Кристаллической анизотропии

Некоторые особенности диффузии в металлах объясняются их кристаллическим строением.

Фазы — это однородные части сплава с подобным кристаллическим строением, с идентичными свойствами и составом зерен-кристаллитов.

Весьма важным свойством Fe является полиморфизм (аллотропия). Термическим и рентгеноструктурным анализом установлено, что Fe имеет две модификации, отличающиеся кристаллическим строением и свойствами: а (К8) и у (К12). Полиморфные превращения Fe характеризуются кривой охлаждения (см. рис. 1.4).

Наиболее склонны к свариванию одинаковые металлы и металлы со сходным атомно-кристаллическим строением, образующие друг с другом твердые растворы замещения. Структурная неоднородность, наличие в металле нескольких фаз, особенно неметаллических (карбидов, силицидов и др.), предотвращают сваривание. Устойчивы против сваривания закаленные стали (если не происходит отпуска стали из-за перегрева).

В ЗТВ в процессе нагрева и охлаждения при сварке, а также в шве при охлаждении получают развитие целый ряд фазовых и структурных превращений. Под фазовыми превращениями (переходами I рода) понимают превращения с образованием новых фаз, отличающихся от исходных атомно-кристаллическим строением, часто составом, свойствами, и разграниченных с ними поверхностями раздела (межфазными границами). При образовании новой фазы в ее объеме меняется свободная энергия, скачкообразно изменяются энтропия, теплосодержание и в момент превращения теплоемкость стремится к бесконечности. В связи с этим фазовое превращение сопровождается выделением или, поглощением теплоты. При структурных превращениях (переходах II рода) происходит перераспределение дефектов кристаллической решетки, легирующих элементов и примесей и изменение субструктуры существующих фаз. Структурные превращения сопровождаются плавным изменением свободной энергии, энтропии и теплосодержания, скачкообразным — теплоемкости, и не сопровождаются выделением теплоты.

10Б А. На границах блоков (или субграницах) образуется область с нарушенным порядком расположения атомов: угол разориентировки между блоками изменяется от 10 до 20 мин. Мозаичная структура образуется в результате захвата примесей растущими кристаллами, под действием сжимающих напряжений, возникающих при охлаждении металла, его пластической деформации и т. д. Таким образом, отдельный блок представляет собой элемент тонкой структуры металла, который характеризуется совершенным кристаллическим строением.

Кеперник предложил [18], что это травление (как способ выявления поверхности зерна) основано на преломлении световых лучей медной пленкой или на отражении кристаллической структуры материала, которая передается пленке. Явление периодического отражения при травлении было обнаружено Борхард в 1944 г., которая также провела первые исследования штрихового травления. Борхард наблюдала при травлении шлифов сплавов А1— Си — Mg характерные сетки и блики на плоскости зерна, признанные за периодическое отражение. Эти сетки и штрихи возникают во время сушки при усадке медного осадка, который, пока он влажный, покрывает плоскость шлифа коричневым налетом. Штриховка тесно связана с кристаллическим строением фаз, расположенных под осадком. После подробного исследования, которое проводилось с целью использования штрихового травления для определения ориентации, по Кострону [19], было установлено, что между травлением для выявления поверхности зерен, например сплавов А1 — Си — Mg, по Келлеру [20], и штриховым травлением имеется характерное различие. У зерен, остающихся при выявлении их поверхности относительно светлыми, проявляется отчетливая картина штрихов.

Серра Шибера и Фелин Матас [2] объяснили связь между фигурами травления и кристаллическим строением нержавеющей стали 18/8. Штриховое травление специальных сталей, за исключением марганцовистого аустенита по методу Клемма, до сих пор еще не обнаружено. При имеющихся прожилках, по данным Нортготта [31, легированные стали должны травиться 5%-ным спиртовым раствором азотной кислоты, а нержавеющие стали — 10%-ным раствором персульфата аммония в соляной кислоте,

После раскрытия трещины в корпусе маслонасоса из сплава АК8 на поверхности излома выявлены две зоны: начальная зона с волокнисто-кристаллическим строением и имеющая волокни-

Имеется несомненная, в ряде случаев однозначная, связь между электрическими характеристиками и структурным состоянием металлов и сплавов после термической обработки или поверхностного упрочнения. Эти операции создают значительные сжимающие напряжения в поверхностных слоях и способствуют увеличению сопротивления материалов разрушению. Физическая сущность происходящих при этом процессов связана с кристаллическим строением металлов. Для суждения о глубинных явлениях происходящих в недрах кристаллической (решетки проводящих ток материалов, используют механические и физические методы испытаний, основанные на рентгеновском излучении, ультразвуковых колебаниях, магнитных явлениях, термо-э. д. с., электрическом сопротивлении и, наконец, вихревых токах.

Наблюдаемое сопротивление движению дислокации определяется суммарным влиянием барьеров различного типа на пути ее движения, обусловленных как кристаллическим строением, так и его нарушениями дефектами различного типа, приводящих к действию полей напряжений различной протяженности. Разделение этих полей на короткодействующие (вблизи точечных дефектов) и дальнодействующие [335] является условным, принятым с целью упрощения анализа динамики дислокаций. Связанные с этими полями барьеры различного уровня преодолеваются дислокацией в термически активируемом процессе или атермически в зависимости от высоты барьера. При этом каждому уровню нагрузки соответствует определенный набор барьеров, контролирующих движение дислокаций, а следовательно, и процесс пластического течения.

ходуемая на преодоление препятствий, связанных с магнитострикцией, преобладает над работой преодоления препятствий, связанных с кристаллической магнитной анизотропией. В случае отрицательной магнитост-рикции упругое сжатие облегчает процесс намагничивания и размагничивания, а растяжение затрудняет эти процессы. При намагничивании сжатого образца железа возникает дополнительная энергия, равная приблизительно ASU, где а - напряжение от внешних сил, а Д5 - магнитострикция насыщения. Эта энергия играет большую роль при очень сильных напряжениях или очень малой кристаллической анизотропии К, т.е. при Л$а >;> К-Под влиянием кристаллической анизотропии и внешних сил устанавливается наивыгоднейшее направление самопроизвольного намагничивания в каждом домене, соответствующее минимуму энергии, и изменение этого направления связано с дополнительной энергией А'эфф = аК + @1$а, которая называется эффективной константой магнитной анизотропии. Она складывается из энергий кристаллической анизотропии (К) и магнитоупругой, а и ft - числовые коэффициенты порядка единицы.

Основные физические свойства электротехнической стали следующие: температура Кюри в = 768° С, намагниченность насыщения при 20° С 4nJs — 2,15 тл (21 580 гс), плотность 7,874 г/см*, константа магнитной кристаллической, анизотропии К. — 4,2-104 дж/м3 (4,2-105 эрг/см3), константа магнитострикции Xs может изменяться от 5-Ю"6 до —5-Ю6. Удельное электросопротивление р и магнитная проницаемость ц зависят от содержания в стали примесей, которое может изменяться в зависимости от способа ее получения и условий термической обработки.

Рис. 98. Влияние различных легирующих элементов (вес %) на изменение константы магнитной кристаллической анизотропии железа

Для того чтобы выяснить, почему электротехническую сталь легируют кремнием, а не каким-либо другим элементом, необходимо рассмотреть влияние содержания различных элементов, образующих с железом твердый раствор, на константы магнитной кристаллической анизотропии /С и магнитострикции Я5 (от этих величин зависят потери на гистерезис), величину намагниченности насыщения 4яУ5 (электротехническая сталь должна иметь возможно более высокую индукцию) и величину удельного электросопротивления (эта характеристика определяет потери на токи Фуко). Изменение указанных характеристик в зависимости от содержания легирующего элемента приведено на рис. 98—101. На магнитную проницаемость и потери на гистерезис в большей степени

Для сплавов, содержащих около 45% Ni, константа магнитной кристаллической анизотропии положительна, следовательно, наилучшими магнитными свойствами бу-

Рис. 111. Схема, характеризующая влияние скорости охлаждения на величину константы магнитной кристаллической анизотропии и магнитострикцию Я5 в направлениях [001] и [111] от состава сплава:

и порошки прессуют со связующим веществом в магнитном поле. Высокая коэрцитивная сила в марганцевовисму-товых порошках обусловлена повышенным значением константы .магнитной кристаллической анизотропии 8,9 X X 105 дж/м3 (8,9-Ю6 эрг/см3). Наивысшее значение коэрцитивной силы 955 200 а/м (12 000 э) получено для мар-ганцевовисмутовых частиц диаметром 3 мкм (рис. 167). Если удастся добиться дальнейшего уменьшения размера частиц, то, вероятно, можно ожидать получения более высокой коэрцитивной силы. Качественная связь этой огромной Нс с высокой магнитокристаллической анизотропией понятна, но количественные расчеты не соответствуют экспериментальным данным.

