Введение к работе
Актуальность темы. Появление материалов с новым структурным состоянием может оказывать решающее влияние на прогресс материаловедения. К таким материалам можно отнести вещества с субмикрокристаллической (СМК), со средним размером кристаллитов порядка 100 им и нанокристаллической (НК), со средним размером кристаллитов около 10 нм, структурой, свойства которых в последнее время привлекают повышенный интерес исследователей. Этот интерес обусловлен тем, что в СМК и НК материалах обнаружены повышенные механические свойства (твердость, прочность, модуль упругости и другие), уменьшение температуры сверхпластичности, изменение теплоемкости, температуры Дебая и другие. Все это открывает новые возможности создания материалов с заданными рекордными свойствами.
Имеются также сведения об изменении магнитных свойств ферромагнетиков при переходе их структуры в СМК и НК состояние. Особый интерес вызывает тот факт, что в ферромагнетике с НК структурой величина намагниченности насыщения оказывается меньше, чем в его обычном крупнокристаллическом состоянии.
Среди различных физических свойств вещества магнитные занимают заметное место благодаря их огромной практической ценности. Вместе с тем даже для аморфных веществ, которые уже нашли широкое практическое применение, пока не создана удовлетворительная теория, объясняющая их магнитные свойства. Что касается веществ с СМК и НК структурой, то здесь не имеется не только теория магнитных свойств, но даже нет более или менее систематически проведенных экспериментальных исследований этих свойств. В существующих немногочисленных работах по магнитным свойствам ферромагнетиков с СМК и НК структурой пока не установлено единое мнение о природе наблюдаемых изменений магнитных свойств. Поэтому изучение магнитных свойств СМК и НК веществ, несомненно, будет способствовать не только выяснению природы этих свойств, но и решению проблемы магнитного порядка в кристаллографически неупорядоченных веществах, являющейся одной из актуальных задач физики конденсированного состояния вещества.
Имеющиеся результаты исследования магнитных свойств ферромагнетиков с СМК и НК структурой получены в основном на образцах, изготовленных комлактиро-ванием микропорошка соответствующего материала. Образцы, полученные по этой методике, имеют определенную пористость и загрязнение, которые в свою очередь могут повлиять на результаты исследований. Эти нежелательные факторы структу-
ры могут быть устранены, если при получении СМК структуры использовать метод интенсивной пластической деформации.
Таким образом, исследование магнитных свойств (не только гистерезисных, но и фундаментальных) ферромагнетиков с разнообразными параметрами в различных структурных состояниях и объяснение их физической природы являются в настоящее время весьма актуальными.
Цель работы. Целью настоящей работы является установление влияния особенностей СМК структуры на магнитные свойства чистых 3d- и 4йрерромагнит-ных металлов и некоторых высококоэрцитивных сплавов и объяснение физического механизма этого влияния. Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
-
Формирование беспористой СМК и НК структуры в образцах исследуемых материалов. Разработка и создание экспериментальных установок для исследования основных магнитных свойств малых образцов с требуемой точностью.
-
Установление основных факторов, влияющих на гистерезисные свойства 3d- и 4г-ферромагнитных металлов с СМК структурой.
-
Выяснение влияния СМК структуры на характер доменной структуры (ДС) магнитно-мягких материалов.
4., Исследование влияния особенностей СМК и НК структуры на величину намагниченности 3d- и 4f- ферромагнетиков.
-
Определение влияния СМК структуры на температуру магнитных фазовых переходов (точка Кюри и Нееля) в чистых ферро- и антиферромагнитных металлах.
-
Исследование влияния особенностей СМК структуры на величину гигантской магнитострикции и ее зависимость от напряженности магнитного поля в Dy и ТЬ.
1. Выявление закономерностей во влиянии СМК структуры на магнитные свойства некоторых высококоэрцитивных сплавов.
8. Объяснение физической природы обнаруженных особенностей магнитных свойств магнитоупорядоченных материалов с СМК структурой.
Научная новизна. Исследование гистерезисных свойств показало, что в чистых 3d- ферромагнетиках даже при размерах кристаллитов, близких к размеру одно-доменности, коэрцитивная сила (Яс) остается низкой, а в 4т-ферромагнетиках - высокой. На примере Л7 и Со впервые показано, что в магнитно-мягких ферромагнетиках с СМК структурой формируется "кооперативная" доменная структура.
Исследования температурной зависимости намагниченности и температуры
магнитных фазовых превращений показали значительное уменьшение таких фундаментальных характеристик чистых ферромагнетиков как намагниченность насыщения и температура магнитного превращения при переходе их структуры в СМК состояние.
Получены совершенно новые результаты по гигантской магнитострикции Dy и ТЬ. Согласно этим результатам величина гигантской магнитострикции в СМК структуре меньше чем в КЗ состоянии и в различных структурных состояниях она изменяется в магнитном поле по разному.
Показано, что в Dy и ТЬ с СМК структурой геликоидальный антиферромагнитный (ГАФМ) порядок не образуется.
Для объяснения полученных результатов предлагается модель, согласно которой в процессе интенсивной пластической деформации в материале образуется СМК структура, насыщенная дефектами высокой плотности. В такой структуре кристаллиты с размерами менее 10 им (например, Ni с НК структурой) при комнатной температуре становятся суперпарамагнитными, а в областях структуры с высокой плотностью дефектов (например, в редкоземельных (РЗ)-ферромагнетиках с СМК структурой) формируется кластерный спин-стекольный магнитный порядок вследствие флуктуации величины и знака обменного интеграла на несовершенствах кристаллической решетки.
Положения, выносимые на защиту.
