Магнитные и магнитоупругие свойства аморфных металлических сплавов на основе железа

В связи с тем, что процессы перестройки тонкой структуры доменов оказывают значительное влияние на ход полевых зависимостей магнитоупругих характеристик в области слабых магнитных полей в пятой главе рассматривается влияние амплитудной и угловой дисперсии анизотропии на магнитоупругие характеристики узких магнитострикционных ферромагнитных полосок с одноосной наведенной анизотропией, а также пьезомагнитную восприимчивость и величину изменения намагниченности под действием упругих напряжений в ферромагнетике с одноосной анизотропией.

Рассматривается ферромагнетик в виде узкой полоски с ОЛН, ориентированной в его плоскости перпендикулярно длине образца. - абсолютное значение угла отклонения локальной ОЛН от ориентации наведенной ОЛН. Считается, что константа одноосной анизотропии образца K постоянна.

Вдоль длины полоски прикладываются сначала магнитное поле , а затем упругие напряжения . Процесс перестройки доменной структуры осуществляется путем поворота намагниченности в направлении действия магнитного поля. Проведен расчет значений , , пьезомагнитной восприимчивости и величины изменения намагниченности под действием (M = M - M₌₀, где M₌₀ - намагниченность ферромагнетика при приложении к нему только , M - намагниченность ферромагнетика при приложении к нему сначала , а затем ) в зависимости от величины. Получены следующие соотношения для :

(11)

- угол поворота намагниченности при , - относительная часть намагниченности, для которой угол между и в результате действия стал меньшим, чем 90⁰ в областях с локальным отклонением ОЛН -, ^, - часть намагниченности, для которой угол между и остается большим, чем 90⁰, ^, ₁ и ₂- углы поворота намагниченности в областях со значениями отклонения локальных ОЛН от ориентации средней ОЛН и -, соответственно. Выражения для в областях с отклонением локальных ОЛН от направления средней ОЛН и -, соответственно:

(12)

Значение величины пьезомагнитной восприимчивости и от областей с отклонением локальных ОЛН на углы и - может быть получено из соотношений:

(13)

Как следует из полученных результатов, с ростом ₀ и ростом K происходит рост значения и уменьшение величин , и M (рис. 5,6).

Влияние амплитудной дисперсии анизотропии K на величины , и M рассматривается также на основе модели вращения намагничивания. Полагается, что величина , а распределение константы одноосной анизотропии по величине подчиняется закону Гаусса. При этом - среднее значение константы одноосной анизотропии. Выражение для величин, и M в ферромагнетике с амплитудной дисперсией анизотропии K может быть записано в виде:

Рис.5. Зависимости (а) и M (б) от величины угловой дисперсии анизотропии для следующих значений параметров: M_s=1.5*10⁶A/м, =5*10⁵ Па, _S=3*10^-5, Н=30А/м. 1 - К=200 Дж/м³, 2 - К=150 Дж/м³, 3 - К=100 Дж/м³.

Рис.6. Зависимость (а) и M (б) от величины амплитудной дисперсии анизотропии для следующих значений параметров: M_s=1.5*10⁶ A/м, =5*10⁵ Пa, _s=3*10⁵, K₀=200 Дж/м³. 1 - H=20 A/м, 2 - H=30 A/м, 3 - H=40 A/м.

(14)

(15)

(16)

Показано, что уменьшается, а , и M возрастают с ростом K и H (рис.5, 6). Полученный результат объясняется следующим образом. Определим величину поля H_r, препятствующего повороту намагниченности, как отношение действующего магнитного поля H к углу поворота намагниченности, усредненному по областям с различными значениями угловой и амплитудной дисперсии как и , соответственно. , - средние значения углов поворота намагниченности для случаев угловой и амплитудной дисперсий анизотропии. Величина возрастает с ростом угловой и уменьшается с ростом амплитудной дисперсии анизотропии. В связи с этим, угловая и амплитудная дисперсия анизотропии оказывают качественно различное влияние на модуль упругости, пьезомагнитную восприимчивость и изменение намагниченности под действием упругих растягивающих напряжений.

В шестой главе рассматривается влияние начальных стадий кристаллизации аморфных металлических лент составов Fe₇₃Со₁₂B₁₅, Fe₆₄Со₂₁B₁₅ и Fe_81.5B_13.5Si₃C₂ на магнитные и магнитоупругие параметры, а также влияние рельефа их поверхности лент на квазистатические магнитные характеристики. Приведены результаты исследования влияния обработки постоянным электрическим током различной плотности на воздухе на магнитные и магнитоупругие параметры лент составов Fe_81.5B_13.5Si₃C₂ и Fe₆₄Со₂₁B₁₅. Проанализировано влияние упругих растягивающих напряжений на -эффект как аморфных металлических лент, прошедших обработку постоянным электрическим током, так и лент, прошедших ТМО.

Процессы структурной релаксации и кристаллизации оказывают существенное влияние на магнитные и магнитоупругие свойства аморфных металлических лент на основе железа [14,15]. Изменения магнитных и магнитоупругих свойств исследованы для аморфных лент составов Fe_81.5B_13.5Si₃C₂, Fe₇₃Co₂₁B₁₅ и Fe₆₄Co₂₁B₁₅ при протекании у них начальных стадий кристаллизации в процессе проведения ТМО. Образцы в виде узких полосок подвергались ТМО в интервале температур Т от 290⁰ до 440⁰С для лент состава Fe_81.5B_13.5Si₃C₂ и от 290⁰С до 380⁰С для лент составов Fe₇₃Co₂₁B₁₅ и Fe₆₄Co₂₁B₁₅. Параллельно со снятием зависимостей магнитных характеристик и - эффекта от и Т у лент определялся спектр их экзоэлектронной эмиссии. Наименьшие значения коэрцитивной силы и остаточной индукции для лент состава Fe_81.5B_13.5Si₃C₂ наблюдаются в интервале температур от 360⁰С до 390⁰С. При дальнейшем увеличении происходит рост и . Величина максимальна при = 380⁰С. При дальнейшем росте до 440⁰С наблюдается уменьшение . На рисунке 7(а-е) приведены зависимости магнитных характеристик лент составов Fe₇₃Co₂₁B₁₅ и Fe₆₄Co₂₁B₁₅ от температуры ТМО. Наименьшие значения и наблюдаются для обеих лент в интервале =300⁰-330⁰С. Зависимости для лент составов Fe₇₃Co₁₂B₁₅ и Fe₆₄Co₂₁B₁₅ имеют одинаковый характер. В области температур ТМО от 290⁰ до 310⁰С у исследованных лент наблюдается уменьшение максимального значения дифференциальной магнитной проницаемости, а в области =320⁰-350⁰С - ее увеличение. При дальнейшем увеличении вновь наблюдается уменьшение . Минимальные значения соответствуют, при которых достигаются и минимальные значения и. Таким образом, ход зависимости у лент составов Fe₇₃Co₁₂B₁₅ и Fe₆₄Co₂₁B₁₅ отличается от хода аналогичной зависимости у лент состава Fe_81.5B_13.5Si₃C₂. Температуры обработки, при которых достигаются максимальные абсолютные значения отрицательного -эффекта, совпадают с температурами обработки, при которых реализуются минимальные значениям и .

Рис.7. Зависимости величин , и от температуры ТМО аморфных металлических лент составов Fe₇₃Со₁₂B₁₅ (а-в), Fe₆₄Со₂₁B₁₅ (г-е).

Из анализа результатов измерений магнитных характеристик, -эффекта, спектров экзоэлектронной эмиссии с привлечением данных рентгеноструктурного анализа и дифференциального термического анализа полученные результаты объясняются следующим образом. При низких в быстрозакаленных лентах протекают процессы релаксации внутренних напряжений, что ведет к уменьшению и . Наиболее заметно это проявляется у лент состава Fe_81.5B_13.5Si₃C₂. Такой результат связывается с более высокой ленты состава Fe_81.5B_13.5Si₃C₂ по сравнению с лентами составов Fe₇₃Co₁₂B₁₅ и Fe₆₄Co₂₁B₁₅. Поэтому уменьшение уровня внутренних напряжений будет оказывать более заметное влияние на изменение магнитных параметров ленты состава Fe_81.5B_13.5Si₃C₂. С ростом в лентах увеличивается поле наведенной одноосной анизотропии, а основным механизмом перестройки доменной структуры лент становится механизм поворота намагниченности. Изменение механизма намагничивания лент приводит к уменьшению .Это позволяет предположить, что именно с этим связано уменьшение в диапазоне Т =290⁰ ч 310⁰С у лент состава Fe₇₃Co₁₂B₁₅ и в диапазоне Т =300⁰ч330⁰С у лент состава Fe₆₄Co₂₁B₁₅. Изменение механизма намагничивания лент приводит к изменению хода зависимости . Согласно модели однородного вращения намагниченности величина не зависит от , что наблюдается у лент состава Fe₆₄Co₂₁B₁₅ в интервале от 310⁰ до 330⁰С. Для лент состава Fe₇₃Co₁₂B₁₅ зависит от . Дано следующее объяснение поведения зависимостей у лент разного состава. В лентах, в которых единственным металлом является Fe, и в лентах c низким содержанием Co, поле наведенной ТМО анизотропии незначительно, а значения и - высоки. Как следствие этого, влияние внутренних напряжений, даже при низком их уровне, на ход зависимостей магнитных и магнитоупругих параметров лент от остается значительным. Поэтому помимо механизма вращения намагниченности большую роль в процессе намагничивания лент играют процессы смещения доменных границ, а также процессы перестройки тонкой структуры доменов, обусловленные угловой и амплитудной дисперсией анизотропии. В результате, на зависимости возникает характерный максимум. С ростом концентрации Со поле наведенной анизотропии возрастает, а значения М_s и л_s - уменьшаются, что приводит к уменьшению влияния внутренних напряжений на магнитные свойства аморфных лент в слабых магнитных полях. При этом величина не зависит от . Кристаллизации поверхности лент составов Fe₇₃Co₁₂B₁₅ и Fe₆₄Co₂₁B₁₅ начинает, как свидетельствуют результаты экзоэмиссионных исследований, интенсивно протекать при >300⁰C. Предполагается, что кристаллический слой у лент состава Fe₇₃Co₁₂B₁₅ образуется в интервале Т от 310⁰С до 330⁰С, а у лент состава Fe₆₄Co₂₁B₁₅ в интервале от 330⁰ до 350⁰. Плотность поверхностного кристаллического слоя больше, чем плотность аморфной матрицы, а его толщина значительно меньше толщины образца. Возникающие на поверхности ленты растягивающие напряжения уменьшают объем доменов с ориентацией намагниченности, не совпадающей с осью наведенной анизотропии, и константу наведенной в плоскости образца одноосной анизотропии. Сжимающие напряжения в объеме ленты незначительны и не разрушают анизотропию, наведенную ТМО. Считая, что при кристаллизации ленты на ее поверхности образуется кристаллический слой толщиной величину уменьшения константы наведенной анизотропии можно записать в виде:

(17)

