книги из ГПНТБ / Фавстов Ю.К. Сплавы с высокими демпфирующими свойствами

Зависимость декремента колебаний от частоты и амплитуды напряжения [159]

К числу металлов, обладающих ферромагнитными свойствами, относятся, как известно, железо, никель, ко­ бальт и гадолиний1. Элементарными носителями ферро­ магнетизма являются собственные магнитные моменты электронов, однако они создают ферромагнетизм лишь в очень немногих веществах. Объясняется это спецификой атомного и электронного строения ферромагнитных ве­ ществ. В атомах железа, никеля и кобальта имеются нескомпенсированные магнитные моменты электронов уровня 3d (табл. 13).

У лантанидов и, в частности, гадолиния незаполнен­ ным является подслой 4/.

Однако не все элементы е незаполненными подслоями 3d или 4f обладают ферромагнитными свойствами. Так, хром, ванадий, лантаниды, кроме гадолиния, диспрозия, эрбия, тербия, тулия и гольмия, имея незаполненные подслои, не относятся к ферромагнетикам. Вторым усло­ вием ферромагнетизма является наличие у элемента по­ ложительного значения энергии обменного взаимодейст-

1 Ферромагнитные лантаниды: гадолиний, эрбий, диспрозий, тербий, тулий, гольмий.

вия, характеризующей взаимодействие электронов неза­ полненных слоев между соседними атомами.

Величина энергии обменного взаимодействия сильно зависит от расстояния между атомами в кристалличес­ кой решетке. С уменьшением расстояния между атома­ ми электростатическое взаимодействие между электро­ нами увеличивается и энергия обменного взаимодейст­ вия становится положительной, что приводит к парал­ лельной ориентации спинов, что соответственно ведет к самопроизвольной или спонтанной намагниченности ве­ щества и возникновению доменной структуры.

Энергия обменного взаимодействия положительна и металл обладает ферромагнетизмом, если отношение межатомного расстояния (т. е. диаметра атома) к диа­ метру незаполненной оболочки (т. е. подслоя) больше 1,5. В табл. 14 приведены величины этого отношения для

Магнитные домены образуются в результате взаи­ модействия собственных магнитных моментов электро­ нов соседних атомов, что и обеспечивает параллельное расположение этих моментов [164].

Ферромагнитными свойствами обладают не все ал­ лотропические модификации рассматриваемых элемен­ тов. Так, из модификаций а-, у- и ô-железа только ссжелезо является ферромагнитным, а y-железо парамаг­ нитным.

Для кобальта установлено существование двух моди­ фикаций: сикобальта, имеющего гексагональную плотноупакованную структуру, устойчивую, по различным данным, до 360—492°С, и ß-кобальта с решеткой гране­ центрированного куба, которая устойчива выше указан­ ных температур.

Температура превращения а-кобальта в ß-кобальт зависит от чистоты металла. Ферромагнитный ß-кобальт превращается в парамагнитный при 1120°С. В табл. 15

рованными гранями1. При температуре 340—360°С ни­ кель претерпевает магнитное превращение и выше нее находится в парамагнитном состоянии.

1 Гексагональная модификация никеля, не обладающая фер­ ромагнитными свойствами, была получена в результате нагрев? никеля с г. ц. к. решеткой в смеси окиси углерода и водорол- (СО+Н2) при 175°С и атмосферном давлении [165].

Температура магнитного превращения гадолиния со­ ставляет 16±2°С. Магнитные свойства остальных ферро­ магнитных лантанидов — тербия, диспрозия, гольмия, эрбия и тулия — имеют характерные особенности: при повышении температуры у них наблюдается две точки магнитного превращения Ѳі и 02, причем при темпера­ туре Ѳі происходит переход из ферромагнитного состоя­ ния в антиферромагнитное (при нагреве), а при Ѳ2 — переход из антиферромагнитного в парамагнитное. Маг­ нитные свойства лантанидов обладают значительной анизотропией, причем направление осей легкого намаг­ ничивания существенно изменяется с температурой. Так, например, ось легкого намагничивания гадолиния, нахо­ дящаяся под углом к оси гексагональной ячейки, при температуре 250°К совпадает с этой осью кристалла.

Как известно, при температуре Кюри сохранить по­ рядок в упорядоченном расположении магнитных мо­ ментов невозможно и ферромагнетизм, исчезает. Выше температуры Кюри ферромагнитные элементы становят­ ся парамагнитными.

Сплавы ферромагнитных металлов отличаются раз­ ной температурой точки Кюри, изменяющейся в широ­ ком диапазоне температур. На рис. 91—93 представле­ ны диаграммы состояния Fe—Ni, Со—Ni и Со—Fe, на которых нанесены линии магнитного превращения спла­ вов.

