Структура и магнитные свойства сплава Fe86Mn13C

Квеглис Л.И., Рахимова М.С., Мисевра С.Я., Джес А.В., Букина О.С., Волочаев М.Н.

Сибирский федеральный университет, Россия

Восточно Казахстанский государственный технический университет им. Д.Серикбаева, Республика Казахстан

Восточно Казахстанский государственный университет им. С. Аманжолова, Республика Казахстан

Сибирский государственный аэрокосмический университет им. М.Ф. Решетнева, Россия

Структура и магнитные свойства сплава Fe₈₆Mn₁₃C

В настоящее время бурно развивающаяся наука спинтроника требует новых материалов, обладающих необходимыми параметрами, технологичностью получения и низким показателем экономических затрат.

Поскольку сплав Fe₈₆Mn₁₃C обладает набором уникальных электрических и магнитных свойств и является дешёвым материалом необходимость изучения этого сплава в массивном и пленочном состоянии как материала для спинтроники очевидна.

В работе предлагается модель структурообразования мартенсита деформации в виде самоорганизации кластеров. Модель основана на экспериментальных исследованиях структуры пленок и их свойств.

Сплав Fe₈₆Mn₁₃C, известный также как сталь Гадфильда (110Г13Л), представляет собой антиферромагнитный инвар. При ударной нагрузки в образцах появляется локальная намагниченность. Для выяснения причины такого поведения сплава исследовали структуру и магнитные свойства массивных образцов стали 110Г13Л, подвергнутых ударному нагружению, и тонкопленочных образцов, подвергнутых криомеханической обработке.

На рис.1 приведено изображение поверхности массивного образца сплава Fe₈₆Mn₁₃C после ударной нагрузки. Картина свидетельствует о возникновении новой фазы − мартенсита деформации. Эта фаза локализуется в полосах сдвиговой деформации зерен аустенита. Методом крутящих моментов показано наличие неоднородной магнитной структуры в таких образцах. На рис.2 приведена зависимость крутящего момента от угла поворота магнитного поля напряженностью 8 кЭ для пластинок стали размером 10х5х0.1мм. Из этой зависимости видно, что магнитная структура сплава неоднородна. Сплав обладает магнитной вязкостью, т.е. зависимостью скорости намагничивания от времени.


Рис. 1. Изображение поверхности деформированного массивного образца сплава Fe₈₆Mn₁₃C в сканирующем электронном микроскопе	Рис. 2. Кривые крутящих моментов деформированного образца сплава Fe₈₆Mn₁₃C, иллюстрирующие неоднородность магнитной структуры

Ранее в наших работах [1, 2] исследована зависимость ЭДС от температуры в установке, схема которой представлена на рис. 3. Из температурной зависимости термоЭДС (рис. 4) видно, что эта величина может менять знак при изменении температуры. Магнитного поля к образцу приложено не было. Тем не менее, знак термоЭДС менялся при достижении определенных температур, как при нагревании так и при охлаждении образца. Микроструктура такого образца представлена на рис. 1. Из рисунка видно, что полосчатая структура аустенит-мартенсит деформации пересекает каждое зерно, и полосы мартенсита деформации одного зерна переходят в полосы другого зерна.


Рис. 3. Схема измерения термоЭДС	Рис. 4. Зависимость термоЭДС при нагревании и охлаждении образца сплава Fe₈₆Mn₁₃C

На рис.5 приведены зависимости относительного продольного магнитосопротивления R/R₀ от напряженности магнитного поля Н. Здесь R – сопротивление образца при наложении поля, R₀ – сопротивление образца без наложения поля. При повороте образца в магнитном поле на 180º наблюдается отрицательное магнитосопротивление.

Рис.5. Зависимость магнитосопротивления от величины магнитного поля для деформированного образца сплава Fe₈₆Mn₁₃C: исходное положение образца (сплошная линия); образец повернут на 180 градусов(пунктир)

Поскольку поиск новых материалов для спинтроники предполагает создание тонкопленочных образцов, то дальнейшая наша задача − исследовать структуру и свойства тонких пленок сплава Fe₈₆Mn₁₃C.

Пленки Fe₈₆Mn₁₃C были получены методом термического вакуумного осаждения на установке ВУП-4 при давлении 10^-5 мм. рт. ст. на подложки из стекла и NaCl. Далее пленки отделяли от подложки и исследовали их структуру методом просвечивающей электронной микроскопии и микродифракции на приборах ПРЭМ – 200 и (JEM – 2100). Для изучения магнитных свойств пленок использовался метод крутящих моментов на магнитометре и индукционный метод построения петель гистерезиса с помощью феррометра.

