книги из ГПНТБ / Богачев И.Н. Структура и свойства железомарганцевых сплавов

парамагнитной восприимчивости х при 800° К (выше точки Нееля).

Поведение х ниже точки Нееля аналогично тому, что имеет место для ионных антиферромагнетиков, для ко­ торых справедлива модель молекулярного поля, а в первом приближении — модель локализованных спино­ вых моментов Гайтлера— Лондона.

Известны данные нейтронной дифракции: в парама­ гнитном состоянии средний атомный магнитный момент существенно меньше, чем при температурах ниже точки Нееля [55]. Эти данные позволяют считать возможным применение ниже точки Нееля модели локализованных спиновых моментов. Однако теоретический расчет х на основе этой модели дал результат, противоречащий эк­ сперименту. Изотропная магнитная восприимчивость получилась не зависящей от температуры ниже точки Нееля и подчиняющейся закону Кюри — Вейсса выше ее. В то же время рассчитанное, согласно зонной модели, отношение восприимчивости Паули при 0° К к коэффи­ циенту электронной теплоемкости обнаруживает хоро­ шее совпадение с экспериментом. Более того, стремле­ ние X к слабому росту при повышенных температурах может быть полѵколичественно объяснено привлечени­ ем зонной теории — модели коллективизированных элек­ тронов, которая, по-видимому, более применима в слу­ чае Fe — Mn сплавов [56].

При анализе кривых температурной зависимости магнитной восприимчивости Fe—Mn сплавов обнару­ жено отсутствие гистерезиса магнитного превращения при нагреве и охлаждении. Установлено также несовпа­ дение температур начала и конца кристаллографичес­ кого превращения и температуры магнитного перехода. На этом основании сделан вывод об отсутствии корре­ ляции между кристаллографическими и магнитными превращениями в системе Fe — Мп.

Удельное электрическое сопротивление, эффект Холла, т. э. д. с.

Антиферромагнитное упорядочение в металлах и сплавах, вызывая существенные изменения в структуре зоны проводимости, оказывает влияние на те физичес­ кие свойства, в формировании которых основную роль

играют электроны проводимости. К числу таких свойств

электросопротивления р в точке Нееля у Fe — Mn спла­ вов различных составов изучена в ряде работ [63—65]. Можно отметить общую закономерность: ниже опреде­ ленной температуры удельное электросопротивление

значительно отклоняется от линейной зависимости, имеющей место в парамагнитной области (рис. 52). Аномальное изменение р при переходе через точку Не­ еля характеризуется резким уменьшением температур­ ного коэффициента. С понижением температуры dp/dT сплавов увеличивается. Электросопротивление антиферромагнитного сплава приближенно можно записать [66]:

где Ѵт— вклад в сопротивление, обусловленный фо­ нонным рассеянием;

рм— вклад, обусловленный спиновым разупорядочением;

Рост— остаточное сопротивление;

D — фактор, определяющий изменение электрон­ ной структуры при антиферромагнитном упо­ рядочении.

ІОІ

Можно было бы ожидать резкого падения удельного электросопротивления ниже температуры антиферромагнитного упорядочения из-за уменьшения рассеяния электронов проводимости на разупорядоченных спинах, однако в данных сплавах это не наблюдается. По-види­ мому, выше точки Нееля рассеяние электронов прово­ димости на разупорядоченных спинах рм невелико [63,

65].

Относительное изменение удельного электросопро­ тивления из-за антиферромагнитного упорядочения ха­ рактеризует фактор D, который без учета рм можно вы­ разить соотношением [67].

сдвигает максимум в область более высоких температур и увеличивает его значение. Причиной появления допол­ нительного вклада в удельное электросопротивление, характеризуемое фактором D, может быть уменьшение эффективного числа электронов проводимости пэф вследствие образования энергетической щели вблизи поверхности Ферми при появлении антиферромагнитной структуры [69, 70]. Повышение концентрации марганца увеличивает этот вклад и уменыпет пяф при температу­ рах ниже точки Нееля.

Уменьшение пэф подтверждается температурной зави­ симостью константы Холла исследуемых сплавов (рис. 53). Если в парамагнитной области для всех спла­ вов константа Холла почти не зависит от температуры, то с установлением антиферромагнитного порядка она резко возрастает и остается положительной во всей об­ ласти измерений. Расчеты по соотношениям, выведен­ ным для однозонной модели, подтвердили, что магнит­ ное упорядочение приводит к уменьшению пэф и с рос-

том содержания марганца в сплавах этот эффект увели­ чивается.

Легирование железомарганцевого сплава Г40 крем­ нием, никелем и хромом понижает точку Нееля, сдвигая тем самым аномалию электросопротивления в об­ ласть низких температур. Наиболее интенсивно дейст­ вует кремний. Никель и кремний увеличивают как ин­ тервал ближнего порядка, так и фактор D, существенно

уменьшая, по-видимому, эффективное число электронов проводимости ниже 7V, причем наиболее интенсивное влияние оказывает никель. При легировании хромом не происходит заметных изменений по сравнению со спла­ вом Г40.

Т. э. д. с. Fe — Mn сплавов обнаруживают сложную зависимость от температуры [68]. Температура, при ко­ торой наблюдается изменение наклона кривой, совпада­ ет с температурой магнитного перехода. Аномалия в точке Нееля уменьшается с уменьшением содержания железа в сплавах, однако изменение наклона кривой становится более резким. Если в сплавах преобладает какой-либо из механизмов рассеяния, то т. э. д. с. долж­ на линейно зависеть от абсолютной температуры. Ха­ рактер кривых для Fe — Mn сплавов свидетельствует о том, что в них существуют два типа носителей: дырки и электроны. С увеличением концентрации железа в спла-

бах увеличивается роль электронной проводимости, она

зом, наблюдается корреляция с температурным по­ ведением постоянной Холла Ro. Исходя из анализа дан­ ных по изучению эффекта Холла и т. э. д. с., можно за­ ключить, что с уменьшением содержания железа роль дырочной проводимости в антиферромагнитном аустени­ те возрастает.

линейного расширения: наблюдается снижение а в сплавах с содержанием марганца свыше 15% (рис. 55). В какой-то мере это может быть связано с уменьшением к-фазы, коэффициент термического расширения которой выше, чем аустенита [71]. Однако при содержании мар-

Рис. 55. Зависимость истинного коэффициента термичес­ кого расширения Fe—Мп сплавов от содержания марган­ ца [74]

ганца более 27% обнаружить е-фазу не удается, в то же время именно в этих сплавах наблюдается наиболее резкое снижение а. При повышении температуры излом на изотермических кривых концентрационной зависимо­ сти коэффициента термического расширения смещается в область более высоких концентраций марганца.

С уменьшением содержания марганца в аустенит­ ных сплавах эффект инварности, обусловленный осо­ бенностями магнитной структуры, возрастает.

Наличие е-фазы приводит к уменьшению инварных свойств сплавов. Если с помощью фазового наклепа или легирования сплавы с низким содержанием марган­ ца, состоящие из у- и е-фаз, перевести в аустенитное со­ стояние, их инварность станет более резко выраженной. Таким образом, можно получать инварные немагнитные

щением, проявляются в характерной температурной за­ висимости параметра решетки уфазы (см. рис. 24). Угол наклона кривых к оси температур в антиферромаг­ нитной области меньше, чем в парамагнитной. В районе точек Еіееля сплавов наблюдаются области с постоян­ ным объемом; это отмечалось в работе [53].

Аналогичные изменения параметра при фазовом пе­ реходе II рода «антиферромагнетизм — парамагнетизм» известны для хрома и MnAs.

Антиферромагнитное превращение в металлах и осо­ бенно их окислах (СоО, FeO, NiO, МпО) может сопро­ вождаться изменением кристаллической структуры: ромбоэдрическая или тетрагональная в антиферромаг­ нитной области структура становится кубической в па­ рамагнитной области [75]. Однако прецизионные изме­ рения параметра решетки Fe — Mn аустенита показали, что отклонение отношения cja от 1 при магнитном пре­ вращении составляет менее 10~3, т. е. структура остает­ ся кубической [55].

Антиферромагнитное превращение в железомарган­ цевом аустените вызывает аномалии модуля упругости сплавов вблизи точки Нееля и появление магнитного затухания [72, 76—78].

Аномалия модуля упругости заключается в появле­ нии AF-зффекта: линейный рост Е с понижением темпе­ ратуры сменяется при магнитном превращении резким падением (рис: 56). По мере понижения содержания марганца в сплавах AF-эффект Fe — Mn аустенита уве­ личивается. Модуль упругости е-фазы больше, чем у аустенита, и поэтому ее присутствие в структуре спла­ вов уменьшает AF-эффект в точке Нееля,

Легирующие элементы сложным образом влияют на АЛ-эффект Fe — Mn сплавов [76]. Молибден, стабилизи­ руя у-*-е-превращение, увеличивает аномалию модуля упругости. Хром и никель, оказывая аналогичное влия­ ние на склонность аустенита к образованию е-фазы, в то же время уменьшает ДЛ-эффект. Никель является бо-

Рис. 56. Температурная зависимость модуля нормальной упругости Fe—Mn сплавов в аустенитном состоянии [72]. Содержание Мп, %:

7 — 37,76; 2 — 30,95; 3 — 23,2; 4 — 17,63; 5 — 14,1 [26]

лее сильным стабилизатором аустенита, чем хром, но хром интенсивнее уменьшает АЛ-эффект.

Пик внутреннего трения в точке Нееля сплава с 19% Мп был обнаружен в работе [87], однако физичес­ кая природа его не была раскрыта. Лукина и Мель-

тиферромагнетизм — парамагнетизм» и наблюдается во всей области существования y-фазы вплоть до 63% Мп [86].

С уменьшением содержания марганца магнитное за ­ тухание в аустенитных Fe — Mn сплавах увеличивается, в присутствии е-фазы оно уменьшается [72].

Наличие AF-эффекта, пика внутреннего трения и ин­ варного эффекта при магнитных превращениях в хроме н его сплавах, а также в системе Fe — Ni связывают со сложной магнитной структурой, обусловленной наличи­ ем ферромагнитного и антиферромагнитного обменных взаимодействий [78, 79].

Ваустените Fe — Мп сплавов ниже точки Нееля так­ же существует дальний антиферромагнитный порядок с ближним ферромагнитным взаимодействием. По-види­ мому, и в этих сплавах аномалии упругих свойств и эф­ фект инварности могут быть объяснены сложной магнит­ ной структурой аустенита.

Вработе [72] показано, что концентрации марганца, при которых возникают аномалии упругих свойств и магнитная неоднородность, близки. В качестве одного из

Удельная теплоемкость

Важная информация о магнитной структуре Fe — Mn сплавов получена при изучении теплоемкости.

Температура магнитного превращения TN сопровож­ дается пиком на кривых теплоемкости. Эти аномалии вызваны изменением магнитной энтропии Ac(TN). Маг­ нитная составляющая теплоемкости сплавов марганца с 70, 60 и 50% (ат.) Fe была получена вычитанием из экспериментальных кривых вкладов, обусловленных ко­ лебаниями решетки и электронной теплоемкостью.

Если при нагреве выше точки Нееля не возникают локализованные магнитные моменты, то изменения маг­ нитной энтропии должны быть очень малы. Однако экспериментально определенные величины Ac(TN) име­ ют тот же порядок, что и полученные расчетом с исполь­ зованием модели локализованных электронов. Этот факт не согласуется с характером температурных зави­ симостей парамагнитной восприимчивости для этих сплавов, которые описываются с помощью зонной мо­ дели.

Температура максимума теплоемкости не совпадает с температурой магнитного перехода на ~20 град., а фор­ ма пика с увеличением содержания марганца в сплавах изменяется от широкой до остроконечной. Это связано с тем, что температурные изменения среднего магнитного момента подрешетки, определенные методом нейтрон­ ной дифракции, становятся резче с увеличением содер­ жания марганца.

Экспериментальные кривые магнитной теплоемкости обнаруживают хорошее совпадение с расчетными, по­ лученными двумя способами: с учетом среднего магнит­ ного момента подрешетки и с учетом различных маг­ нитных моментов атомов марганца и железа. Хорошее совпадение эксперимента и теории позволило авторам сделать ряд важных заключений: магнитный момент подрешетки проявляется как локализованный, эффектив­ ная обменная константа слабо зависит от температуры и увеличивается с возрастанием содержания марганца в сплавах (это подтверждается одновременным повыше­ нием температуры Нееля), взаимодействие пары Fe — Mn самое слабое из трех видов взаимодействий, имею­ щих место в этих сплавах (Мп — Mn, Fe — Fe, Fe — Mn).

Измерения теплоемкости показывают, что ближний магнитный порядок возникает на 200 град выше точки Нееля.

Изучение теплоемкости в области низких температур обнаружило необычно большие значения коэффициента у для г. ц. к. сплава Fe —11% Mn и меньшие для сплава Fe—45% Mn [81, 82]. Если полученные значения у ин­ терпретировать как коэффициенты для электронной теп­ лоемкости, то они не согласуются с моделью недеформируемых (жестких) зон .

Впервые теория линейного (по температуре) члена в теплоемкости магнитной природы была предложена Оверхаузером [83]. В этой теории постулируется, что вследствие присутствия стационарных спиновых волн в антиферромагнитных структурах многие спины лока­ лизованы в областях с почти нулевым полем. Установ­ лено, что в г. ц. к. сплавах Fe—Mn существует дальний антиферромагнитный порядок и наблюдающиеся магнит­ ные моменты в значительной степени связаны с атомами марганца. Вероятно, что обменное взаимодействие меж­ ду ближайшими атомами марганца является ферромаг­