Исследованию неупругих свойств железа посвящено много работ, большая часть из них, однако, относится к внутреннему трению железа в аміплитуднонезаівисимой области. Одной из наиболее фундаментальных работ подобного рода является исследование Кэ [167], кото­

фере аргона, установлено наличие трех пиков внутрен­ него трения А, С, Е [167]. Анализ физической природы этих пиков и различных типов релаксации показал, что внутреннее трение в условиях опыта обусловлено влия­

— = 2 T,Q~1 = 50% ■

Е

Это затухание обусловлено вязким поведением гра­ ниц зерен. Внутреннее трение армко-железа, электроли­ тического железа и отожженного в водороде электроли-

тического железа исследовали «а образцах диаметром 0,7 мм и длиной 70 мм с использованием низкочастот­ ного крутильного обратного маятника. Деформация на

поля. Они установили, что рафинирование электролити­ ческого железа в результате отжига в водороде резко увеличивает фон внутреннего трения (почти в три раза), причем Q"1 этого железа сильно зависит от намагничен­ ности (рис. 956), тогда как у армко-железа такой зави­ симости не наблюдается (рис. 95,а). Увеличение фона,

Q4-IÛtt

Температура, °С

Рис. 95. Температурная зависимость внутреннего трения армко-же­

и намагничивание рафинированного железа. Установле­ но, что Q~! армко-железа и электролитического железа, в отличие от рафинированного электролитического же­ леза, не зависят от амплитуды упругих колебаний.

Влияние намагниченности образцов (намагничива­ ние в постоянном магнитном поле различной напряжен­ ности) и увеличения амплитуды колебаний (напряже­ ния) на величину внутреннего трения железа четко по­

казано на рис. 96 [81, с. 176—183]. При увеличении на­ пряженности магнитного ноля площадь петли гистере­ зиса сначала увеличивается, а затем уменьшается до нуля.

Уменьшение площади петли гистерезиса при дости­ жении определенной напряженности магнитного поля и

Установлено, что с увеличением напряженности пик внутреннего трения образцов1 из электротехнического железа, отожженного в водороде, увеличивается и сме­ щается вправо; на величину и положение пика подоб­ ным образом влияет понижение температуры (см. рис. 97). Внутреннее трение железа в интервале температур от— 190 до + 100°С изучали также в работе [168, с. 367—369].

Было исследовано железо, очищенное бестигельной

1 Образцы имели диаметр 0,7 мм и измерялись в интервале амплитуд, соответствующих деформации от 2• 10—5 до Ы 0~ 3 на поверхности образца, при частоте переменного поля 50 гц и его на­ пряженности до 4 ка/м (50 э) при температуре от 20 до —196°С.

зонной плавкой в атмосфере чистого водорода, что исклю­

чем при его отсутствии. Установлено также, что при на­ ложении ноля указанной напряженности, подавляющего магнитные потери, при амплитуде колебаний, соответст-

вующей относительной деформации 4 -10—б, внутреннее трение отожженного железа не зависит от температуры в интервале (—190) — (+100)°С.

Амплитудная зависимость внутреннего трения желе­ за индукционной плавки характеризуется наличием по­ рогового значения1 [168, с. 442—445]. Из данных рис. 98, видно, что при деформациях выше критической

(пороговой) внутреннее трение линейно зависит от ам­ плитуды.

Амплитудная зависимость внутреннего трения в же­ лезе и других ферромагнитных веществах отмечалась также в работе [169]. Затухание колебаний частотой 1 гц было замерено методом крутильных колебаний в ин­ тервале 78—300°К в железе, никеле и сплаве Fe-j-3,7% Si. Затухание сильно зависило от амплитуды колебаний. Повышение температуры испытаний приводило к умень­ шению внутреннего трения у Fe и Ni (и увеличению у сплавов Fe—Si), что объясняется различной темпера­ турной зависимостью магнитострикции у этих веществ.

Магнитомеханическое затухание было изучено дос­ таточно подробно во втором ферромагнитном металле— никеле. Степень чистоты никеля оказывает существенное влияние на величину внутреннего трения. На рис. 99 по­ казана температурная зависимость потерь в образцах никеля различной чистоты: 99,9% (а), 99,99% (б) и электроннолучевого переплава (в), отожженных при температуре 300—1200°С [170].

Измерение в этой работе проводили на крутильном маятнике в вакууме на образцах диаметром 0,8 мм и длиной 150 мм при частоте 17 гц. Внутреннее трение Q-1 определяли при амплитуде деформации, равной 1,3-ІО-5. Установлено наличие пика низкочастотного внутреннего трения при температуре 220—230°С.

Из данных рис. 99 следует, что увеличение степени чистоты никеля значительно увеличивает .внутреннее трение и вызывает появление ярко выраженного пика на кривой зависимости внутреннего трения от темпера­ туры при 220—230°С. Это связано с уменьшением внут­ ренних напряжений и степени блокировки границ доме­ нов, что приводит к усилению их подвижности.

Данные работы [170] о влиянии чистоты никеля на величину внутреннего трения противоречат ранее опуб­ ликованным результатам в работе [171], в которой на основании изучения технического никеля марки НП-3 (0,04% С; 0,0065% N) делается вывод, что внутреннее трение отожженного технического Ni не имеет какихлибо особых отличий по сравнению с Ni высокой чис­ тоты. Следует, однако, отметить, что в работе [171] была применена менее чувствительная методика определения