Исследовали пленки сплава Fe₈₆Mn₁₃C, обладающего неоднородной магнитной структурой. Неоднородность связана с неоднородностью кристаллической структуры пленок, в которых сосуществуют аустенит, имеющий антиферромагнитную структуру и мартенсит деформации, обладающий ферримагнитным порядком. Мартенсит деформации возникал в пленках под воздействием криомеханической обработке. Обработка заключалась в циклическом охлаждении пленки до температуры жидкого азота и последующем ее нагревании до комнатной температуры.

На рис. 6 представлено электронно-микроскопической изображение высокого разрешения пленки Fe₈₆Mn₁₃C. Мы видим когерентную связь соседних кластеров. Каждая атомная плоскость одного кластера переходит в атомную плоскость другого кластера. Таким образом, отдельные кластеры соединяются в кластерные агрегаты и формируют пленку в целом.

81 a

Рис. 6. Изображение в высокоразрешающем электронном микроскопе кластерной структуры пленки сплава Fe₈₆Mn₁₃C.

В левой части рисунка 6 видна темная область. При фокусировки пучка электронов на темную область в течение несколько секунд в этой области формируется полосчатый контраст, как это показано на рис. 7. Такой контраст сложно интерпретировать как муаровый узор [3], поскольку размер области невелик. Кроме того, темный цвет создается не перепадом амплитуды, а как фазовый контраст, поскольку электронный пучок отклоняется магнитным полем кластера. В результате формируется темная область из-за недостатка электронов. Избыток электронов формирует светлые области. Полосатая структура представляет собой смесь мартенсита деформации и аустенита, который возникает при нагревании участка электронами. Здесь магнитная мартенситная фаза остается темной, аустенитная фаза светлеет.

Также на когерентную связь отдельных структурных элементов пленки указывает свойство магнитной анизотропии. На рис. 8 показаны кривые крутящих моментов, полученные с пленки Fe₈₆Mn₁₃C, подвергнутой криомеханической обработке. Напряженность магнитного поля в крутильном магнитометре составляла 1 кЭ, чувствительность прибора 3,76·10^-4 Дж. Представленные кривые крутящих моментов свидетельствуют о том, что намагниченность пленки имеет ярко выраженную анизотропию. Кроме того имеется ярко выраженный анизотропный гистерезис. Анизотропия может быть связана с игольчатой формой чередующихся фаз мартенсита деформации и аустенита.

72 a

Рис. 7. Изображение в высокоразрешающем просвечивающем электронном микроскопе магнитного кластера пленки Fe₈₆Mn₁₃C, подвергнутой криомеханической обработке в жидком азоте.

Рис. 8. Кривые крутящих моментов криомеханически обработанной пленки сплава Fe₈₆Mn₁₃C, иллюстрирующие неоднородность магнитной структуры

Игольчатая форма мартенсита деформации была обнаружена нами в изломах деформированных массивных образцов. На рис. 9. представлена поверхность излома образца сплава Fe₈₆Mn₁₃C, подвергнутого ударной нагрузке в маятниковом копре Исследование проведено с помощью сканирующего электронного микроскопа JSM – 6390VL. В полости кратера излома обнаружена фаза распространяющегося мартенсита деформации в виде длинных иголок, расположенных под фиксированным углом, «выступающих» из основной матрицы. Это говорит о большей, чем основная матрица, прочности игл. Такие иглы можно наблюдать только в образцах подверженных ударной нагрузке или при взрывной кристаллизации [4].


Рис. 9, а. Микрофотография поверхности излома образца сплава Fe₈₆Mn₁₃C.	Рис. 9, б. трехмерная модель стержней прорастания: часть стержня прорастания – комбинация икосаэдра (ФК 12) и 5 октаэдров (слева), стержень прорастания, полученный комбинацией икосаэдра (ФК 12) и октаэдров (справа)

Мартенсит деформации, полученный в результате ударных механических воздействий, может составлять значительную часть объема материала и может иметь, наряду с известными фазами, структуру Франка – Каспера [5, 6]. В связи с этим нами сделана попытка компьютерного моделирования возможных структур мартенсита деформации как для массивных, так и для пленочных образцов сплава Fe₈₆Mn₁₃C. Использование пакетов для моделирования трехмерной графики, таких, как 3dsMax, основанных на объектно-ориентированном пользовательском интерфейсе, позволяет осуществлять моделирование сложных объемных структур и решать обратную задачу − нахождение координат по уже построенным точкам моделей или объектов.

