Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Аномалия теплового расширения

19.01.2019


На рис. 16.2 показаны кривые температурной зависимости линейного расширения для некоторых аморфных сплавов на основе железа и кобальта. Во всех случаях длина образцов резко снижается при температуре кристаллизации Tх. Стоит отметить отсутствие какой-либо аномалии теплового расширения при температурах Тс у сплавов на основе кобальта, но сплавы на основе железа при этих температурах проявляют явную аномалию, обусловленную спонтанной объемной магнитострикцией ws. Последняя является следствием минимизации суммы тепловой, упругой и магнитной энергий. Величина аномалии теплового расширения, т. е. величина ws, в случае аморфных сплавов существенно зависит от состава. Обычно аморфные сплавы содержат два или три металлоида, что обусловлено необходимостью стабилизации аморфной фазы. При этом аномалия теплового расширения становится более заметной с уменьшением содержания металлоидов, как это наблюдается в случае сплавов системы Fe—Si—В. Чтобы понять природу магнитно-объемных эффектов, желательно изучать как можно более простые системы сплавов. Известно, что бинарные сплавы систем Fe—В и Fe—P могут существовать в аморфном состоянии в относительно широкой области концентраций. Кривые температурной зависимости линейного расширения для этих сплавов показаны на рис. 16.3. Все они проявляют явную аномалию при температурах Тс. Особый интерес вызывает сплав Fe83B17, для которого величина спонтанной объемной магнитострикции ws сравнима с величиной обычного теплового расширения, обусловленного энгармонизмом колебаний атомов, вследствие чего при температурах, близких к комнатной этот сплав имеет близкий к пулю ТКЛР.

Магнитные свойства сплавов 3d-переходных металлов и инварные аномалии в них обычно рассматривают в рамках моделей локализованных или коллективизированных электронов. Суждение применимости той или иной модели может быть сделано при рассмотрении графика Роудс—Вольфарта. Ранее отмечалось, что аморфные сплавы Fe—В и Fe—P, по-видимому, относятся к ферромагнетикам с коллективизированными электронами. В связи с этим представляет интерес рассмотрение спонтанной объемной магнитострикции в этих сплавах с точки зрения модели коллективизированных электронов Вольфарта. С одной стороны, согласно этой модели величина спонтанной объемной магнитострикции при температуре Т, ws(T) описывается следующим уравнением:

где ws(0) — значение спонтанной объемной магнитострикции при 0 К; К — сжимаемость; С — константа магнитно-упругой связи; M (0,0) — намагниченность при 0 К и нулевом магнитном поле. Аналогичный результат получен на основании выражения Стонера для намагниченности. С другой стороны, величину ws(T) можно представить в следующем виде:
Аномалия теплового расширения

где ap — ТКЛР для сплава в парамагнитном состоянии; а — его значение при данной температуре. На рис. 16.3 пунктиром показана кривая температурной зависимости линейного расширения сплава Fe60Cr25B15, парамагнитного при температурах 100 К. Из уравнения (16.2) следует, что величина ws(T) равна утроенному значению разности ТКЛР, представленных сплошной и пунктирной линиями. На рис. 16.4 величина ws(Т) для аморфных сплавов системы Fe—В приведена в зависимости от (Т/Тс)2. Видно, что ширина температурного интервала, в котором между этими величинами сохраняется линейная зависимость, увеличивается с уменьшением содержания бора, и что путем линейной экстраполяции на 0 K можно определить значение ws(O). Концентрационная зависимость ws(О) для аморфных сплавов Fe—В и Fe—Р, а также для кристаллических железоникелевых инваров показана на рис. 16.5, из которого следует, что эта величина для аморфных сплавов Fe—В значительно превышает ее значения для аморфных сплавов Fe—P и кристаллических сплавов Fe—Ni. Несмотря на то, что величины Tc для этих сплавов близки, величина аномалии теплового расширения в случае аморфных сплавов системы Fe — В значительно выше, а при малых содержаниях бора ТКЛР для сплавов Fe—В становится отрицательным (рис. 16.6).

Для описания связи между параметрами кристаллической решетки и атомным магнитным моментом в сплавах 3d-переходных металлов было предложено следующее уравнение:

где х — атомная доля компонента В, |u| — усредненная по узлам решетки величина атомного магнитного момента, аA, aB и с — подгоночные параметры. В случае простых ферромагнитных сплавов |u| равно спонтанному атомному моменту при 0 К. По кривым температурной зависимости линейного расширения и спонтанной объемной магнитострикции, изображенным на рис. 16.3 и 16.4, можно оценить расстояние от центрального атома Fe до его ближайших соседей, поскольку эта величина при комнатной температуре известна. Оказывается, что ее значение при О К монотонно падает с уменьшением содержания бора подобно тому, как это наблюдается при комнатной температуре. Отсюда следует, что соотношение (16.3) несправедливо в случае аморфных сплавов системы Fe—В, так как концентрационная зависимость магнитного момента не является монотонной (см. рис. 16.1).

Инварные аномалии в железоникелевых кристаллических сплавах существенно зависят от их обработки. Например, на величину теплового расширения оказывает влияние холодная прокатка, а величина ТКЛР зависит от направления прокатки (так называемый Аа-эффект). Наблюдаемые эффекты объясняются воздействием холодной прокатки на число пар Fe—Fe подобно тому, как она влияет на величину магнитной анизотропии. Кривые концентрационной зависимости ТКЛР а для аморфных сплавов Fe —В, Fe—P и кристаллических инварных сплавов системы Fe — Ni характеризуются наличием широкого минимума (см. рис. 1G.G). Влияние холодной прокатки на величину коэффициента а для аморфного сплава Fe83B17, измеренную в направлении прокатки, видно на рис. 16.7. Степень деформации здесь оценивалась по изменению длины образца. При росте ее аномалия теплового расширения при температурах Тс становится более выраженной, а величина а при комнатной температуре становится отрицательной (рис. 16.8). Таким образом, наблюдается соответствие между кривыми температурной зависимости линейного расширения для холоднодеформированных образцов сплава Fe83B17 и закаленных сплавов с меньшим содержанием бора (см. рис. 16.3). Следовательно, результатом холодной прокатки, по-видимому, является увеличение количества пар Fe—Fe. Это предположение подтверждается результатами, полученными дли аморфного сплава Fe86B14. На рис. 16.8 изображены зависимости ТКЛР а для двух аморфных сплавов Fe83B17 и Fe86B14 от степени холодной деформации путем прокатки. С ростом ее величина а для сплава Fe83B17 понижается, а для сплава Fe86B14 повышается. Эти величины, как показывает сравнение рис. 16.8 с рис. 16.6, соответствуют их значениям для сплавов с меньшим содержанием бора. Для более детального обсуждения природы Aa-эффекта необходимы данные о магнитной анизотропии и величине теплового расширения в направлении, перпендикулярном направлению прокатки. Однако образцы аморфных сплавов представляют собой очень тонкие и неоднородные но толщине ленты (в центре лента толще, чем по краям). Поэтому на данном этапе исследований степень холодной деформации таких лент также была очень неоднородной.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий: