Магнитодеформационный эффект

Магнитодеформационный эффект

В работе показано, что после деформации сжатием монокристаллов молибдена и цинка наблюдается резкое увеличение магнитной восприимчивости, сильно зависящее от состояния поверхности перед деформированием. Это явление может быть объяснено ферромагнетизмом электронного газа «умеренной плотности». На физ...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2001
Hauptverfasser: Бродовой, А.В., Бунчук, С.Г., Колисниченко, В.Г., Скороход, В.В.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2001
Schriftenreihe:Успехи физики металлов
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/133380
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Магнитодеформационный эффект / А.В. Бродовой, С.Г. Бунчук, В.Г. Колисниченко, В.В. Скороход // Успехи физики металлов. — 2001. — Т. 2, № 2. — С. 131-149. — Бібліогр.: 29 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-133380
record_format dspace
spelling irk-123456789-1333802018-05-25T03:03:29Z Магнитодеформационный эффект Бродовой, А.В. Бунчук, С.Г. Колисниченко, В.Г. Скороход, В.В. В работе показано, что после деформации сжатием монокристаллов молибдена и цинка наблюдается резкое увеличение магнитной восприимчивости, сильно зависящее от состояния поверхности перед деформированием. Это явление может быть объяснено ферромагнетизмом электронного газа «умеренной плотности». На физические свойства поверхностного слоя оказывают существенное влияние условия контактного трения на границе металл–инструмент. Химическое удаление этого слоя приводит к исчезновению магнитного эффекта. Обнаружена временная зависимость ферромагнитной составляющей восприимчивости, что можно связать с изменением структуры поверхности в присутствии электрического поля. У роботі показано, що після деформації стисненням монокристалів молібдену і цинку спостерігається різке збільшення магнітної сприйнятливості, яке сильно залежить від стану поверхні перед деформуванням. Це явище може бути поясненим феромагнетизмом електронного газу «помірної густини». На фізичні властивості поверхневого шару істотно впливають умови контактного тертя на границі метал–інструмент. Хімічне видалення цього шару призводить до зникнення магнітного ефекту. Виявлено часову залежність феромагнітної складової сприйнятливості, що можна пов'язати зі зміною структури поверхні в присутності електричного поля. In a given paper, it is shown that, after the deformation by squeezing of single crystals of molybdenum and zinc, a sharp increase of magnetic susceptibility strongly depending on the surface state before deforming is observed. This phenomenon can be explained by ferromagnetism of electronic gas of ‘moderate density’. Conditions of contact friction on the boundary between metal and instrument influence on physical properties of the surface layer essentially. The chemical removal of this layer results in vanishing magnetic effect. The time dependence of ferromagnetic susceptibility component is determined, and it can be bound up with changing structure of the surface in the electric field. 2001 Article Магнитодеформационный эффект / А.В. Бродовой, С.Г. Бунчук, В.Г. Колисниченко, В.В. Скороход // Успехи физики металлов. — 2001. — Т. 2, № 2. — С. 131-149. — Бібліогр.: 29 назв. — рос. 1608-1021 PACS: 62.20.Mk, 75.20.En, 75.40.Gb, 75.70.Rf, 75.80.+q, 81.40.Rs DOI: https://doi.org/10.15407/ufm.02.02.131 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/133380 ru Успехи физики металлов Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description В работе показано, что после деформации сжатием монокристаллов молибдена и цинка наблюдается резкое увеличение магнитной восприимчивости, сильно зависящее от состояния поверхности перед деформированием. Это явление может быть объяснено ферромагнетизмом электронного газа «умеренной плотности». На физические свойства поверхностного слоя оказывают существенное влияние условия контактного трения на границе металл–инструмент. Химическое удаление этого слоя приводит к исчезновению магнитного эффекта. Обнаружена временная зависимость ферромагнитной составляющей восприимчивости, что можно связать с изменением структуры поверхности в присутствии электрического поля.
format Article
author Бродовой, А.В.
Бунчук, С.Г.
Колисниченко, В.Г.
Скороход, В.В.
spellingShingle Бродовой, А.В.
Бунчук, С.Г.
Колисниченко, В.Г.
Скороход, В.В.
Магнитодеформационный эффект
Успехи физики металлов
author_facet Бродовой, А.В.
Бунчук, С.Г.
Колисниченко, В.Г.
Скороход, В.В.
author_sort Бродовой, А.В.
title Магнитодеформационный эффект
title_short Магнитодеформационный эффект
title_full Магнитодеформационный эффект
title_fullStr Магнитодеформационный эффект
title_full_unstemmed Магнитодеформационный эффект
title_sort магнитодеформационный эффект
publisher Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate 2001
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/133380
citation_txt Магнитодеформационный эффект / А.В. Бродовой, С.Г. Бунчук, В.Г. Колисниченко, В.В. Скороход // Успехи физики металлов. — 2001. — Т. 2, № 2. — С. 131-149. — Бібліогр.: 29 назв. — рос.