-
Закономерности во влиянии структурного состояния образца на гистерезисные свойства чистых ферромагнитных металлов. Так, в За"-ферромагнетиках с СМК структурой Нс не превышает нескольких десятков кА/м, а в 4Г-ферромагнетиках -она достигает 280 кА/м.
-
Образование «кооперативной» доменной структуры в Ni и Со с СМК структурой, которая позволяет объяснить невысокую Яс в чистых СМК За*-ферромагнетиках.
-
Уменьшение намагниченности насыщения в ЛЇ с СМК (~ на 3%) и НК (до 30%) структурой и уменьшение намагниченности РЗ ферромагнетиков с СМК структурой в несколько раз и объяснение этих эффектов возникновением в очень мелких кристаллитах Ni суперпарамагнитного состояния, а в РЗ-ферромагнетиках с СМК структурой - образованием состояния, подобного кластерному спин-стекольному.
-
Отсутствие ГАФМ порядка в Dy и ТЬ с СМК структурой.
-
Значительное уменьшение температуры магнитных фазовых переходов в магни-тоупорядоченных веществах с СМК структурой и его объяснение.
-
Уменьшение величины гигантской магнитострикции в Dy и ТЬ при переходе их структуры в СМК состояние и большие необратимости в ее изменениях в магнитном поле.
-
Влияние СМК структуры на магнитные гистерезисные и фундаментальные свойства некоторых высококоэрцитивных материалов.
Научно-практическая значимость результатов. Полученные результаты исследования показывают, что при переходе структуры в СМК и НК состояние магнитные свойства чистых ферромагнетиков ухудшаются с точки зрения практического применения. Однако это не говорит об отсутствии научно-практической ценности данной работы. Многие установленные факты будут полезными для дальнейшего развития теории ферромагнетизма. Так, например, исследования гистерезисных свойств показывают, что при размерах кристаллитов, близких к размеру однодомен-ности, #с остается значительно меньшей предсказанного теорией для этого случая ее значения. Однако показанная нами своеобразная доменная структура, образующаяся в магнитно-мягких материалах с СМК структурой, полностью объясняет это несоответствие.
Что касается уменьшения таких фундаментальных величин как намагниченность насыщения и температура магнитных фазовых переходов, то они также являются серьезной задачей для теории ферромагнетизма. То же самое следует сказать об отсутствии ГАФМ порядка в кристаллитах очень малых размеров. И, наконец, в СМК состоянии структуры кривая аномалии теплового расширения ТЬ приобретает такую форму, при которой коэффициент теплового расширения остается практически постоянным в широком интервале температур, т.е. ТЬ с СМК структурой обладает инварными свойствами. Следовательно, обнаруженный эффект имеет большое практическое значение и может быть использован при разработке новых инварных материалов. Результаты исследования магнитострикции, несомненно, будут также полезными для теории магнетизма.
Таким образом, результаты данной работы показывают значительное влияние структурного состояния образца не только на гистерезисные, но и на фундаментальные свойства ферромагнетиков и это углубляет наши представления о природе магнитного порядка в твердых телах.
Разработанные экспериментальные установки и методы исследования могут быть использованы при изучении свойств образцов малых размеров.
Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на Всесоюзных конференциях по "Физике магнитных яв-
лений" (Свердловск, 1966; Ташкент, 1991); Всесоюзных конференциях "Сверхпластичность металлов" (Уфа, 1989; Уфа, 1992); Европейской кристаллографической конференции "XII ЕСМ" (Москва, 1989); Всесоюзных конференциях по постоянным магнитам (Новочеркасск, 1971; Суздаль, 1988 и 1991); III Всесоюзной конференции "Проблемы исследования структуры аморфных металлических сплавов" (Москва, 1988); XIV конференции по прикладной кристаллографии (Варшава, 1S90); Всесоюзном семинаре "Границы раздела в материалах электронной техники" (Черноголовка,1989); II Всесоюзном совещании "Метастабильные фазовые состояния - теплофизические свойства и кинетика релаксаций" (Свердловск, 1989); International symposium "MASHTEC. 90" (Dresden, 1990).
Вклад соискателя. Автор диссертации лично выбрал и сформулировал направление исследований, разработал и создал необходимые экспериментальные установки и проводил эксперименты по магнитным свойствам. Осуществлял научное руководство работой аспиранта, определял постановку задачи, интерпретировал результаты и написал большинство статей.
Тематика диссертации входила составной частью в программу научно-исследовательских работ Института проблем сверхпластичности металлов РАН по теме: "Исследование структуры и физических свойств наноструктурных материалов, полученных интенсивной пластической деформацией", которая выполнялась в рамках Всесоюзной Программы фундаментальных исследований "Космическая физика металлов" (Постановление ГКНТ от 27 мая 1987 года Na 164 и Распоряжение Президиума АН СССР от 27 июля 1987 года № 10103-1228, задание 1.3.13.26), Комплексной программы фундаментальных исследований проблем машиностроения, механики и процессов управления РАН и Всероссийской Государственной научно-технической программы "Новые материалы".
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 30 статьях и 20 тезисах докладов конференций. Список основных работ приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 274 страницах, содержит 93 рисунка. Список цитируемой литературы состоит из 265 наименований.
При выполнении работы большую помощь оказывала научный сотрудник лаборатории канд. физ.-мат. наук Корзникова Г.Ф. Результаты электронно-микроскопического исследования структуры образцов получены ею. При создании авто-
компенсационных магнитных весов большое участие принимал инженер Сагдетди-нов К.Н. Неоценима помощь канд. физ.-мат. наук Шарипова И.З., оказанная при создании дилатометра. Профессор МГУ Никитин С.А. любезно предоставил чистые РЗ металлы. Всем перечисленным лицам автор выражает искреннюю благодарность.