где - плотность кристаллического слоя, - плотность аморфного материала, - коэффициент Пуассона, - толщина образца. Уменьшение константы анизотропии приводит к росту и к росту абсолютной величины отрицательного - эффекта. Величины и при этом не должны существенно изменяться. При высоких с увеличением происходит образование значительных по величине сжимающих напряжений в объеме образца, что вызывает рост константы перпендикулярной анизотропии и появление компоненты намагниченности нормальной к плоскости ленты. Это вызывает рост и , а также уменьшение. и связаны ссоотношениями: и, - поле перпендикулярной к плоскости образца анизотропии [15,16]. Увеличение приводит к уменьшению значения отрицательного -эффекта в лентах. Такое влияние температуры ТМО на магнитные и магнитоупругие параметры у лент состава Fe₆₄Co₂₁B₁₅ имеет место в интервале Т=350⁰Сч380⁰С, а у лент состава Fe₇₃Co₁₂B₁₅ в интервале Т =330⁰ч350⁰С. В то же время, повышение Т у ленты состава Fe_81.5B_13.5Si₃C₂ приводит к уменьшению отрицательного -эффекта и , а также к росту и при 380ч390⁰С. Таким образом, температурная зависимость интенсивности выхода экзоэлектронов, зависимости , и величины отрицательного -эффекта от температуры ТМО свидетельствуют о том, что на стадии кристаллизации поверхности лент составов Fe_81.5B_13.5Si₃C₂, Fe₇₃Co₁₂B₁₅ и Fe₆₄Co₂₁B₁₅ происходят изменения их магнитных и магнитоупругих характеристик.

Исследование влияния рельефа поверхности на магнитные свойства проводилось для аморфных металлических лент составов Fe_81.5B_13.5Si₃C₂, Fe₆₄Co₂₁B₁₅ и Fe₆₇Co₁₀Cr₃Si₅B₁₅, длиной 0,015 м, вырезанных под различными углами к оси прокатки образца (ОПЛ). Установлено, что ход кривых намагничивания, характеристики петель гистерезиса, а также значения _max зависят от угла между ОПЛ и Н (таб.1). Получены зависимости поля достижения максимума магнитной проницаемости от величины угла между направлением приложения и ОПЛ у лент различного состава. Влияние неоднородного рельефа поверхности на процесс намагничивания образцов увеличивается с ростом Н, что обусловлено усилением влияния полей рассеяния, связанных с образованием магнитных полюсов на неоднородностях рельефа поверхности лент. У всех исследованных образцов рост ведет к увеличению _,, и к уменьшению разницы между значениями магнитной проницаемости у образцов, вырезанных под различными углами к ОПЛ. При этом поле достижения максимума магнитной проницаемости Н. возрастает. Влияние угла для лент разных составов на их магнитные характеристики можно связать с различным периодом неоднородностей на поверхности лент различного состава. При этом магнитные полюса, возникающие на неоднородностях поверхности лент, будут создавать поля рассеяния по - разному влияющие на ход полевых зависимостей магнитных характеристик образцов различного состава.

Таб. 1. Максимальное значение дифференциальной магнитной проницаемости _max и поля его достижения Н,, от угла между Н и ОПЛ для лент различных составов.

Одним из способов обработки аморфных металлических лент является обработка их постоянным электрическим током различной плотности. При исследовании влияния обработки на воздухе постоянным электрическим током на магнитные и магнитоупругие характеристики аморфных металлических лент составов Fe_81.5B_13.5Si₃C₂ и Fe₆₄Co₂₁B₁₅ получены следующие результаты.

На зависимостях величины -эффекта от для лент состава Fe_81.5B_13.5Si₃C₂, обработанных при различных j, практически во всем интервале магнитных полей наблюдается только положительный -эффект. При этом для лент состава Fe₆₄Co₂₁B₁₅ наблюдается как положительный, так и отрицательный -эффект (рис.8). Модель вращения намагниченности в приповерхностной области позволяет описать ход зависимости величины -эффекта от только у ленты состава Fe₆₄Co₂₁B₁₅. Отсутствие у ленты состава Fe_81.5B_13.5Si₃C₂, отрицательного -эффекта может быть связано с тем, что при обработке на воздухе электрическим током, на поверхности ленты образуется слой соединения FeSiO, создающий значительные внутренние напряжения и разрушающий наведенную анизотропию. В результате доменная структура ленты будет иметь неоднородный характер, а основным механизмом ее перестройки под действием будет являться процесс смещения не 180⁰-ных доменных границ, приводящий к положительному -эффекту.

Рис.8. Зависимости величины -эффекта от магнитного поля : а - для ленты состава Fe₆₄Co₂₁B₁₅ (1-=2^.10⁷A/м², 2-=2,7^.10⁷A/м², 3-=3,3^.10⁷A/м², 4-=4,7^.10⁷A/м², 5-=5,3 ^.10⁷A/м², 6-=6,6^.10⁷A/м²); б-для ленты состава Fe_81.5B_13.5Si₃C₂ (1-=4,3^.10⁷A/м², 2-=4,6^.10⁷A/м², 3-=4,9^.10⁷A/м², 4-=5,2^.10⁷A/м², 5-=5,5^.10⁷ A/м²).

Для подтверждения сделанных предположений исследованы магнитные характеристики аморфных металлических лент тех же составов. На рисунке 9 приведены зависимости дифференциальной магнитной проницаемости от для лент прошедших обработку при различных значениях . Существование максимумов на зависимостях () свидетельствует о том, что значительную роль в процессах намагничивания лент играют процессы смещения доменных границ. Об этом же свидетельствуют высокие значения исследованных лент. Полученные результаты могут быть объяснены, если предположить, что протекающий постоянный электрический ток наводит в приповерхностных областях лент ось легкого намагничивания, перпендикулярную длине полосок. Так как магнитное поле от постоянного электрического тока ориентировано противоположно на поверхностях ленты, то и ориентация намагниченности на ее противоположных поверхностях будет иметь противоположные направления. При этом в серединной части полосок находится область, в которой намагниченность направлена вдоль длины образцов. При приложении вдоль длины полосок в их серединной части протекают в основном процессы смещения доменных границ, чем и обусловлено появление максимума на зависимости (), а также высокие значения исследованных образцов.