series Успехи физики металлов
work_keys_str_mv AT brodovojav magnitodeformacionnyjéffekt
AT bunčuksg magnitodeformacionnyjéffekt
AT kolisničenkovg magnitodeformacionnyjéffekt
AT skorohodvv magnitodeformacionnyjéffekt
first_indexed 2025-07-09T18:53:42Z
last_indexed 2025-07-09T18:53:42Z
_version_ 1837196614704300032
fulltext 131 PACS numbers: 62.20.Mk, 75.20.En, 75.40.Gb, 75.70.Rf, 75.80.+q, 81.40.Rs Магнитодеформационный эффект А. В. Бродовой, С. Г. Бунчук, В. Г. Колесниченко, В. В. Скороход Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины, ул. Кржижановского, 3; 03142 Киев-142, Украина В работе показано, что после деформации сжатием монокристаллов мо- либдена и цинка наблюдается резкое увеличение магнитной восп- риимчивости, сильно зависящее от состояния поверхности перед де- формированием. Это явление может быть объяснено ферромагнетизмом электронного газа «умеренной плотности». На физические свойства поверх- ностного слоя оказывают существенное влияние условия контактного тре- ния на границе металл–инструмент. Химическое удаление этого слоя при- водит к исчезновению магнитного эффекта. Обнаружена временная зави- симость ферромагнитной составляющей восприимчивости, что можно свя- зать с изменением структуры поверхности в присутствии электрического поля. У роботі показано, що після деформації стисненням монокристалів моліб- дену і цинку спостерігається різке збільшення магнітної сприйнятливості, яке сильно залежить від стану поверхні перед деформуванням. Це явище може бути поясненим феромагнетизмом електронного газу «помірної густини». На фізичні властивості поверхневого шару істотно впливають умови контактно- го тертя на границі метал–інструмент. Хімічне видалення цього шару приз- водить до зникнення магнітного ефекту. Виявлено часову залежність феро- магнітної складової сприйнятливості, що можна пов'язати зі зміною структу- ри поверхні в присутності електричного поля. In a given paper, it is shown that, after the deformation by squeezing of single crystals of molybdenum and zinc, a sharp increase of magnetic susceptibility strongly depending on the surface state before deforming is observed. This phe- nomenon can be explained by ferromagnetism of electronic gas of ‘moderate density’. Conditions of contact friction on the boundary between metal and in- strument influence on physical properties of the surface layer essentially. The chemical removal of this layer results in vanishing magnetic effect. The time de- pendence of ferromagnetic susceptibility component is determined, and it can be bound up with changing structure of the surface in the electric field. Успехи физ. мет. / Usp. Fiz. Met. 2001, т. 2, сс. 131–149 Îòòèñêè äîñòóïíû íåïîñðåäñòâåííî îò èçäàòåëÿ Ôîòîêîïèðîâàíèå ðàçðåøåíî òîëüêî â ñîîòâåòñòâèè ñ ëèöåíçèåé 2001 ÈÌÔ (Èíñòèòóò ìåòàëëîôèçèêè èì. Ã. Â. Êóðäþìîâà ÍÀÍ Óêðàèíû) Íàïå÷àòàíî â Óêðàèíå. 132 А. В. Бродовой, С. Г. Бунчук, В. Г. Колесниченко, В. В. Скороход Ключевые слова: монокристалл, магнитная восприимчивость, деформа- ция, микротрещина, ферромагнитное упорядочение, электронный газ, по- верхность. (Получено 19 декабря 2000 г.) 1. ВВЕДЕНИЕ Реальные металлические кристаллы характеризуются наличием различных типов несовершенств, которые обуславливают характер протекания физических процессов и существенно влияют на многие свойства, называемые в этом случае структурно-чувствительными свойствами. Предыдущими исследованиями влияния пластической деформа- ции на магнитную восприимчивость (МВ) никелида титана было ус- тановлено, что с возрастанием степени деформации увеличивается МВ как высокотемпературной, так и низкотемпературной фаз [1]. В некоторых случаях появляется зависимость МВ от магнитного поля. Это явление мы называем магнитодеформационным эффектом (МДЭ). Однако к настоящему времени однозначная физическая трактовка этого явления отсутствует. Последующие эксперименты подтвердили воспроизводимость описанного эффекта на никелиде титана, а также выявили подобное явление на других материалах (Mo, Cu–Ni, Cr–Ti, Mo–Cr). Полученные результаты показывают своего рода корреляцию ме- жду МДЭ и количеством внутренних границ в материале. Это озна- чает, что необходимо изучить влияние деформации на МВ материа- лов в различных состояниях: от объемных моно- и поликристаллов до дисперсных порошков с развитой свободной поверхностью. По- мимо этого, используя монокристаллы высокой чистоты и с управ- ляемым количеством примесей, можно получить систематические данные относительно МДЭ. 2. АНОМАЛЬНЫЕ МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МОНОКРИСТАЛЛОВ МОЛИБДЕНА И ЦИНКА Магнитные свойства металлов и сплавов существенно зависят от их состава, структуры и предшествующей термической обработки. Ле- гирование, деформация, закалка от высоких температур, дробление приводят к изменению электронной структуры, а следовательно, и к изменению магнитных свойств. Имеются различные эксперимен- тальные данные о влиянии указанных факторов на МВ [2–9]. Как правило, при деформации и при закалке МВ увеличивается, иногда значительно (интерметаллид TiNi в 4 раза увеличил парамагнетизм Ìàãíèòîäåôîðìàöèîííûé ýôôåêò 133 после деформации на 30%). Сульфиды свинца и кадмия после воз- действия значительных нагрузок и дробления проявляют зависи- мость парамагнитной восприимчивости от магнитного поля. В то же время существуют работы, указывающие на снижение МВ под воз- действием закалки и деформации (например, у Al в [2]) или на отсут- ствие влияния указанных факторов [3]. Для объяснения указанной зависимости МВ от деформации авто- ры [5] используют следующие концепции: 1. Повышение МВ при пластической деформации за счет ферромаг- нитных примесей, которые всегда содержатся в металлах в твер- дом растворе в парамагнитном состоянии и выделяются в виде самостоятельной ферромагнитной фазы при пластической де- формации (на примере меди в [4]). 2. Искажение решетки и возникновение дислокаций, приводящих к изменению межатомных расстояний и, следовательно, обуслав- ливающих изменение в распределении плотности электронных состояний (на примере Al получено уменьшение парамагнетизма [2]). 3. Образование вакансий при закалке от высоких температур (уве- личение парамагнетизма платины [3]). 4. Возникновение пространственной сетки дислокаций, которую можно рассматривать как ферромагнитную примесь (исполь- зована для объяснения нелинейных зависимостей МВ Mo, Pd, W, V [5–6]). Таким образом, хотя и существует большое количество работ по данному вопросу, они достаточно разрознены, а иногда даже проти- воречивы (так в [5] сказано, что МВ Mo увеличивается после дефор- мации, тогда как в [3] утверждается обратное). В связи с этим была поставлена задача – воспроизвести упомяну- тые экспериментальные наблюдения изменений МВ в результате деформации твердого тела и сформулировать общую концепцию природы явления. 3. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Для исследований были выбраны парамагнитные монокристаллы молибдена и диамагнитные цинка. Монокристаллы цинка выращены вертикальным методом Бри- джмена. Вырезанные из монокристалла образцы полировались в растворе хромового ангидрида с добавкой сернокислого натрия. Мо- нокристаллы молибдена получены зонной плавкой. Для снятия по- верхностных повреждений молибденовые образцы полировались электрохимическим методом в растворе пропилового спирта с до- бавкой серной кислоты. Толщина снятого слоя составляла 0,1–0,2 мм. Образцы имели размеры 2,52,55,0 мм и чистоту 99,995 вес.%. 134 А. В. Бродовой, С. Г. Бунчук, В. Г. Колесниченко, В. В. Скороход Деформация кристаллов осуществлялась свободной осадкой вдоль короткой оси при комнатной температуре. Степень деформации рас- считывалась по отношению толщин до и после деформации и изме- нялась в пределах от нуля до 80%. Образцы при деформировании не разрушались благодаря малой исходной толщине и большой ве- личине торцевого трения, что увеличивает гидростатическую компо- ненту деформации. На всех этапах обработки обращалось особое внимание на то, что бы поверхность образцов не загрязнялась какими-либо примесями. Всего в работе было исследовано 6 образцов цинка и 10 молиб- дена. В дальнейшем мы приводим типичные экспериментальные данные, так как результаты измерений всех кристаллов качественно совпадали, различаясь количественно в пределах 10%. 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТИ Восприимчивость исходных недеформированных монокристаллов имела следующие значения: у молибдена 6,5107 см 3 /г, у цинка 1,25107 см 3 /г и не зависела от температуры и напряженности маг- нитного поля Н (Рис. 1, 2). Исследования показали, что МДЭ имеет место только при выпол- Рисунок 1. Полевые зависимости магнитной восприимчивости монокристал- лов молибдена при комнатной температуре: 1 — полированный неде- формированный образец; 2 — полированный образец, деформированный на  30%; 3 — полированный образец, деформированный на  80%; 4 — об- разец, со шлифованной поверхностью деформированный на  30%; 5 — об- разец, со шлифованной поверхностью деформированный на  80%. Ìàãíèòîäåôîðìàöèîííûé ýôôåêò 135 нении ряда условий. Важнейшим из них является шлифовка поверх- ности монокристаллов перед деформированием (в нашем конкрет- ном случае шлифовка поверхности осуществлялась алмазной пас- той с размером зерна 10 мкм, однако возможны и другие способы повреждения поверхности) [10, 11]. МВ химически или электрохимически полированных образцов при последующей деформации не изменялась и соответствовала приве- денным выше значениям для Мо и Zn. Такая же ситуация имела ме- сто в случае шлифованных, но не деформированных образцов. И только «повреждение» поверхности шлифовкой с последующей де- формацией приводило к резкому изменению МВ. Так, при макси- мальной степени деформации, в нашем случае до 80%, цинк вообще становился парамагнитным со значением восприимчивости равным 77,5107 см 3 /г. Молибден увеличивал свой парамагнетизм до значе- ния 96,2107 см 3 /г, т. е. почти в 15 раз. Кроме того, у обоих металлов возникала немонотонная зависимость  от Н, характерная для ве- ществ, обладающих магнитным порядком (Рис. 1, 2). Как видно из рисунка, МВ в области малых Н резко возрастает, при Н  300–500 Э достигает максимума и с дальнейшим увеличением Н — падает. Рисунок 2. Полевые зависимости магнитной восприимчивости монокрис- таллов цинка при комнатной температуре: 1 — полированный недеформиро- ванный образец; 2 — полированный образец, деформированный на  30%; 3 — полированный образец, деформированный на  80%; 4 — образец, со шлифованной поверхностью деформированный на  30%; 5 — образец, со шлифованной поверхностью деформированный на  80%. 136 А. В. Бродовой, С. Г. Бунчук, В. Г. Колесниченко, В. В. Скороход Экстраполяция кривых   f(1/Н) в область высоких магнитных по- лей для всех исследованных образцов давала значение МВ исход- ного Zn и Мо. Измерения МВ, проведенные при 78 К, показали, что характер за- висимости   f(Н) не изменяется, а только незначительно (5–10%) увеличивается парамагнетизм образцов. Резюмируя результаты приведенного выше краткого обзора, а также наши экспериментальные данные, перечислим основные осо- бенности проявления МДЭ: 1. Эффект имеет место в материалах различного типа: пара- и диа- магнитных металлах, интерметаллидах, полупроводниках и ди- электриках, что, по-видимому, свидетельствует о едином меха- низме явления. 2. Наличие эффекта определяется предварительной обработкой поверхности образца перед его деформацией. Относительно ма- лые значения МДЭ, полученные в работах [1–9], по нашему мне- нию, связаны с деформацией образцов с незначительным коли- чеством случайных нарушений поверхности. 3. Характер и величина изменения МВ не зависят от температуры в диапазоне 77–300 К и определяются лишь степенью деформации образцов. Маловероятно, что экспериментально наблюдаемое проявление МДЭ для разных классов твердых тел (металлы, полупроводники, диэлектрики) связано с формированием самостоятельных ферро- магнитных фаз при деформации, поскольку количество ферромагни- тных примесей в исследуемых кристаллах достаточно мало [11]. Известно, что в ряде случаев взаимодействие электронов со сре- дой может привести к качественному изменению их энергетического состояния. В неупорядоченных или не полностью упорядоченных системах, например, в растворах или в системах с относительно лег- ко изменяющимися внутренними параметрами, могут возникать спе- циальные состояния электронов, которые устанавливают и поддер- живают в кристалле ферромагнитное упорядочение [12]. В идейном отношении вышеупомянутые состояния близки к поляронам в ион- ных кристаллах [14], однако такой подход неприменим при рассмот- рении МДЭ в металлах [13–14]. Также непонятно различие в поведении монокристаллических об- разцов с целенаправленно генерированными поверхностными де- фектами и полированных. Мы считаем, что при таких больших ве- личинах степени деформации (80%) принципиальной разницы в дислокационной структуре объектов сравнения (как с количест- венной, так и с качественной стороны) быть не может. Но деформи- рованные полированные молибден и цинк незначительно изменяют МВ, а образцы с активированной поверхностью существенно уве- личивают парамагнетизм. Поэтому, мы считаем весьма перс- Ìàãíèòîäåôîðìàöèîííûé ýôôåêò 137 пективным предложить гипотезу влияния на магнитные свойства де- фектов другого уровня, а именно возникающих при деформации мик- ротрещин, являющихся источниками свежеобразованных поверхно- стей. 5. РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Для выяснения механизма МДЭ были проведены рентгеноструктур- ные исследования физического уширения линий и текстуры моно- кристаллов молибдена после деформации. При этом полюсные фи- гуры были получены в полюсах {110} в МоК-излучении, монохрома- тизированном графитовым монокристаллом, на рентгеновском аппа- рате ДРОН-3М с приставкой ГМ-14 «на отражение». Установлено, что при деформации Мо на 80% возникает четкая ячеистая структура. Ячейки имеют размер около 1 мкм в плоскости приложения максимальных напряжений и толщиной около 0,1 мкм для Мо. Сами же ячейки являются монокристаллами. Следователь- но, можно предположить, что основные электронные изменения происходят на границах ячеек. И хотя границы имеют небольшую толщину (несколько атомных расстояний), однако суммарно зани- мают значительный объем из-за малых размеров ячеек. Границы ячеек и могут отвечать за изменения в магнитном состоянии. Известно [15], что концентрация дислокаций в материале может увеличиваться только до какого-то критического значения, после ко- торого начинаются процессы динамического возврата, т. е. достигает- ся равновесие между процессами возникновения и коалесценции дислокаций. Оценки показывают, что при степенях деформации 80% разница (как количественная, так и качественная) в дислока- ционной структуре (Рис. 3) полированных и шлифованных образцов недостаточна, для того, чтобы объяснить столь значительные изме- нения магнитной восприимчивости. Причина заключается, по- видимому, в том, что в рентгеновских методах информация получа- ется от слоев глубиной порядка десятков микрометров, изменения, вызывающие МДЭ, происходят в поверхностном слое порядка меж- атомного расстояния. Повысить информативность результатов за счет уменьшения глубины проникновения рентгеновских лучей уда- лось при съемке методом «скользящего пучка». Исследования ха- рактеристик тонкой кристаллической структуры поверхностных слоев материала были проведены с помощью анализа интегральной отра- жательной способности (ИОС) Ri в скользящей геометрии падения рентгеновских лучей и условиях полного внешнего отражения, ха- рактеризующегося малой глубиной проникновения. Эксперимен- тально измеряли также кривые рентгеновской дифракции, как функ- ции отклонения от угла Брэгга  и угла выхода в скользящей геометрии [16]. 138 А. В. Бродовой, С. Г. Бунчук, В. Г. Колесниченко, В. В. Скороход Интегральная отражательная способность Ri квазизапрещенных рентгеновских отражений, а также спектры в условиях полного внешнего отражения измерялись на двухкристальном спектрометре по схеме (n, m) с использованием CuK-излучения для отражений 100 и 300. Размер облучаемой области составлял 50×100 мкм. Влияние многоволновых пиков исключалось путем вращения иссле- дуемого кристалла вокруг вектора дифракции. Глубина эффективного рассеивания изменялась от 40 до 400 Е (угол качания по  от 10" до 20"). Для случая эталона, т. е. мате- риала недеформированного и нешлифованного, уширение кривых не зависит от глубины. Об этом свидетельствует поведение спек- тров, снятых при разных углах падения в зависимости от углов вы- хода. Для поверхностного слоя деформированных нешлифованных образцов наблюдается небольшое снижение интенсивности при практически той же величине физического уширения. Для образцов, деформированных после шлифовки, отмечается снижение интен- сивности и рост физического уширения рентгеновской линии. У са- мой поверхности величина параметра решетки Мо понижена по сравнению с эталонным образцом и по мере роста толщины иссле- дуемого слоя параметр решетки увеличивается, приближаясь к зна- чению, полученному обычным методом. Изменение параметра ре- шетки Мо, в виде предположения, можно связать с аномальной диффузией атомов Fe в поверхностные слои, активированной экс- тремальными условиями взаимного трения поверхностей пуансона и образца при высоком давлении. Рисунок 3. Физическое уширение рентгеновских линий деформированных на 80% монокристаллов молибдена: 1 — полированный образец; 2 — обра- зец со шлифованной поверхностью. Ìàãíèòîäåôîðìàöèîííûé ýôôåêò 139 На основании изложенного можно сделать вывод, что поверх- ность деформированных образцов рассеивает сильнее, чем объем. Однако, согласно [17], в поверхностном слое разориентация блоков мозаичной структуры почти в два раза меньше, чем в объеме. По нашему мнению, причиной повышенной рассеивающей способности поверхностного слоя может быть наличие вблизи поверхности суще- ственной концентрации неоднородностей электронной плотности (микротрещины), возникающая в процессе нагружения металлов. 6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБНАРУЖЕНИЕ МИКРОТРЕЩИН В ДЕФОРМИРОВАННЫХ ОБРАЗЦАХ Известны экспериментальные доказательства присутствия трещин даже в полированном деформированном материале. В работах [18– 22] при изучении рассеяния рентгеновских лучей под малыми углами и измерения уменьшения плотности с помощью гидростатического взвешивания в поликристаллических металлах (Al, Zn, Ni, Ag, Cu) и монокристаллах NaCl, LiF, KСl обнаружено, что деформирование приводит к появлению большого числа мельчайших (зародышевых) микроразрывов размерами  0,1 мкм и предельными концентрациями 10 12 см3 . В частности, в [22] на цинке наблюдался дефект плотно- сти 2104 , который нельзя объяснить разуплотнением от дислока- ций или неравновесных вакансий, так как они могут давать величину на два порядка меньше наблюдаемого эффекта. Проведенные нами измерения изменения плотности с помощью гидростатического взвешивания дали уменьшение плотности около 0,1% в шлифован- ных образцах по сравнению с полированными. Следовательно, аб- разивная шлифовка способствует созданию на зеркальной поверх- ности монокристалла зародышевых дефектов и их развитию при меньших напряжениях, что при последующей деформации приводит к появлению микротрещин с их высокой концентрацией в приповерх- ностных слоях. При деформации же полированных образцов, по- видимому, таких микротрещин в нашем случае возникает гораздо меньше (по крайней мере, на два порядка). Образовавшиеся микро- трещины обладают высокой стабильностью, поскольку они изолиро- ваны от взаимодействия с внешней средой [23]. Если рассматривать искажения кристаллической решетки в области микротрещин, то, очевидно, что максимальные искажения и наибольшая плотность дислокаций соответствуют устьям трещин и прилегающим к ним слоям. Можно полагать, что эти участки имеют также существенно другую электронную структуру. По-видимому, достаточно высокая концентрация таких областей, образующихся при микрорастрескива- нии, может изменить магнитные свойства материала. К тому же за- мечено, что при стравливании с поверхности слоя 1 мкм, восста- навливается изначальное значение плотности и исчезает описанный 140 А. В. Бродовой, С. Г. Бунчук, В. Г. Колесниченко, В. В. Скороход выше магнитодеформационный эффект. На значительную неоднородность электронной плотности на по- верхности указывают также измерения контактной разности потен- циалов между стандартным электродом и поверхностью. Для этого электрод из золотой проволоки диаметром 0,06 мм укреплялся на вибрирующей пластинке, благодаря чему расстояние между ним и поверхностью образца периодически изменялось. Контактная раз- ность потенциалов определялась по величине компенсирующего по- стоянного напряжения. Было установлено, что относительное изме- нение контактного потенциала по отношению к стандартному элек- троду в различных точках поверхности образца изменялась от 0,01 до 0,3 В для степени деформации 80%, что, по-видимому, отража- ет уровень микронесплошности поверхности деформированных мо- либдена и цинка. 7. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ Можно также предположить, что одной из возможных гипотез объяс- нения наблюдаемого изменения МВ является предположение, что ферромагнитные примеси, содержащиеся в кристаллах в парамаг- нитном состоянии при деформации могут выделяться в самостоя- тельную ферромагнитную фазу. Для проверки этого предположения был проведен локальный микроанализ образцов с использованием двухканального лазерного масс-спектрометра, позволяющего определить элементный состав и газосодержание с точностью до 104 вес.%. Микровключения других фаз размером 50501 мкм были обна- ружены в кристаллах Mo и Zn со шлифованной поверхностью и де- формированных на 80%. Состав микровключений существенно от- личается от состава матрицы основного вещества и содержит одним из компонентов железо. Концентрация железа на поверхности об- разца при измерениях в нескольких точках различается по величине и практически отсутствует на глубине 1 мкм. Концентрацию (n) атомов ферромагнитной примеси можно опре- делить из соотношения n  paraH/эфф, где para — величина возникшего парамагнетизма; Н — напряжен- ность магнитного поля, при которой  практически не зависит от Н. Применительно к нашим измерениям  6106 см 3 /г, Н  1600 Э. Если ферромагнитной примесью является железо, то эфф  2,2В. В этом случае количество атомов железа в образце, необходимых для объ- яснения наблюдаемого парамагнетизма, должно составлять 10 19 . Сравнение этого значения концентрации атомов железа с фактиче- Ìàãíèòîäåôîðìàöèîííûé ýôôåêò 141 ским содержанием атомов Fe (10 17 ), а также отсутствие гистере- зисных явлений и независимость МВ от температуры, делают мало- вероятной возможность объяснения наблюдаемого эффекта фер- ромагнитными примесями. 8. ФЕРРОМАГНЕТИЗМ ЭЛЕКТРОННОГО ГАЗА Мы предполагаем, что появление в результате деформации доста- точно высокой концентрации микротрещин с электронным газом «умеренной плотности» в их объеме приводит к возникновению ано- мальных магнитных свойств деформированных кристаллов. Блох впервые показал, что приближение Хартри–Фока может при- вести к ферромагнетизму газа электронов, между которыми имеется только кулоновское взаимодействие. Это приводит к восприимчиво- сти вида   Pauli/(1  0,166rs), где rs — радиус сферы, содержащей один электрон (в атомных единицах). Однако приближение Хартри– Фока не является особо хорошим для описания магнитных свойств. Это объясняется тем, что принцип запрета разделяет параллельные спины, тем самым понижая их потенциальную энергию, но не затра- гивает антипараллельных спинов. Чтобы улучшить результат Хартри–Фока, необходимо рассмот- реть также и корреляции между антипараллельными спинами. Две основные корреляционные поправки к МВ были точно вычис- лены в [24]. Показано, что   Pauli/(1  0,166rs  0,046rs 2  0,032rs 2 lnrs). Таким образом, при критическом значении rs  4,5 величина  стано- вится максимальной. Эта увеличение характеризует переход от нормального (неферромагнитного) состояния к состоянию электрон- ного газа с ферромагнитным упорядочением. Как указывалось ранее, rs — радиус сферы (в атомных единицах), объем которой равен объему, приходящемуся на один электрон проводимости, и является мерой плотности электронов rs {3/(4n)} 1/3 . Тогда ферромагнитное упорядочение электронов имеет место при их концентрации n  1,810 22 см3 . Такое «умеренно» пони- женное значение электронной плотности можно получить, увеличив постоянную решетки молибдена до значения 6,0 Е, что приведет к образованию микротрещины — нарушению сплошности материала. В такой трещине с электронным газом «умеренной» плотности в ее объеме устанавливается существенно неоднородное распределение намагниченности (из-за градиента концентрации электронов), сум- марное направление которой, по-видимому, связано с геометриче- скими размерами трещин. Намагниченность внутри трещины неод- нородна, конфигурация поля сложна и невоспроизводима. Это свя- зано, по-видимому, с тем, что у кристалла имеется несколько раз- лично ориентированных систем скольжения. Их относительное уча- стие в деформации зависит от случайных перекосов в образце при 142 А. В. Бродовой, С. Г. Бунчук, В. Г. Колесниченко, В. В. Скороход сжатии в прессе. Поэтому в каждом следующем опыте реализуется, как правило, другая комбинация действующих систем скольжения. Внешнее магнитное поле выстраивает спонтанные магнитные мо- менты вдоль Н, тем самым приводя к резкому увеличению парамаг- нетизма с дальнейшим насыщением намагниченности. Концентрацию микротрещин можно определить по эксперимен- тально наблюдаемому увеличению МВ из соотношения n  paraH/B, где n — концентрация электронов, отвечающих за увеличение МВ, para — величина возникшего парамагнетизма, Н — напряженность магнитного поля, при которой  практически не зависит от Н, B — магнитный момент электрона, равный магнетону Бора. Примени- тельно к нашим измерениям для образца молибдена (Рис. 1, кривая 4)   0,33106 см 3 /г при Н  1 кЭ. В этом случае концентрация элек- тронов n  3,710 17 см3 , что свидетельствует о невысокой плотности микротрещин; их интегральная плотность составляет  2,1105 см 3 . Для образца молибдена с максимальным увеличением МВ (Рис. 1, кривая 5) para  6,0106 см 3 /г при Н 1,6 кЭ. Тогда n  1,0510 19 см3 , что соответствует интегральной плотности микротрещин  5,8104 см 3 . В свете представлений о влиянии микротрещин на магнитные свойства хорошо объясняется разница в изменении МВ при дефор- мации образцов с полированной и шлифованной поверхностями. Абразивная шлифовка создает на поверхности кристалла зароды- шевые дефекты, их развитие при последующей деформации спо- собствует появлению микротрещин. При деформации же полиро- ванных образцов таких микротрещин в нашем случае возникает го- раздо меньше. Так как аналогичное проявление МДЭ мы наблюдали также в монокристаллах цинка [25], то, принимая во внимание резуль- таты приведенного выше краткого обзора, отметим, что МДЭ имеет место в материалах различного типа: пара- и диамагнитных металлах, интерметаллидах, полупроводниках и диэлектриках, что свидетельст- вует о едином механизме этого явления. 9. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ПЛАСТИЧЕСКИ ДЕФОРМИРОВАННОГО ПОРОШКОВОГО И ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ОБРАЗЦОВ Предыдущие экспериментальные результаты показывают своего ро- да корреляцию между МДЭ и количеством внутренних границ в ма- териале. В связи с этим представляло интерес изучить на примере одного вещества, как влияет деформация на МВ материала в различных Ìàãíèòîäåôîðìàöèîííûé ýôôåêò 143 состояниях. Были исследованы следующие объекты: 1) отожженный при 1000C порошок молибдена с размером частиц от 1мкм до 5мкм и чистоты 99,8%; 2) Мо, полученный прессованием и спеканием порошка при темпе- ратуре 1300С с последующим медленным охлаждением, порис- тость образцов 20%. Деформацию порошка Мо проводили его прессованием в закры- той пресс-форме давлением 1000 МПа. При этом степень дефор- мации металла частиц порошка достигает 60–80%. Спеченные образцы представляли собой цилиндры толщиной 2– 2,1 мм и площадью торцов 15 мм 2 . Их деформировали свободной осадкой при комнатной температуре до толщины 0,5 мм. Степень деформации  рассчитывали по изменению толщины до и после де- формирования. При деформации спеченные образцы сохраняли це- лостность (не разрушались) благодаря малой исходной толщине и большой величине торцевого трения, что увеличивает гидростатиче- скую компоненту деформации. До деформации МВ порошкового и кристаллического молибдена была парамагнитной и имела значение   8,2107 см 3 /г, отличаясь для разных образцов в пределах 7%. В интервале Т  77–300 К температурная и полевая зависимости МВ для этих образцов отсут- ствовали (Рис. 4, кривая 1). Проведенные исследования показали, что при достигнутых степе- Рисунок 4. Типичные полевые зависимости магнитной восприимчивости  образцов молибдена в различных состояниях: 1 — недеформированный (порошковый и кристаллический) молибден. Измерения  проведены:  — 300К;  — 77К; 2 — спеченный деформированный Мо с   80%. 144 А. В. Бродовой, С. Г. Бунчук, В. Г. Колесниченко, В. В. Скороход нях деформации магнитные свойства порошка Мо не изменяются. Его МВ полностью повторяет исходные значения. Однако, спеченный из этого порошка молибден после деформа- ции 80% обнаруживает нелинейную полевую зависимость МВ (Рис. 4, кривая 2). В поле Н  1,25 кЭ на кривой (Н) имеется максимум, в котором МВ в  2,5 раза превышает исходное значение. Дополнительным подтверждением предположения о приоритет- ной роли трещин со свободными поверхностями может служить то, что магнитные свойства порошка практически не зависят от дефор- мации, поскольку растрескивание для него чрезвычайно затруднено из-за высокой дисперсности. Кроме того, в случае порошка было бы очень трудно уберечь свежеобразованные поверхности от контакта с окружающей средой. То, что аномальные магнитные свойства наблюдались у спечен- ного из порошка молибдена, не подвергавшегося предварительной поверхностной обработке, говорит, по-видимому, о том, что источни- ком микротрещин при деформации служили поры, оставшиеся после спекания. К тому же в спеченном деформированном Мо трещин должно быть больше, чем в монокристалле, из-за более низкой пла- стичности и, следовательно, можно было ожидать, что эффект тоже будет больше. Однако мы наблюдали больший эффект на монокри- сталлических образцах. Возможно, что большинство трещин, ини- циированных порами, содержащими воздух, подверглись воздейст- вию внешней среды. В монокристалле же образующиеся микротре- щины хорошо защищены от воздействия внешней среды. Этим, оче- видно, и объясняется разница в эффекте между спеченным образ- цом и монокристаллом. Следует подчеркнуть, что концентрация дефектов кристалличе- ской решетки (плотность дислокаций), накопленных при пластиче- ской деформации, одинакова для порошка Мо и спеченных из него образцов (как показано нами ранее). Поэтому разная реакция МВ этих объектов на деформацию не связана с решеточными дефекта- ми. 10. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА МАГНИТНУЮ ВОСПРИИМЧИВОСТЬ И ЗАЛЕЧИВАНИЕ МИКРОТРЕЩИН ДЕФОРМИРОВАННЫХ КРИСТАЛЛОВ На примере деформированного цинка, предлагается способ залечи- вания микротрещин и управления ферромагнитной составляющей магнитной восприимчивости. В данном способе использован конденсатор, одной из обкладок которого служила пластина деформированного цинка. Площадь пла- стин составляла 1,5 см 2 , расстояние между ними равнялось 2103 см, что определялось толщиной слоя диэлектрика (  3,7). Емкость Ìàãíèòîäåôîðìàöèîííûé ýôôåêò 145 конденсатора С  244 пФ. На клеммы конденсатора подавалось по- стоянное напряжение V  810 2 В, положительный потенциал которо- го прикладывался к деформированной пластине цинка. При этих ус- ловиях поверхностная плотность зарядов составляла 9,8107 Кл/см 2 , что соответствует поверхностной концентрации электронов 610 12 см2 . После выдержки образцов под напряжением при комнатной тем- пературе стандартным методом Фарадея выполнялись измерения МВ. Как видно из Рис. 5, при неизменном напряжении указанной по- лярности, ферромагнитная составляющая МВ деформированных кристаллов Zn с течением времени последовательно уменьшается и за время t  15 часов практически исчезает (Рис. 5, кривая 4). Влияние постоянного электрического поля на магнитные свойства Рисунок 5. Типичные полевые зависимости магнитной восприимчивости шлифованного деформированного на 80% кристалла цинка, при различном времени выдержки под напряжением в конденсаторе: 1 — исходный обра- зец; 2 — выдержка пять часов; 3 — выдержка десять часов; 4 — выдержка пятнадцать часов. 146 А. В. Бродовой, С. Г. Бунчук, В. Г. Колесниченко, В. В. Скороход деформированных кристаллов цинка можно связать с процессом за- лечивания микротрещин за счет механизма поверхностной само- диффузии, стимулированной электрическим полем. Согласно [26, 27] перенос вещества путем диффузии может про- исходить только при условии, что он сопровождается понижением полной свободной энергии. Для уменьшения свободной энергии при переносе должен существовать градиент химического потенциала. В [26, 27] получено выражение, связывающее разность химиче- ских потенциалов атомов с поверхностной свободной энергией для искривленной поверхности                        xxh P RnRnRR 2 2 2 2 1 2 1 2 21 00 1111 , где h — разность химических потенциалов атомов для искрив- ленной поверхности; 0 — химический потенциал атомов для плоской поверхности; R1, R2 — главные радиусы искривленной поверхности; Pxx — нормальная компонента внешнего напряжения, приложенного к поверхности;  — поверхностная энергия, которая предполагается зависящей от ориентации соответствующей плоскости. Эта зависи- мость учтена слагаемыми, которые содержат множители типа  2 /n 2 (n1 и n2 — направления нормалей к тем плоскостям, в которых изме- ряются главные радиусы кривизны). Однако членами  2 /n1 2 и  2 /n2 2 можно пренебречь, исходя из следующих соображений: при сглаживании поверхности поток ато- мов с вершины выпуклости к основанию проходит путь по поверхно- сти, содержащей множество граней, и можно считать, что значения  для этих граней усредняются и процесс переноса изотропный. Кроме того, обычно выпуклости и вогнутости поверхности пред- ставляют собой фигуру вращения, можно положить R1  R2  r. Внеш- нее напряжение Pxx происходит от внешнего электростатического поля Е, поэтому Pxx  E 2 /(8). Из теории [26, 27] следует, что в присутствии поля поверхностная энергия уменьшится на величину, пропорциональную Е 2 , так как по- ле наибольшее на вершине выпуклости, электростатические силы будут противодействовать силам поверхностного натяжения и уменьшать скорость диффузии с вершины к основанию. Скорость сглаживания поверхности в поле (h/t)E, согласно [28], выражается формулой 0 2 16 1 1                           EE t hrE ct h , Ìàãíèòîäåôîðìàöèîííûé ýôôåêò 147 из которой следует, что в поле h/t должно уменьшаться пропор- ционально E 2 , что и подтверждается экспериментально [28]. Таким образом, наблюдаемая нами временная зависимость маг- нитной восприимчивости