Структура и магнитные свойства микрокристаллических и аморфных сплавов железа с SP-элементами Елсуков, Евгений Петрович

Введение к работе

Актуальность проблемы, цель и задача работы Для описания магнетизма э твердых телах . используется различные подходы, основанные на взаииопротивопологяых представлениях о локализованных и делокализеванных магнитных моментах Ш. К середине SO-x годов бнл разработан для неупорядоченных сплавов переходных металлов с sp-элемэнтами (B.C.Al.Si.P и т.д.) целый ряд микроскопических и феноменологических теории, - базирующихся как на принципах зонного магнетизма Смодель переноса заряда, обсбыенная кривая Слэтера-Полннга ~ модель магнитной валентности а др.), так и на существовании локальных магнитных моментов. Среди последних наибольшие спора вызывает одноступенчатая модель Дгаккарино-Уолкера С 2).

Выбор в пользу тоге зля иного типа моделей мог бы быть сделан на основе экспериментальных данных. Однако, несмотря на значительный прогресс в получении информации об атомной структуре и магнитных свойствах неупорядоченное сплавов железа с sp-элементами, до сих пор нз потеряли актуальность исследования влияния на структуру н свойства концентрат»: и типа sp-элемента, хзрактера межатомных связей, топологического и химического беспорядков. Однозначный ответ на роль каждой из указанных причин не мог быть получен по следушкк обстоятельствам: -концентрационные интервалы суаествовакия разупорядоченкых

кристаллических 1РК) и амор|ных САЗ сплавов были существенно

ограничены и не перекрывались между собой; -влияние концентрации и типа sp-эяементов Сметаллоида) з

основном изучалось в ограниченном интервале концентрации ка

тройных системах, два компонента б которых были разного тлпа

металлоиды; -противоречивость экспериментальных данных и используемых

феноменологических моделей.

Лля решения поставленных Фундаментальных вопросов-магнетизма неупорядоченных систем железа с sp-элементами наиболее подходящими модельными объектами являлись бинаршге епягьы Fe-Ai, Ге-Si і: Fe-P - случай, когда при относительно налок изменении х^ьал?«Т!<ого радиуса зр-атомов от 0,118 до

- о -

0,106 им имеются значительные различия в числе внешних р-электронов от 1 для AI до 3 для Р, что позволяло рассмотреть влияние различных факторов при условии проведения комплексных исследований на неравновесных атомнораэупорядоченных кристаллических или аморфній сплавах во всей концентрационной области существования кооперативных магнитных явлений.

Среди известных способов получения неравновесных состояний в твердых телах наибольшее внимание привлекала механическая активация, одним из видов которой является измельчение в шаровой планетарной мельнице. Отдалось, что наряду с другими методами она позволит получить РК или А сплавы железо-Бр-элемент в широкой области концентрации.

Присутствие в сплавах кэотола "''Fe -предоставляло возможность использования в процессе изучения их структурных и магнитных свойств мессбауэровской спектроскопии, которая дает уникальный набор информации ка локальном микроскопическом уровне. Однако для получения достоверной и корректной информации требовался анализ возможностей данного метода в исследованиях неупорядоченных систем.

Целью данной работы было исследование природы формирования магнитных свойств неупорядоченных бинарных сплавов железа с sp-элементами lAl.Si.P) ка основе систематического изучения их макроскопической и локальной атомной структуры, интегральных магнитных параметров, средних и локальных сверхтонких магнитных взаимодействий с использованием в качестве базовых методов мессбауэровской спектроскопии, рентгеновской дифракции и магнитных измерений.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следутаие основные задачи: -получение разупорядоченных кристаллических и аморфных сплавов

келезо-зр-элемент преимущественно методом механической

активации; -анализ возможностей мессбауэровской спектроскопии для изучения

магнитного и структурно-фазового состояний в исследуемых

системах; -детальное изучение связи магнитных и. других физических свойств

с параметрами локального атомного . окружения стабильных и

метастабнльных упорядоченных по ДО -типу сплавов

Еелеэо-кремниП, выбранных з качестве базовой системы для

апробирования методики; -иі: -ледование структури и магнитных свойств неудорядочекнш:

сплавов Fe-Al, Fe-Si и Fe-P для установления роли концентрации

и типа, sp-злєментов, локальной ато?стой структуры,

топологического и химического Сеспорядкоз в формировании

магнитных свойств; -разработка феноменологической модели формирования сверхтонких

магнитных полей к магнитных моментов на атоме железа с учетом

эффектов локального атомного окружения.

Научная новизна работы С использованием механической актиЕэцил получены разупорядочеянке кристаллические сплавы Fe-Al и Fe-Si ло 0Q ат.% А1 к 70 ат.'-i Si (измельчение в шаровой планетарной мельнете), микрокристаллические и аморфные сплави Fe-P 20 45 ат.И Р (электрохимическое осащеяие и последующее измельчение в ступке). РК сплавы Fe-ЛІ с С_д, >40 ат.!'.. Fe-Si с С₃.>10 ат./. и аморфнке сплавы.Fe-P с С_р>25 ат.*<, неупорядоченное состояние которых аттестовано на микроскопическом уровне, полутени впервые. Выполнены экспериментальные оценки хавжгернла раз?^ероз мехаяоактизнрсваннкх областей (7-10 мкм).

Установлены основное закономерности формирования макроскопической и локальной атомной структуры неупорядоченных сплавов с ростем концентрации AlCSi.P). В рамках существования разуперядоченней ОЦК структури впервые - обнаружено нелинейное поведение кокиечтраакокккх зависимостей периода 00К решетки. В формировании лекальной атомной структури выделено три концентрационных интервала реализации неупорядоченных структур с координационным числом бликгйыего окружения атомов Fe 2=8(1), со случайным набором Z от 8 до 14 и хаотическим распределением атомов для каждого 2 СИЛ и 2=14(.III).

На основании известных к получениях, в настоящей работе экспериментальных результатов установлены как оош:е закономерности, так и различия в поведении концентрационных зависимостей - температура узгкнтного упорядочения Г„(СЗ. среднего магнитного мемекта на атом Fe mCC), среднего сверхтонкого магнитного поля НС С среднего изомерного сдвига 6 С С) и периода О ПК реаеткл а С С). Обнаружено, что наиболее

резкое изменение магнитных свойств совпадает с переходными областями II. При заданной концентрации sp-элемента выполняется условие .Т_с,а)р_вА1>(го,Я,Т_с,а)_Гв__гі>Ст,К,Т_с,а)_Гв__р. Из совпадения экспериментальных данных для сплавов Fe-Si в разупорядоченном кристаллическом и аморфном состояниях сделан вывод о том, что топологический беспорядок не оказывает определяющего влияния на формирование фундаментальных магнитных сеойсть в данной системе.

Установлены полные зависимости локальных сверхтонких магнитных полей U^ от числа К атомов AKSi.P) в ближайшем окружении атомов железа, основной особенность» которых является нелинейность и обращение в ноль при Kj-p-aCAl), 7CSO и 6СР). На основании вида зависимостей 1^ с учетом вклада о поляризации электронов проводимости смоделированы локальные магнитные моменты т^, обращающиеся в ноль при тех же значениях И.

Обнаруженные особенности в концентрационных зависимостях магнитных свойств КСО и тСС} аморфных и микрокристаллических сплавов впервые единым образом объяснены во всей области существования кооперативных магнитных явлений через характеристики локального атомного окружения Hj,, іг^ и вероятности локальных конфигураций атома Fe Р^С). В. частности, были объяснены значения критических концентраций, при которых средние магнитные параметры Т_с, m и Н обращаются в ноль: 70 ат.« А1. 60 ат.Н Si и 50 ат.*/. Р.

Впервые исследованы физические свойства и параметры локального атомного окружения метастабильных гомогенно упорядоченных по ДО^-типу сплавов Fe-Si с концентрацией Si от 25 до 33 ат.%, которые вместе со стабильными упорядоченными сплавами С11-23 ат. /, Si) были использованы для апробирования мессбауэровской методики.

Практическая значимость работы

Измеренные фундаментальные характеристики микрокристаллических и аморфных сплавов Fe-Al, Fe-Si и Fe-P, прежде всего представляют интерес для теоретических исследований неупорядоченных систем типа переходный металл-металлоид. Кроме того, полученные результаты могут быть использованы для прогнозирования структурно-фазового состояния и свойств сплавов лелеэа с sp-элементами, а также многокомпонентных систем на их

основе.

Метод механической активации может быть во многих случаях у», леино использован для получения неупорядоченных состояния со статистически однородным распределением атомов как при воздействии на исходно конофазные. так и многофазные системы.

Практически полезным для а."спериментаторов, использующих ЯГР спектроскопию, является гсеод. о корректности дискретной модельной обработки дояьшинства мессбауэровских спектров только в приближении I координационной сферы.

На зашігу выносятся: .

1. Метод механической активации - как способ получения статистически однородных неупорядоченных'состояний в системах железо-эр-элекент. Оценка размеров механоахтивированных областей.

2. Существование концентрационного перехода от неупорядоченного состояния с координационным числом г=8 к неупорядоченной структуре С 2=14.

3.Экспериментальные результаты по макроскопическим характеристикам физических свойств и локальным сверхтонким магнитным полям в микрокристаллических и аморфных сплавах железо-эр-элемент CAl.Si.P), г такж9 э метастгбпльных упорядоченных по Ж^-типу сплавах Fe-Si с С₃₁ =25-33 ъл.'л.

4. Модели локальных магнитных моментов иа атоме железа.

5. Феноменологическое описание интегральных магнитных свойств (средний магнитный момент на атом железа шСс), среднее сверхтонкое магнитное поле НСС)) во всей области существования кооаератигных кагнитнвх явлений через характеристики локального атомного окружения га^. Н^., Р*(С).

6. Рель топологического беспорядка - в формирования магнитных характеристик сплавов Fe-Si..

Апробация работа. ^: Материалы диссертации докладывались на Международных конференциях по физике переходных металлов (СССР, Кяев-1988), по применениям эффекта Мессбауэра СВенгрня-1989, Клтай-1991), "Интермаг" (Швецня-1993. США-1994),механохимші (Словакня-1993), на Мекународных и Всесоюзных согеяаниях по ядерно-спектроскопическим исследованиям сверхтонких взаимодействий (.Москва-1985. Гроэкый-1987, Алка-Ата-1989,

Ужгород-1991. Дубна-1993), Всесоюзных совеааниях по прикладной мессбауэровской спектроскопии (Москва-1988, Каэань-1990), Всесавзком симпозиуме по физике аморфних магнетиков СКрасноярск-19893. XIX Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений СТашкент-1991), XI совещании по кинетике и механизму химических реакций в твердом теле СМшіск-1992), IV всесоюзной конференции "Проблемы исследования структуры аморфных материалов" СИжевск-1992). IV Всероссийском координационном совещании педвузов по физике магнитных материалов (Иркутск-1986), Всероссийских научно-технических конференциях "Применение мессбауэровской спектроскопии в материаловедении" (Ижевск-1989, 1993), I Российской, университетско-академической . научно-практической, конференции С Ижевск-1993), научных семинарах в Московском, Удмуртском госуниверситетах, Уральском государственном техническом университете-УПИ, Институте физики металлов УрО РАН.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 1 обзоре, 28 статьях и 6 тезисах докладов, представленных в перечне литературы в конце автореферата,

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы- из 236 наименований. Общий объем работы составляет 282 страницы, в том числе 88 рисунков на 78 страницах. _; '