При моделировании использовалось трехмерное Евклидово пространство с Декартовой системой координат. Использование вложенных в базу пакета моделирования геометрических фигур дает возможность сохранения правильных пропорций и углов между гранями моделей, получаемых сочетанием из этих фигур.

На рис. 9, б приведена структура одной из созданных трехмерных моделей – стержня прорастания. Трехмерная модель стержней прорастания представляет собой комбинацию икосаэдра (ФК-12) и пяти октаэдров, образующих пентагональную «чашу». Так была построена модель формирования игл мартенсита деформации в массивных образцах. Модель была построена на данных рентгеноструктурного анализа, полученных от массивных образцов сплава Fe₈₆Mn₁₃C.

а б

Рис. 10. Картина микродифракции электронов, полученная от пленки сплава Fe₈₆Mn₁₃C, (а) и схема ее расшифровки (б).

Расшифровка дифракционной картины показа наличие когерентно связанных кластеров аустенита, имеющего ГЦК решетку, и мартенсита, имеющего ОЦК решетку, параметр которой удвоен по отношению к обычному α-железу.

На рис. 11, а представлен ромбический икосаэдр, составленный из тетраэдрических симплексов ОЦК решетки, полученных сечением кубической решетки плоскостями типа (110) [7]. Фрагмент сборки из четырех тетраэдров ОЦК решетки может быть совмещен с ребром октаэдра ГЦК решетки (рис. 11, б), как это показано на рис. 11, в. Стрелками показано возможное переключение химических связей при образовании мартенсита деформации.

002 $C:\my documents\Downloads\006.png$

а б в

Рис. 10. Компьютерные модели трехмерных кластеров, сделанные в среде 3ds Max. а) для ОЦК- мартенсита; б) модуль ГЦК решетки; в) схема перехода между ГЦК и ОЦК кластерами, стрелочками показана замена позиций атомами ГЦК ↔ ОЦК

Выводы:

• Сделана попытка компьютерного моделирования возможных структур мартенсита деформации как для массивных, так и для пленочных образцов сплава Fe₈₆Mn₁₃C

• Моделирование структур Франка − Каспера позволяет понять природу структурообразования в межзеренных границах массивных образцов сплава Fe₈₆Mn₁₃C при ударном нагружении.

• Показана возможность переключения химических связей при формировании мартенсита деформации, с помощью моделирования трехмерных кластеров ГЦК и ОЦК решеток

• Сочетание структуры антифферомагнитного аустенита и ферримагнитного мартенсита деформации создают уникальные электрические и магнитные свойства сплава Fe₈₆Mn₁₃C как в массивном, так и в пленочном состоянии.

Благодарим лабораторию IРГЕТАС за помощь в проведении эксперимента

Литература:

1. Kveglis L.I., Abylkalykova R.B., Semchenko V.V., Volochaev M.N «The variable thermoelectric Effect in magnetic viscosity Alloy Fe₈₆Mn₁₃C» VII International Conference on Mechanochemistry and Mechanical Alloying INCOME 2011, August 31-September 3, 2011, Herceg Novi.

2. Panichkin, R. Abylkalykova B., L. Kveglis, V. Semchenko «The Sign-alternating Thermoelectric Effect in Magnetic Viscosity Alloy Fe₈₆Mn₁₃C» Scientific Israel- Technological Advantages V.12, № 3, 2010, Р. 30-35.

3. Hirsch P., Howie A., Nicholson, R., J. Peschl, M. Whelan, «Electron Microscopy of thin crystals» / / Translate from English. - Springer-Verlag, 1968, 562 p.

4. 4Темкин Д.Е. , О скорости роста кристаллической иглы в переохлажденном расплаве // Доклады АН СССР 1960, 132, 6, 1307-1310.

5. Sidhom H., Portier R., «An icosaedral phase in annealed austenitic stainless steel» // Philosophical Magazine Letters, 1989, V. 59, №. 3, P. 131-139.

6. L.I. Kveglis, F.M. Noskov, A.V. Arhipkin, V.A. Musikhin, V.N. Cherepanov, A.V. Niavro «The local electron structure and magnetization in β- Fe₈₆Mn₁₃C» // Superlattices and Microstructures 46 (2009), P. 114-120

7. Бульёнков Н.А., Тытик Д.Л. Модульный дизайн икосаэдрических металлических кластеров // Известия РАН (сер хим.), 2001, №1, С. 1.