деформированных монокристаллов цинка может быть объяснена процессом залечивания микротрещин в при- сутствии электрического поля. Этот вывод следует также из того факта, что параллельно с изменением магнитных свойств происхо- дило упорядочение структуры поверхности. Известно [29], что после залечивания трещин в кристалле остает- ся цепочка дислокаций. Это обстоятельство было проверено нами с помощью металлографического микроскопа No. 4–2 Carl Zeizz Jena при увеличении 1000. Оказалось, что каждый раз на поверхности образцов после выдержки их в конденсаторе, образовывались четко видимые дислокационные полосы, что также свидетельствует, по нашему мнению, о процессе залечивания трещин под действием электрического поля. 11. ВЫВОДЫ 1. Установлено, что в условиях экстремальной пластической де- формации с активацией поверхности металлических монокри- сталлов можно добиться как резкого повышения парамагнитной восприимчивости, так и достичь перехода металла в диамагнит- ное состояние. 2. Показано, что при деформации в объеме металла образуются множественные микротрещины, зарождающиеся на границах двух фрагментов с одинаковой ориентировкой, но сильно повернутых один относительно другого. 3. На базе этих микротрещин возникают области с аномально высо- кими значениями восприимчивости, что обусловлено электрон- ным газом «умеренной плотности». 4. Поскольку концентрация дефектов кристаллической решетки, на- копленных при пластической деформации порошка Мо и спечен- ных из него образцов, практически одинакова, можно предпола- гать, что разная реакция МВ этих объектов на деформацию не связана с решеточными микродефектами. 5. Разница в МВ деформированных порошка и спеченного Мо, по- видимому, связана с разной концентрацией макродефектов – хрупких трещин — поскольку порошок Мо при деформации прес- сованием в закрытом объеме в силу своей высокой дисперсности (1–5 мкм) не растрескивается, а спеченный пористый рекристал- лизированный хрупкий Мо при деформации свободной осадкой неизбежно растрескивается. 6. Значительное влияние механической активации поверхности аб- разивной шлифовкой с последующей деформацией на МВ моно- 148 А. В. Бродовой, С. Г. Бунчук, В. Г. Колесниченко, В. В. Скороход кристаллов Мо не противоречит предположению о приоритетной роли растрескивания в возникновении аномальных магнитных свойств. 7. При деформации шлифованных кристаллов Zn имеет место про- явление ферромагнетизма, а затем — уменьшение ферромагнит- ной составляющей МВ под воздействием электрического поля. 8. Такую временную зависимость МВ можно связать с процессом залечивания микротрещин, образованных механическим воздей- ствием на образец. ЛИТЕРАТУРА 1. G. V. Lashkaryov, A. V. Brodovoj, N. V. Goncharuk et al., Физика и техника вы- соких давлений, 3, №3: 54 (1993). 2. И. Я. Дехтяр, Р. Г. Федченко, Физ. тверд. тела, 7, №3: 893 (1965). 3. И. Я. Дехтяр, В. С. Михаленков, Физ. тверд. тела, 7, №5: 2997 (1965). 4. J. Reebie and T. S. Hutchison, Phys. Rev., 74: 610 (1948). 5. А. И. Дерягин, В. А. Павлов, К. Б. Власов, С. П. Грубова, Физ. мет. металло- вед., 32, №6: 1231 (1971). 6. А .И. Дерягин, В. А. Павлов, К. Б. Власов, В. Ф. Шишминцев, Физ. мет. ме- талловед., 41, №5: 1101 (1976). 7. И. Я. Дехтяр, В. В. Немошкаленко, Электронная структура и электронные свойства переходных металлов и сплавов (Киев: Наукова думка: 1971), с. 615. 8. Л. П. Страхов, Физ. тверд. тела, 11, №11: 3067 (1969). 9. R. K. Mak Crone and C. Cr. Haman, Solid State Commun., 35, No. 8: 615 (1980). 10. А. В. Бродовой, В. Г. Колесниченко, С. П. Колесник, С. М. Солонин, В. В. Ско- роход, Металлофиз. новейшие технол., 19, №11: 73 (1997). 11. А. В. Бродовой, Г. А. Зыков, В. П. Кладько, В. Г. Колесниченко, Д. В. Лоцко, А. Г. Попов, А. П. Рачек, С. М. Солонин, В. В. Скороход, Металлофиз. новейшие технол., 21, №1: 45 (1999). 12. Э. Л. Нагаев, Физика магнитных полупроводников (Москва: Наука: 1979). 13. Polarons and Exitons (Ed. C. G. Kuper) (New York: Academic Press: 1968), vol. 21. 14. E. S. Sharp and D. A. Averg, Phys. Rev., 158: 511 (1967). 15. Я. Д. Вишняков, Современные методы исследования деформированных кри- сталлов (Москва: Металлургия: 1975). 16. В. П. Кладько, Т. Г. Крыштаб, Укр. физ. ж., 34, №10: 1574 (1989). 17. В. И. Бетехтин, А. И. Слуцкер, Физ. тверд. тела, 4: 132 (1962); ibid., 8: 767 (1966). 18. В. Н. Савельев, Зародышевые микротрещины, возникающие при нагруже- нии металлов (Автореф. дисс. канд. физ.-мат. наук) (Ленинград: ФТИ, АН СССР: 1976). 19. В. И. Бетехтин, В. Н. Савельев, А. И. Слуцкер, Физ. мет. металловед., 37: 211 (1974). 20. В. И. Бетехтин, Ф. Шмидт, Микроразрушение кристаллических материалов, находящихся в пластичном состоянии / В кн.: Проблемы физики твердого Ìàãíèòîäåôîðìàöèîííûé ýôôåêò 149 тела и материаловедения (Москва: Наука: 1976), c. 56–58, 60–67. 21. В. И. Бетехтин, В. И. Владимиров, Кинетика микроразрушения кристалличе- ских тел / В кн.: Проблемы прочности и пластичности твердых тел (Моск- ва: Наука: 1979), с. 155–166. 22. А. Г. Кадомцев, И. Ф. Захаров, А. И. Петров, В. И. Бетехтин, Ф. Шмидт, Физ. мет. металловед., 40, №6: 828 (1975). 23. В. А. Стрельцов, Дефекты и их взаимодействие в твердых телах при больших деформациях (Автореферат дисc. докт. физ.-мат. наук) (Донецк: ДФТИ, АН УССР: 1988). 24. K. A. Brueckner and K. Sawada, Phys. Rev., 112: 328 (1958). 25. A. V. Brodovoi, V. A. Brodovoi, V. G. Kolesnichenko et al., Proc. of SPIE, 3182: 293 (1997). 26. C. Herring, Structure and Properties of Solid Surfaces (Chicago: Univ. Chicago Press: 1963), p. 5. 27. C. Herring, The Physics of Powder Metallurgy (Ed. W. E. Kingston) (New York: McGraw Book Co: 1951), p. 143. 28. J. Barbour, F. M. Charbonnier, W. W. Polan, W. P. Dyke, E. E. Martin, and J. K. Trolan, Phys. Rev., 117: 1452 (1960). 29. М. П. Шаскольская, Янь-Вонь Ван, Шу-Чжао Гу, Кристаллография, 6: 605 (1961).

Ähnliche Einträge