Для лент состава Fe₆₄Co₂₁B₁₅, прошедших ТМО и обработку постоянным электрическим током, установлен характер влияния упругих растягивающих напряженийв интервале (0ч40) МПа вдоль длины образцов, на ход полевых зависимости величины их -эффекта. Для построения модели, объясняющей влияние на - эффект аморфных лент, с образцов снимались петли гистерезиса. Магнитное поле и упругие растягивающие напряжения ориентированы вдоль длины полосок.

Наибольшие изменения величины отрицательного -эффекта под действием наблюдаются в лентах, прошедших ТМО при =300⁰-340⁰С (рис.10А) и в лентах, обработанных электрическим током при =(3,3ч4,5)^.10⁷А/м² (рис.10Б). Независимо от характера обработки лент, приложение к ним относительно небольших в диапазоне от (0,40,8)МПа до (24)МПа ведет к увеличению максимального абсолютного значения отрицательного -эффекта. Рост выше определенного значения приводит к уменьшению поля достижения максимума отрицательного - эффекта. Как следует из зависимостей() и , у образцов, прошедших ТМО, величины и увеличивается с ростом (рис.11,12). При =0 величина незначительно изменяется с ростом , а величина мала, что свидетельствует о преобладающей роли механизма поворота намагниченности в процессах перестройки доменной структуры лент. При приложении величина дифференциальной магнитной проницаемости возрастает, а на зависимости появлялся характерный максимум. Такое изменение хода зависимости , а также рост при увеличении свидетельствует об изменении основного механизма намагничивания аморфных лент при приложении к ним растягивающих напряжений. Характер зависимости , а также относительно высокие значения при =0 Па для лент прошедших обработку постоянным электрическим током, свидетельствует о неоднородном характере их процесса перемагничивания, даже в отсутствии приложенных растягивающих напряжений, а также о значительном вкладе механизма смещения доменных границ в процессы перестройки их доменной структуры.

Рис.9. Зависимости магнитной проницаемостиот магнитного поля; а - лента состава Fe₆₄Co₂₁B₁₅, б-лента состава Fe_81.5B_13.5Si₃C₂; (1а-=3,2^.10⁷А/м²,1б-=4^.10⁷А/м², 2-=5,6^.10⁷А/м², 3-=6,4^.10⁷А/м², 4а-=7,2^.10⁷А/м², 4б-=6,8^.10⁷ А/м²).

Поведение величины -эффекта под действием и у лент, прошедших различную обработку, качественно одинаково, что связано с идентичными механизмами перестройки их доменной структуры. Независимо от характера обработки лент при приложении к ним относительно малых максимальное значение отрицательного -эффекта возрастало, а при дальнейшем увеличении - уменьшалось. Сделан вывод о том, что условием высокой чувствительности -эффекта к действию упругих растягивающих напряжений у аморфных металлических лент является наличие однородной по всему их объему одноосной наведенной анизотропии.

В седьмой главе рассмотрено влияние различных режимов обработки (термическая обработка без магнитного поля в вакууме различной глубины, обработка постоянным электрическим током), длины образца и упругих растягивающих напряжений на магнитные свойства аморфных проволок состава Fe₇₅Si₁₀B₁₅. Представлены модели, описывающие зависимости коэрцитивной силы и дифференциальной магнитной проницаемости от значений упругих растягивающих напряжений, на основе представлений о механизмах перемагничивания ядра проволоки. Приведены результаты исследований магнитных свойств аморфных металлических проволок состава Fe₇₅Si₁₀B₁₅, прошедших термическую обработку в вакууме 5^.10^-6 мм. рт. ст., а также проволок, обработанных постоянным электрическим током на воздухе.

Наиболее чувствительным к условиям обработки параметром проволок является их остаточная индукция. Зависимости остаточной индукции проволок В_r.от температуры и величины электрического тока обработки являются качественно подобными (рис.13 а,б). Наибольшие изменения наблюдаются в диапазоне электрических токов обработки от 0,5 А до 0,8 А, что можно связать с протекающими в проволоках процессами структурной релаксации и кристаллизации. Зависимость имеет немонотонный характер и определяется уровнем внутренних напряжений проволок, величина которых в приповерхностной области проволоки составляет порядка 10⁸ Па. При этом приложение в интервале от 6,5^.10⁵ Па до 10⁸Па не приводит к изменению ориентации намагниченности в приповерхностной области и не вызывает роста B_r. Приложение по величине близких к значениям внутренних напряжений в приповерхностной области проволоки, ведет к переориентации намагниченности вдоль линии приложения и увеличивает В_r.

Исследования магнитных свойств аморфных металлических проволок, прошедших термическую обработку в вакууме 10^-3 мм. рт. ст. в течение 30 минут в интервале температур от 375⁰ C до 530⁰ С показывают, что уменьшение длины образца от 0.04 до 0.02 м для всех температур обработки приводит к уменьшению В_r и . Уменьшение от 0,04 до 0,02 м в интервале = 425ч475⁰С сопровождается появлением участка на зависимости , на котором ?const (рис.14). Такой результат свидетельствует об изменении основного механизма перестройки доменной структуры образцов под действием при уменьшении . Согласно модели однородного вращения намагниченности, величина при перемагничивании образца вращением намагниченности не зависит от .

