этого самообращение намагниченности в кобальте будет происходить и при отсутствии поля Я,. Следует отметить, что строгое количественное описание данного явления в настоящее время невозможно, так как при этом необходимо учесть целый ряд одновременно развивающихся взаимосвязанных процессов. В их число входят и необратимые изменения в самой кристаллической решетке при развитии знакопеременной пластической деформации. Количественное описание сделано лишь в приближении преобладающей магнитной фазы [119, 120]. Расчеты, проведенные с помощью ЭВМ в [б, 120] для никеля и железа с учетом реальной зависимости магнитострик-ции от направления внешнего воздействия и ориентации вектора Is, показа ли, что зависимости а„Дб)= а« у„ , полученные для различных ориентации осей (Ю0) кристаллитов относительно аксиальной оси симметрии магнетиков, коррелируют с опытными данными. Кроме того, стало ясно, что самообращение намагниченности железа и никеля возможно лишь в определенном (установленном) интервале температур и ориентации магнетика относительно крутильной оси, когда условия реализации инверсии намагниченности оказываются выполнимыми. Сопоставление проведенных расчетов для с данными опыта позволяет судить о наличии текстуры магнетика. Весьма велика при этом роль внутренних напряжений и полей рассеяния, а значения 0О в (1.49) следует искать, решая вариационную задачу при а = 0. Создание строгой теории инверсии намагниченности хотя и проблематично, но необходимо в особенности для прикладных палеомагнитных исследований.
В сложных полях, под которыми понимаются поля комбинированных внешних воздействий (Я + Я и одновременно постоянное упругое воздействие cv и т.д.), изучение магнитоупругих потерь с точки зрения практики весьма актуально. Однако подобных работ, за исключением эпизодических исследований [121], до появления [6] практически не было. В [6] описано поведение Q l в полях Я и Я для одного и того же состояния магнетика, а также в полях Н + Н, Н + НГ (циркулярное), Я + Нг и т.д. Там же рассмотрен случай сопровождающих упругих растягивающих напряжений и дана интерпретация выявленных закономерностей на основе анализа соотношений между вращательными моментами, прикладываемыми при измерении внутреннего трения в области инфразвуковых частот для крутильных колебаний никелевых, железных, кобальтовых и некоторых других проволочных образцов. Каких-либо экспериментальных исследований в сопровождающих постоянных магнитных полях, относящихся к микровихревой, а также макро-вихревой компоненте магнитных потерь, не известно. Теоретически "вращательная" составляющая магнитных потерь, связанных с обратимыми вращениями векторов /5, описана в [61], [62] для трехосных и одноосных магнетиков, соответственно. При этом рассматриваются сопровождающие постоянные магнитные поля близкие к насыщающим в случае наложения малых (в области линейного отклика) знакопеременных напряжений. Выражения, полученные для Q 1 этого вида, определяются через магнитоструктурные параметры магнетика, геометрию его доменной структуры и ориентацию доменных границ относительно базисных осей кристалла, а также через величину и направление сопровождающего поля и ориентацию напряжений ст. При этом с учетом концентрации магнитных фаз найдена величина коэффициента акустического поглощения и зависимость скорости продольной упругой волны от направления в магнетике и частоты знакопеременных напряжений а.
Теоретическое описание гистерезисной составляющей Q x в сложных полях рассмотрено в [6] для двумерной доменной структуры и реальной трехмерной. В случае таких полей оказалась пригодной как стохастическая теория [6, 60, 64], так и энергетический подход [111, 112] с его несколькими вариантами описания отрыва ДГ от локализованных на них дефектов и прохождения ДГ через дефекты в магнетиках. К числу недостатков всех этих описаний можно отнести многопараметричность решений рассматриваемых задач. Сведений о работах других авторов, касающихся сложных полей, нет.
В ферромагнетиках и ферритах при наложении упругого воздействия ст за счет явления механострикции помимо гуковской деформации происходит дополнительное удлинение образца. Поэтому в них обнаруживается так называемый АЕ — эффект при продольном воздействии и AG - эффект при сдвиговом [51]. В области слабых полей для магнитомягких материалов это, наряду с малым разворотом векторов Is, приводит к смещению доменных границ. В сильных полях доминирующий вклад уже начинают вносить процессы вращения. По [51] смещения ДГ и вращения векторов Is будут происходить в таком направлении, чтобы в итоге возникло наибольшее совпадение магнитострикционного эллипсоида упругости с эллипсоидом внешней упругой силы. Из-за четности магнитострикции происходящее при этом перераспределение намагниченности не приводит к появлению результирующей намагниченности образца, но вызывает изменение его размеров. Теория магнитострикции была разработана Н.С. Акуловым [122], а экспериментально явление механострикции обнаружено Бычковым. Позже данная теория была уточнена Броуном, а еще более строго Беккером и Дерингом. Для материала с магнитострикцией насыщения Xs О внешнее напряжение, приложенное к размагниченному образцу (когда а » Ст/, где at - внутренние напряжения), кроме обычного удлинения гг вызывает еще и механострикционное гшх. Если же растягивать образец, намагниченный до насыщения вдоль сг, то добавочное удлинение уже составит ежх = 0.
