Происхождение и особенности инварных аномалий физических свойств

Домашнее задание

по дисциплине Специальные стали и сплавы

На тему: Сплавы с особым коэффициентом линейного расширения

Температурный коэффициент упругость сплав

Введение

 

Среди конструкционных материалов важное место занимают инварные ГЦК-сплавы на основе системы Fe-36% Ni,для которых свойственно аномально низкое термическое расширение в диапазоне температур 4.2-300 К. Кроме того, они обладают низкими значениями модулей упругости, теплопроводности, а так же большой объемной магнитострикцией и теплоемкостью. Благодаря низкому значению температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР), инварные сплавы находят широкое применение в различных областях техники, где предъявляются высокие требования к термической стабильности размеров изделия. [1]

 

 

Происхождение и особенности инварных аномалий физических свойств

 

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. В инварах эти параметры, как правило, по абсолютной величине на порядок больше, чем у обычных ферромагнетиков [2].

Еще не так давно к инварам относили лишь сплавы на основе γ-Fe систем Fe-Ni, Fе-Со, Fe-Pt, Fe-Pd и Fe-Mn. К настоящему времени инвароподобные свойства обнаружены в большом числе сплавов и соединений не только с кристаллической решеткой, но и с аморфной структурой. Из веществ с кристаллической структурой инвароподобные характеристики имеют сплавы с ГЦК-решеткой (на основе Fe-Ni), ОЦК-решеткой (Fе-Со), сложной кубической ре шеткой (фазы Лавеса ZrFe2, РЗМСо₂), с гексагональной решеткой (РЗМFе₁₇). Инвароподобные свойства характерны для материалов с маг нитным упорядочением второго рода (γ-Fe-Ni), первого рода (НоСо₂, ЕгСо₂) и для сплавов Сг-Fе, Сг-Fе-Мn и соединений Mn-As_1-xSb_x у которых основа Сг и MnAs имеет фазовый магнитный переход первого рода. В инвары включены зонные ферромагнетики на основе Зd-переходных металлов (сплавы на основе γ-Fe) и соединения РЗМСо, и РЗМFе₁₇, у которых часть электронов-носителей магнитного момента (4f-электроны) локализованы. Инвароподобные характеристики обнаружены не только в сплавах на основе или с участием Ре, но и в сплавах и соединениях, не имеющих в своем составе Fе, таких ZrZn₂, Ni-Pt, Ni₃Al, НоСо₂ и т.д.. Инвароподобными свойствами обладают как вещества с концентрационной негомогенностью (γ-Fe-Ni), так и соединения с концентрационной гомогенностью (фазы Лавесса). К инварам исследователи относят очень слабые зонные ферромагнетики (ZrZn, NiTi, Fe₃Al), слабые зонные ферромагнетики (γ-Fe-Ni) и сильные зонные ферромагнетики (Fе-Рt, Fе-Рd), а также антиферромагнетики (γ-Fe-Mn, Cr-Mn)[2].

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.

По характеру физических свойств γ-Fe-Ni сплавы можно разделить на три группы:

1.Ni и Fe-Ni сплавы, содержащие 70% Ni и выше.

2.Средненикелевые сплавы с концентрацией Ni ~45%-~70%.

3.Инвары с содержанием ~ Ni 28% -~5%.

В сплавах 1 группы слабые магнитообъемные аномалии наблюдаются только в окрестностях Т_с. По мере приближения в сплавах содержание № к ~70% отмеченные аномалии ослабевают до пол ной ликвидации (рис. 1.1)при этом разный характер зависимостей ω_s(T²) в интервале ∆T и ниже T_k нивелируется.

 

В итоге при 70%Ni β= 0 при всех температурах ниже Т_с. Практическое совпадение J_s/J₀ (T/T_c)сплавов 1 группы, особенно близких к 70%Ni, с функцией Бриллюэна B^1/2 свидетельствует, что хотя эти сплавы относятся к зонным ферромагнетикам, температурная зависимость J_s формируется в основном за счет пере ориентации магнитных моментов вдоль векторов намагничивания доменов при практическом постоянстве их величины при температурах ниже Т_с. Это мнение подтверждается термодинамическим анализом магнитных вкладов в физические свойства Ni в работе [3], в которой показано, что ферромагнетизм № удовлетворительно описывается как зонной, так и локализованной моделями. Отмеченное выше, и максимально возможные значения μ₀ и J₀, их совпадения с кривой C-П дало основание считать Ni и сплавы 1 группы сильны ми зонными ферромагнетиками [3]. Несколько более высокие значения μ_BNi в парамагнитном состоянии по сравнению с ферромагнитным дает основание предполагать, что в окрестностях Т_с возможно некоторое перераспределение электронов между Зd-подзонами, вызывающими те небольшие магнитообъемные эффекты в окрестностях T_с, которые отмечены выше. В сплавах 3 группы - инварах, несмотря на ослабление магнитообъемных аномалий при ферромагнитном упорядочении (рис. 1.2), постоянство коэффициента Р во всем температурном интервале от Т_с до 4.2 К свидетельствует о единстве природы ферромагнитного состояния при всех температурах ниже Т_с.

Fе-Ni инвары традиционно относят к слабым ферромагнетикам, так как их средние магнитные моменты не обладают максимально возможными значения ми, а μ_в и J₀ не ложатся на кривую С-П. В настоящее время установлено, что в этих сплавах магнитный момент появляется еще в парамагнитном состоянии благодаря спиновым флюктуациям и возрастает при переходе температуры через Т_с и далее вплоть до глубокого охлаждения. Сравнение поведения μ_в Ni и инваров дает основание утверждать, что знак коэффициента β, α, следовательно, и знак магнитообъемных аномалий определяются характером изменения μ_в при переходе сплава из парамагнитного состояния в ферромагнитное. В сильном ферромагнетике- Ni более высокое значение μ_в в парамагнитном состоянии по сравнению с ферромагнитным обеспечивают отрицательный знак коэффициента β.

В работе [1] установлено, что для γ-Fe-Ni сплавов характерно, что в слабом ферромагнитном состоянии спонтанная магнитострикция обратнопропорциональна квадрату температуры, а коэффициент спонтанной магнитострикции имеет положительное значение. В сильном ферромагнитном состоянии при температурах ниже t_к в γ-Fe-Ni сплавах магнитный вклад в ТКЛР практически не обнаруживается и только в узкой области температур, примыкающей к Т_с , спонтанная магнитострикция сплавов по составу близких к Ni пропорциональна квадрату температуры, а коэффициент спонтанной магнитострикции имеет малые значения и отрицательный знак.