Если основным механизмом перестройки доменной структуры образца является смещение доменных границ, то зависимость (Н) имеет максимум. Таким образом, с уменьшением от 0.04 до 0.02 м в проволоках происходит изменение механизма намагничивания их ядер, т.е. переход от смещения доменных границ к вращению намагниченности.

А Б

Рис.10. Зависимости величины -эффекта от магнитного поля Н при различных значениях растягивающих напряжений : Д - = 0 МПа, ? - =0,8 МПа, ¦ - = 2 МПа, ^ - = 4 МПа, _ - = 8 МПа, ¦ - = 20 МПа. А - для лент, прошедших ТМО при температурах : a - =300⁰С, б - =320⁰С, в - =340⁰С; Б - для лент, прошедших обработку постоянным электрическим током плотностью: a-=3,3^.10⁷А/м², б -= 4,0^.10⁷А/м², в - =4,5 ^.10⁷ А/м².

Рис.11.Зависимости дифференциальной магнитной проницаемости от магнитного поля Н, при различных значениях растягивающих напряжений : Д - = 0 МПа, ? - =0,8 МПа, ¦- = 2МПа, ^-= 4МПа, _ - = 8 МПа, ¦ - = 20 МПа: а - образцы, прошедшие ТМО при температуре Т=320⁰C; б - образцы, прошедшие обработку постоянным электрическим током плотностью j= 4,0^.10⁷А/м².

Рис.12. Зависимости остаточной индукции B_r (): а - образцы, прошедшие ТМО при температуре T (¦-T=300⁰С, ^-T=320⁰С, Д-T= 330⁰С, ¦ - T=350⁰С); б - образцы, прошедшие обработку постоянным электрическим током плотностью j (^-j = 3,3^.10⁷А/м², Д -- j=4^.10⁷А/м², ¦-j =4,3^.10⁷А/м²,¦- j =4,7^.10⁷А/м²)

Рис.13. Зависимость остаточной индукции B_r проволок от температуры T их термической обработки (а) и от электрического тока обработки I (б), =0,03 м.

Рис.14. Зависимость дифференциальной магнитной проницаемости проволок от магнитного поля при температуре обработки =475єС: 1-0.04 м; 2-=0.03м; 3-= 0.02 м.

Изменение механизма намагничивания проволок объясняется ростом размагничивающего фактора их ядра при уменьшении . Вместе с тем, значение у проволок практически не зависит от и в интервале =400ч475⁰С не превышает 10 А/м, что не согласуется с ранее полученными результатами [16], согласно которым ~^1/2. Лишь при больших значениях наблюдается рост проволок, но и при этом зависимость~^1/2 не выполняется (таб.2). Для объяснения полученных результатов предложена модель продвижения доменной границы в ядре проволоки. Пусть верхушка домена, распространяющегося в ядре проволоки, имеет конусообразную форму. При этом перемагничивание ядра на первом этапе осуществляется путем вытягивания верхушки домена вдоль длины проволоки. Функциональное выражение для энергии доменной структуры может быть записано в виде:

W? -2м₀HM_sLr²+2гr(4r²+b²)^1/2+ 2м₀H_c^wM_sbr (18)

где- длина верхушки домена, - коэрцитивная сила доменных границ. Из условий и , получим выражение для поля смещения верхушки домена в ядре проволоки:

= + (19)

В результате действия происходит рост . В случае, если в образце существует значительная амплитудная дисперсия анизотропии, то выражение для значения поля смещения доменных границ при действии , вдоль длины проволоки, можно записать в виде Н_{см у}=Н_{см у=0} ^. (К/(К+3/2л_sу))^1/2 [17], где - значение поля смещения доменных границ при =0, . Таким образом:

Н_сму=H_c^w[у_i/(у_i+у)]^1/2+4(1.5Aл_sу_i)^1/2/м₀M_Sr (20)

Как следует из (20), величина Н_сму слабо зависит от и уменьшается с ростом. Таким образом, предложенная модель объясняет экспериментальную зависимость () в области малых значений растягивающих напряжений.

Таб. 2. Зависимость коэрцитивной силы исследованных проволок длиной 0,04 м, обработанных при 475⁰С от величины , ориентированных вдоль длины образца.

В восьмой главе проведена оценка размеров и энергии доменов, реализация которых возможна в ядре аморфной металлической проволоки. Установлено влияние магнитного поля, коэрцитивной силы и длины домена на его радиус (8.1). Определена наиболее энергетически выгодная форма домена в ядре проволоки, обладающего наибольшей устойчивостью к магнитному полю. Исследованы механизмы распространения доменной верхушки, разделяющей противоположно намагниченные домены в ядре проволоки, под действием магнитного поля (8.2).

Для определения условий существования устойчивого домена в ядре проволоки необходимо учитывать его энергетическое состояние, оценить которое можно, рассматривая две энергетические составляющие: магнитную W_magn и диссипативную W_dis [18]. Магнитная составляющая энергии включает магнитостатическую энергия домена, энергию доменных границ и энергию намагниченности домена в магнитном поле. В диссипативную энергию входят энергия, затрачиваемая на перемагничивание домена и энергия, затрачиваемая на перемагничивание переходной области, разделяющей ядро и приповерхностную область. Условие устойчивого состояния домена - ДW_magn?ДW_dis. Рассматривались условия устойчивости для доменов, имеющих различные формы (рис.15). Энергетически выгодный размер домена находили из условия дW/дr=0, где r - радиус основания домена. Для реализации доменов, состоящих только из двух конусообразных верхушек или в виде эллипсоида вращения с доменными границами близкими к 180⁰-ным необходимые значения составляют несколько десятков и даже сотен А/м. Для реализации устойчивых доменов в виде цилиндра без доменных верхушек, в виде цилиндра с двумя конусообразными доменными верхушками и домена с несколькими зигзагообразными верхушками необходимое значение не превышает 10 А/м. C увеличением , противоположного намагниченности домена, минимальная длина устойчивого домена возрастает (рис.16). Рост магнитного поля, параллельного намагниченности домена, приводит к уменьшению минимальной длины устойчивого домена. Наиболее энергетически выгодным оказываются домен, состоящий из цилиндрической части и двух конусообразных верхушек. Приблизительный интервал изменения энергий доменов в зависимости от их размеров и магнитных полей составляет 10^-9-10^-12 Дж.

Рис.15. Рассматриваемые конфигурации домена в ядре проволоки.

Исследованы механизмы распространения доменной верхушки, разделяющей противоположно намагниченные домены в ядре проволоки под действием магнитного поля. Верхушка, разделяющая домены с противоположной намагничен-ностью в ядре проволоки, имеет конусообразную форму. Энергию можно записать в виде , где - поверхностная плотность энергии 180⁰-ных доменных границ,- коэффициент, зависящий от магнитных характеристик материала, -угол при доменной верхушке . Из условия находилось значение угла и длины верхушки при. Величина при значениях параметров, характерных для магнитомягких материалов (=0,001ч 0,003Дж/м² и =0,02ч0,03Дж/м²) при =0 составляет 20ч30⁰, а (2ч3)^.10^-4м.

Рис.16. Зависимости радиуса домена, состоящего из цилиндрической части и двух конусообразных верхушек, от его длины при величине =10 А/м и различных значениях магнитного поля , противоположного направлению намагниченности домена в ядре проволоки: 1-=3 А/м, 2-=5 А/м, 3-=7 А/м, 4-=9 А/м, 5- = 9,5 А/м, 6-=9,9 А/м.

При уменьшении размеров домена за счет параллельного смещения доменной верхушки выражение для его энергии записывается в виде:

(21)

Из условий и установлена величина магнитного поля , при котором начинается уменьшение размеров домена с намагниченностью противоположной направлению .

Н_t1?Н_с+(Kt/2м₀M_Sr) (22)

Величина будет одинакова как при уменьшении домена (намагниченность в домене противоположна ), так и при его увеличении (намагниченность в домене вдоль ). Для случая уменьшения размера домена с намагниченностью ориентированной противоположно направлению , путем изменения угла при его верхушках, получено выражение для поля изменения угла при верхушке домена :

 (23)

При всех выбранных значениях магнитных параметров выполняется соотношение , поэтому параллельное смещение доменной границы при уменьшении домена является предпочтительным. При изменении направления магнитного поля на противоположное, намагниченность в домене совпадает с направлением . Если рост домена под действием осуществляется за счет вытягивания доменной верхушки, то выражение для ее поля смещения записывается в виде:

(24)

При , а увеличение размеров домена будет происходить за увеличения угла при его верхушке. В длинных проволоках при , различие полей смещения доменной верхушки может приводить к возникновению смещенной относительно оси магнитной индукции петли гистерезиса. В таблице 3 приведены значения поля смещения динамической петли гистерезиса относительно оси магнитной индукции проволок различных составов в зависимости от частоты перемагничивающего поля. Диапазон изменений не превышает 4 А/м, что согласуется с результатами расчетов

Таб. 3. Поле смещения петли гистерезиса Н_см относительно оси магнитной индукции аморфных проволок различных составов от частоты f перемагничивающего поля.

В девятой главе приведены результаты по изучению особенностей -эффекта в аморфных металлических проволоках состава Fe₇₅Si₁₀B₁₅. Экспериментальное изучение - эффекта проведено для проволок длиной от 0,05 до 0,02 м обработанных в вакууме 10^-5 мм. рт. ст. в интервале от 350⁰С до 475⁰С в течение 20 минут. У исследованных проволок при =430ч470⁰С наблюдался положительный -эффект. На зависимостях максимального значения -эффекта от при всех длинах проволок имеется максимумы. Величины максимумов на зависимостях - эффекта от , а также температуры обработки, при которых максимумы достигаются, зависят от длины проволок. Максимальный -эффект достигается для образцов длиной 0,04 м, при =430ч450⁰С. Предполагается, что немонотонный ход зависимости -эффекта от при различных длинах образцов обусловлен особенностями процессов перестройки доменной структуры исследованных проволок.

Разработана модель магнитоупругого взаимодействия областей магнитострикционной проволоки с различным распределением намагниченности. Магнитострикционная ферромагнитная проволока состоит из трех областей: ядра, приповерхностной области и переходной области, в которой намагниченность постепенно переходит от аксиального направления к радиальному. Распределение намагниченности в переходной области толщиной (0,5ч1)^.10^-6 м определяется константами анизотропии ядра и приповерхностной области проволоки и ориентацией намагниченности в ядре проволоки. При приложении вдоль длины проволоки происходит изменение распределения намагниченности в ее ядре. Как следствие этого, изменяется и распределение намагниченности в переходной области, что приводит к ее магнитоупругой деформации. Деформация переходной области влияет на деформацию приповерхностной области проволоки. Энергия магнитоупругой связи между переходной и приповерхностной областями проволоки может быть записана в виде _, где -магнитоупругая деформация переходной, а -магнитоупругая деформация приповерхностной областей проволоки, - модуль упругости приповерхностной области в магнитном поле . Характер возникающих в приповерхностной области проволоки напряжений за счет магнитоупругой связи с переходной областью определяется тем, составляющая намагниченности какой области (приповерхностной или переходной) вдоль направления больше. Если проекция намагниченности в переходной области на направление больше, чем проекция намагниченности в приповерхностной области, то возникающие в приповерхностной области напряжения, будут растягивающими. Если имеет место обратная ситуация, то возникающие в приповерхностной области напряжения будут сжимающими. Характеристикой магнитоупругой связи является отношение , где -модуль упругости приповерхностной области проволоки без учета магнитоупругой связи. Зависимость отношения от величин и приведена на рисунке 17. Варьируя режимы термообработки можно менять значения и и изменять величину магнитоупругой связи областей проволоки с различным распределением намагниченности.

Рис.17. Зависимости отношения с учетом магнитоупругой связи и без ее учета от при различных значениях и Направление намагниченности в ядре проволоки совпадает с направлением , =5^.10⁵Па; 1-=100 Дж/м³, =200 Дж/м³; 2-=200 Дж/м³, =200 Дж/м³; 3-=200Дж/м³, =300 Дж/м³.

Основные результаты работы:

1. Установлено, что основным фактором, определяющим доменную структуру и процессы ее перестройки под действием магнитного поля в аморфных металлических пленках на основе железа толщиной 10-50 микрон, полученных методом ионно-плазменного напыления в магнитном поле, является магнитостатическое взаимодействие от магнитных полюсов на краях пленки. Перераспределение магнитных полюсов на краях пленок и изменение структуры доменных границ под действием магнитного поля, перпендикулярного оси наведенной анизотропии, являются причиной изменения ширины доменов. Приложение упругих растягивающих напряжений, ориентированных перпендикулярно оси наведенной анизотропии пленок, приводит к уменьшению полей их намагничивания, а сам процесс перестройки доменной структуры пленок определяется последовательностью приложения магнитного поля и упругих растягивающих напряжений.

2. Предложена модель, объясняющая минимум на зависимости модуля упругости от магнитного поля перпендикулярного оси наведенной анизотропии в аморфных металлических пленках и лентах. Установлены закономерности изменения магнитоупругих характеристик аморфных металлических лент, имеющих различный состав, в зависимости от их геометрических параметров и температуры термомагнитной обработки, а также условия возникновения в них отрицательного - эффекта. В слабых магнитных полях поведение модуля упругости лент может быть объяснено на основе представлений о тонкой магнитной структуре доменов.

3. Обнаружено, что изменение структуры доменных границ, индуцируемое магнитным полем перпендикулярным оси наведенной анизотропии аморфных металлических пленок и лент протекает подобно фазовым переходам второго рода. Изменение структуры доменных границ приводит к уменьшению ширины доменов, изменению хода полевых зависимостей модуля упругости и магнитной проницаемости. В магнитном поле, равном полю блох-неелевского перехода, происходит разрыв вторых производных свободной энергии одноосного ферромагнетика по их магнитным и упругим характеристикам.

4. Показано, что в области слабых магнитных полей угловая и амплитудная дисперсия анизотропии оказывают различное влияние на модуль упругости в магнитном поле и пьезомагнитную восприимчивость. Рост угловой дисперсии анизотропии приводит к увеличению модуля упругости и к уменьшению пьезомагнитной восприимчивости. Рост амплитудной дисперсии анизотропии приводит к уменьшению модуля упругости и к увеличению пьезомагнитной восприимчивости.

5. Установлено, что неоднородный рельеф поверхности аморфных металлических лент на основе железа является одним из факторов, определяющих их магнитные свойства. Причиной является магнитостатическое взаимодействие магнитных полюсов, возникающих в результате разрыва нормальных составляющих намагниченности на неоднородностях поверхности ленты.

6. Обнаружено, что обработка постоянным электрическим током аморфных металлических лент составов Fe₆₄Co₂₁B₁₅ и Fe_81.5B_13.5Si₃C₂ в виде узких полосок по-разному влияет на их магнитные и магнитоупругие свойства. Предложена модель распределения намагниченности в лентах, прошедших обработку постоянным электрическим током, согласно которой, намагниченность на противоположных поверхностях лент ориентирована антипараллельно. В серединной части лент находится область, в которой намагниченность направлена вдоль длины лент.

7. Изменения на полевых зависимостях величины -эффекта в результате действия упругих растягивающих напряжений у аморфных металлических лент на основе железа в виде узких полосок, прошедших как термомагнитную обработку, так и обработку постоянным электрическим током, качественно одинаковы. Данный результат связывается с идентичными механизмами перестройки их доменной структуры под действием упругих растягивающих напряжений.

8. Установлено, что уменьшение длины аморфных проволок состава Fe₇₅Si₁₀B₁₅, приводит к смене механизма перестройки их доменной структуры, что проявляется в изменении хода полевой зависимости магнитной проницаемости. Ход зависимостей коэрцитивной силы и дифференциальной магнитной проницаемости от растягивающих напряжений в проволоках определяется как магнитными характеристиками их ядра, так и его геометрическими параметрами. Предложена модель, описывающая поведение коэрцитивной силы проволок при приложении упругих растягивающих напряжений

9. Сформулированы условия устойчивости магнитного домена в ядре проволоки, проведена оценка минимальных устойчивых размеров и энергии доменов, имеющих различную форму в ядре аморфной металлической проволоки. Показано, что поля смещения доменной верхушки различны для случаев различной ориентации намагниченности в домене относительно направления магнитного поля.

10. Показано, что в магнитострикционных ферромагнитных проволоках, имеющих неоднородную магнитную структуру, реализуется механизм магнитоупругого взаимодействия между ядром и приповерхностной областью проволоки. Такое взаимодействие оказывает влияние на полевые зависимости модуля упругости проволок.

Публикации по теме диссертации, опубликованные в работах из списка ВАК РФ

1. Зубрицкий С.М. Процессы перестройки полосовой доменной структуры и модуль упругости в аморфных металлических пленках / С.М. Зубрицкий, А.А. Гаврилюк, А.Л. Петров // ФММ. - 1995. - Т.80.- В. 6.- С. 47-52.

2. Зубрицкий С.М. Влияние дисперсии анизотропии на магнитоупругие свойства ферромагнетика /С.М.Зубрицкий, А.Л.Петров, А.А.Гаврилюк //ФТТ.- 1995.-Т.37.-В.10.-С.3187-3190.

3. Зубрицкий С.М. Влияние последовательности приложения магнитного поля и упругих напряжений на полосовую доменную структуру и процессы ее перестройки в узких полосках / С.М. Зубрицкий, А.Л. Петров, А.А. Гаврилюк // ФММ. - 1995. - Т.80. - В.3. - С.27-33.

4. Гаврилюк А.А. Дисперсия локальной анизотропии и -эффект аморфных металлических сплавов /А.А. Гаврилюк, С.М. Зубрицкий, А.Л. Петров, Н.П. Ковалева // ФММ.-1997. - Т. 84. - В. 3. - С. 5-8.

5. Гаврилюк А.А. Влияние рельефа поверхности на величину -эффекта в аморфных металлических сплавах / А.А. Гаврилюк, А.В. Гаврилюк, Н.П. Ковалева // ФММ. - 1997.- Т. 84.- В.1. - С.14-18.

6. Гаврилюк А.А. Влияние термомагнитной обработки на скорость распространения магнитоупругих колебаний и -эффект в неупорядоченных ферромагнетиках / А.А. Гаврилюк, А.В. Гаврилюк, Н.П. Ковалева // Письма в ЖТФ. - 1998. - Т.24. - В.16. - С. 79-83.

7. Гаврилюк А.А. Отрицательный -эффект в аморфных и нанокристаллических сплавах / А.А. Гаврилюк, Н.П. Ковалева, А.В. Гаврилюк // Известия Вузов. Физика. - 1998. - В. 10.- С.121-123.

8. Гаврилюк А.А. Влияние размеров образца на скорость распространения магнитоупругих колебаний в неупорядоченных ферромагнетиках / А.А. Гаврилюк, Н.П. Ковалева, А.В. Гаврилюк // ЖТФ. - 1999. - Т.24. - В.16.- С.79-83.

9. Болдырев В.И. Влияние структуры ферромагнетика на скорость распространения магнитоупругих колебаний / В.И. Болдырев, А.А. Гаврилюк, А.С. Векслер, С.М. Зубрицкий, А.Л. Петров // Известия Вузов. Физика.- 1999.- В. 9. - С.46-49.

10. Болдырев В.И. Исследование кинетики кристаллизации аморфного металлического сплава /В.И. Болдырев, А.С. Векслер, Н.И. Носкова, А.А. Гаврилюк, Н.А. Вильданова // ФММ. - 1999. - Т. 87.- В. 5. - С.83-86.

11. Болдырев В.И. Влияние термической обработки аморфного сплава Fe₆₄Co₂₁B₁₅ на спектральные особенности экзоэлектронной эмиссии / В.И. Болдырев, А.С. Векслер, А.А. Гаврилюк // Письма в ЖТФ.- 2000.- Т.26. - В.12. - С. 76-81.

12. Гаврилюк А.А. Влияние рельефа поверхности на скорость распространения магнитоупругих колебаний в аморфных металлических проволоках / А.А. Гаврилюк, А.В. Гаврилюк, Н.П. Ковалева // Материаловедение.- 2001.- N7.- С.45 - 47.

13. Гаврилюк А.А. Микромагнитное описание - эффекта в аморфных металлических ферромагнетиках / А.А.Гаврилюк, Б.В. Гаврилюк, А.Л. Семенов, А.В. Гаврилюк, Н.П Ковалева.// Известия Вузов. Физика. - 2001.- N.7. - С. 25-28.

14. Векслер А.С. Изменение магнитных параметров аморфного металлического сплава Fе_81,5B_13,5Si₃C₂ при кристаллизации поверхности / А.С..Векслер, А.А. Гаврилюк, С.М. Зубрицкий, А.Л. Петров, А.Л. Семенов, З.Л. Ярычева // Неорганические материалы. - 2001.- Т. 37. - №5.- С. 549-551.

15. Векслер А.С. Особенности экзоэлектронной эмиссии в аморфных металлических сплавах /А.С. Векслер, А.А. Гаврилюк, И.Л. Морозов, А.Л. Семенов // ФТТ. - 2001. - Т.43. - В. 12. - С. 2113 - 2115.

16. Гаврилюк А.А. Фазовый переход второго рода в ферромагнетике с полосовой доменной структурой / А.А. Гаврилюк, А.В. Гаврилюк, Б.В. Гаврилюк, А.Л. Семенов // Известия РАН, серия физическая. - 2001.- Т.65. - В.10. - С. 1487-1491.

17. Гаврилюк А.А. “Влияние дисперсии анизотропии на пьезомагнитные свойства магнитострикционных ферромагнетиков / А.А. Гаврилюк, С.М. Зубрицкий, А.Л.Семенов // Известия Вузов. Физика. - 2002. - № 6. - С. 69-74.

18. Гаврилюк А.А. Деформационное намагничивание аморфных металлических сплавов на основе железа / А.А. Гаврилюк, С.М. Зубрицкий, А.Л. Петров, З.Л. Ярычева // Депонировано в ВИНИТИ. - 25.07.2002. - N. 1403 - В 2002.