ходуемая на преодоление препятствий, связанных с магнитострикцией, преобладает над работой преодоления препятствий, связанных с кристаллической магнитной анизотропией. В случае отрицательной магнитост-рикции упругое сжатие облегчает процесс намагничивания и размагничивания, а растяжение затрудняет эти процессы. При намагничивании сжатого образца железа возникает дополнительная энергия, равная приблизительно ASTT, где а - напряжение от внешних сил, a As - магнитострикция насыщения. Эта энергия играет большую роль при очень сильных напряжениях или очень малой кристаллической анизотропии К, т.е. при /ijcr » К. Под влиянием кристаллической анизотропии и внешних сил устанавливается наивыгоднейшее направление самопроизвольного намагничивания в каждом домене, соответствующее минимуму энергии, и изменение этого направленна связано с дополнительной энергией ЛГэфф = аК + /?Astr, которая называется эффективной константой магнитной анизотропии. Она складывается из энергий кристаллической анизотропии (Л) и магнитоупругой, а и ft - числовые коэффициенты порядка единицы.

где А"эф — эффективная константа одноосной анизотропии, которая может приобретать различные значения, а именно: для одноосной кристаллической анизотропии — К\, для одноосной анизотропии упругих напряжений — 3^sa/2 и для одноосной анизотропии формы, когда маг-нитотвердая однодоменная частица представляет собой вытянутый эллипсоид вращения с размагничивающим фактором JVA вдоль длинной оси эллипсоида и NE вдоль его короткой оси, - I?(NB - NA)/2.

Высококоэрцитивное состояние в сплавах Со—Pt обусловлено наличием в структуре упорядоченной у -фазы с гранецентрированной тетрагональной кристаллической решеткой (ГЦТ) и отношением с/а ~ 0,979. Фаза у образуется в сплавах с 28...58 % (ат.) Со при температурах ниже 825 °С в процессе упорядочения высокотемпературной у-фазы с ГЦК решеткой. Фаза у — магнитно-одноосна с высокой константой кристаллической анизотропии К\ ~ 106Дж/м3. Высокие магнитные свойства возникают в сплавах вблизи эквиатомного состава после охлаждения из однофазной у-области с некоторой критической скоростью (1...5°С/с) и последующего отпуска при 650 °С. Структура сплавов в этом состоянии характеризуется смесью высокоанизотропных частиц у-фазы и частиц у-фазы с высокой намагниченностью насыщения. Из анализа кривых крутящего момента можно предполагать, что высокая коэрцитивная сила обусловлена, главным образом, большой константой одноосной анизотропии у-фазы и ее перемагничиванием путем вращения вектора намагниченности.

сталлической анизотропии. Примером такого влияния азота является соединение Sm2Fe17. Соединение Sm2Fe17 имеет ромбоэдрическую кристаллическую структуру типа Th2Zn17 с параметрами кристаллической решетки в гексагональных осях: о = 0,8534нм, с= 1,243нм, с/а = 1,457. Температура Кюри соединения по различным источникам составляет 353...383 К, намагниченность насыщения 1,ОТл. Магнитная кристаллическая анизотропия носит плоскостной характер. Введение азота до соотношения Sm2Fe17N3_s (5 колеблется от 0,2 до 0,4) сохраняет кристаллическую решетку, увеличивая ее тетрагональность, повышает температуру Кюри до 753 К и намагниченность насыщения до 1,5Тл. Кроме того, увеличение тетрагональности решетки приводит к появлению одноосной магнитной кристаллической анизотропии с полем анизотропии приблизительно 80 кЭ. Таким образом, получаемый нитрид уже является перспективным материалом для изготовления из него постоянных магнитов. Из литературы известна следующая технология получения постоянных магнитов из этого соединения [4]. Порошок соединения Sm2Fe17 насыщают газообразным азотом при температуре 620...650 °С под давлением около 100 кПа. При этом идет следующая реакция азотирования: