Mikrostruktura, struktura magnetyczna oraz właściwości magnetyczne amorficznych i częściowo skrystalizowanych stopów Fe, Co i Ni

Transkrypt

1 mgr inż. Jakub Rzącki Praca doktorska p.t.: Mikrostruktura, struktura magnetyczna oraz właściwości magnetyczne amorficznych i częściowo skrystalizowanych stopów Fe, Co i Ni STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań mikrostruktury, struktury magnetycznej i właściwości magnetycznych w amorficznych i częściowo skrystalizowanych stopach Fe 70 Mo 5 Cr 4 Nb 6 B 15, Fe 60 Co 10 Mo 5 Cr 4 Nb 6 B 15 i Fe 60 Ni 10 Mo 5 Cr 4 Nb 6 B 15 w postaci cienkich taśm o grubości około 20 μm. Przeprowadzenie komplementarnych badań mikrostruktury tych stopów z wykorzystaniem spektrometrii mössbauerowskiej, dyfrakcji promieni Röntgena i transmisyjnej mikroskopii elektronowej pozwoliło na określenie składu fazowego stopów w stanie po zestaleniu oraz po obróbce cieplnej. Zjawisko Mössbauera zostało również wykorzystane w badaniach uporządkowania magnetycznego stopów. Wyniki badań mikrostruktury oraz struktury magnetycznej i właściwości magnetycznych, takich jak magnetyczna pętla histerezy, magnetyzacja w funkcji temperatury i indukcji pola magnesującego pozwoliły na poznanie procesów magnesowania w tych stopach. Na podstawie badań mikrostruktury stwierdzono, że w stanie po zestaleniu badane stopy są w pełni amorficzne. Świadczą o tym obrazy dyfrakcji promieni rentgenowskich, obraz mikrostruktury i kształt widm mössbauerowskich. Badania mikrostruktury przeprowadzone za pomocą dyfraktometru rentgenowskiego wykazały, że w stopach Fe 70 Mo 5 Cr 4 Nb 6 B 15 i Fe 60 Co 10 Mo 5 Cr 4 Nb 6 B 15 po obróbce termicznej w temperaturze 800 K w czasie 30 min pojawia się faza krystaliczna Cr 12 Fe 36 Mo 10. Udział tej fazy rośnie ze wzrostem temperatury obróbki cieplnej, o czym świadczy wzrost natężenia linii w dyfraktogramach rentgenowskich. Widma mössbauerowskie dla stopów w stanie po zestaleniu oraz po obróbce cieplnej w szerokim zakresie temperatur mają kształt niesymetrycznych dubletów, co jest charakterystyczne dla materiałów paramagnetycznych. Należy podkreślić, że stop Fe 60 Ni 10 Mo 5 Cr 4 Nb 6 B 15 jest najbardziej termicznie stabilny i linie pochodzące od fazy krystalicznej Cr 12 Fe 36 Mo 10 są wyraźnie widoczne w obrazach dyfrakcji promieni

2 rentgenowskich otrzymanych dla próbek poddanych obróbce cieplnej w temperaturze 1125 K w czasie 30 min. Na podstawie badań mössbauerowskich stwierdzono, że przed pojawieniem się ferromagnetycznej fazy krystalicznej w próbkach stopów Fe 60 Co 10 Mo 5 Cr 4 Nb 6 B 15 i Fe 60 Ni 10 Mo 5 Cr 4 Nb 6 B 15 występują dwie fazy amorficzne: para- i ferromagnetyczna. Udział amorficznej fazy ferromagnetycznej rośnie ze wzrostem temperatury wygrzewania i w wyniku jej krystalizacji powstaje ferromagnetyczna faza krystaliczna: α- FeCo w przypadku stopu Fe 60 Co 10 Mo 5 Cr 4 Nb 6 B 15 i α- Fe w przypadku stopu Fe 60 Ni 10 Mo 5 Cr 4 Nb 6 B 15. Fazy te w początkowym etapie krystalizacji zawierają również atomy innych pierwiastków. Pętle histerezy magnetycznej dla próbek stopów w stanie po zestaleniu, zmierzone przy maksymalnej indukcji pola magnesującego B = 1 T w temperaturach niższych od temperatury Curie, są charakterystyczne dla ferromagnetyków magnetycznie miękkich. Natomiast pętle histerezy zarejestrowane dla badanych stopów w wysokich temperaturach mają kształt typowy dla materiałów paramagnetycznych. Na podstawie pomiaru magnetyzacji w funkcji temperatury (przy pomiarach w słabych polach magnesujących B = 5 mt oraz B = 10 mt) dla stopu Fe 70 Mo 5 Cr 4 Nb 6 B 15, poddanego obróbce cieplnej w temperaturze 910 K w czasie 30 min, stwierdzono efekt zamrażania momentów magnetycznych, podobnie jak w szkłach spinowych. Efekt ten jest widoczny przy pomiarze zależności M(T) próbki uprzednio schłodzonej bez pola magnetycznego (ZFC) i schłodzonej w polu magnetycznym (FC). Zamrażanie momentów magnetycznych ujawnia się również przy pomiarze izotermicznych krzywych magnetyzacji. Zmiana magnetyzacji (odstępu między izotermicznymi krzywymi magnetyzacji) dla danego pola magnesującego przy zwiększeniu temperatury pomiaru próbki o T = 5 K maleje ze wzrostem temperatury, co pokazano dla próbek stopu Fe 70 Mo 5 Cr 4 Nb 6 B 15 wygrzanych w czasie 30 min w temperaturze 895 K oraz 910 K. Anomalne zachowanie magnetyzacji przy magnesowaniu w bardzo słabych polach magnetycznych obserwuje się również dla stopu Fe 60 Ni 10 Mo 5 Cr 4 Nb 6 B 15 po obróbce cieplnej w temperaturze 1125 K w czasie 30 min. Magnetyzacja wszystkich próbek badanych stopów przy pomiarach w silnych polach magnetycznych maleje monotonicznie ze wzrostem temperatury, lecz nawet w wysokich temperaturach nie osiąga wartości zero. Jest to związane z niejednorodnością próbek, co zostało potwierdzone poprzez badania mössbauerowskie. Mikrostruktura próbek i ich struktura magnetyczna wpływa bardzo wyraźnie na zmiany entropii magnetycznej ( S ) badanych stopów. Dla stopów w stanie

3 po zestaleniu, na krzywych S (T) obserwuje się szerokie maksimum w pobliżu temperatury Curie. Pojawienie się faz krystalicznych po obróbce cieplnej próbek powoduje zmniejszenie wartości maksimum na krzywej S (T). W przypadku stopu Fe 70 Mo 5 Cr 4 Nb 6 B 15 po obróbce cieplnej w temperaturach 895 K i 910 K w czasie 30 min widoczny jest wzrost zmiany entropii magnetycznej przy obniżaniu temperatury, co jest spowodowane zamrażaniem przypadkowo rozłożonych momentów magnetycznych w mikroobszarach.

4 SUMMARY The results of microstructure, magnetic structure and magnetic properties studies for amorphous and partially crystallized Fe 70 Mo 5 Cr 4 Nb 6 B 15, Fe 60 Co 10 Mo 5 Cr 4 Nb 6 B 15 and Fe 60 Ni 10 Mo 5 Cr 4 Nb 6 B 15 alloys in the form of ribbons of about 20 m in thickness are presented. From Mössbauer spectroscopy, X-ray diffraction and transmission electron microscopy investigations, the phase composition of the samples in the as-quenched state and after the thermal heat treatment are determined. The magnetic structure was studied using Mössbauer spectroscopy. The complementary investigations of the microstructure, magnetic structure and magnetic properties such as magnetic hysteresis loops, magnetization as a function of both the temperature and induction of magnetizing field allow to get to know the magnetization process in these alloys. From X-ray diffraction, electron microscopy and Mössbauer spectroscopy studies it has been stated that the alloys in the as-quenched state are fully amorphous. X-ray diffraction studies show that in Fe 70 Mo 5 Cr 4 Nb 6 B 15 and Fe 60 Co 10 Mo 5 Cr 4 Nb 6 B 15 alloys subjected to the annealing at 800 K for 30 min the crystalline Cr 12 Fe 36 Mo 10 phase appears. The contribution of this phase increases with the increasing annealing temperature. Moreover, it has been found that Mössbauer spectra of the alloys in the as-quenched state and after annealing in the wide temperature range are asymmetric doublets in shape which is characteristic of paramagnetic materials. Fe 60 Ni 10 Mo 5 Cr 4 Nb 6 B 15 alloy exhibits the largest thermal stability and the crystalline Cr 12 Fe 36 Mo 10 phase appears after the annealing at 1125 K for 30 min. From Mössbauer spectroscopy studies it was found that the appearance of the ferromagnetic crystalline phases: -FeCo in Fe 60 Co 10 Mo 5 Cr 4 Nb 6 B 15 and -Fe in Fe 60 Ni 10 Mo 5 Cr 4 Nb 6 B 15 alloys was preceded by the occurrence of para- and ferromagnetic amorphous phases. Magnetic hysteresis loops of the as-quenched alloys recorded below the Curie temperature at the maximum induction of magnetizing field equal to 1 T are characteristic of soft ferromagnets. However, the hysteresis loops for investigated alloys measured at high temperatures are typical of paramagnetic materials. The measurements of magnetization as a function of temperature (in the magnetizing fields of B = 5 mt and B = 10 mt) for Fe 70 Mo 5 Cr 4 Nb 6 B 15 alloy subjected to the thermal heat treatment at the temperature of 910 K for 30 min show that in this alloy, similar as in the spin glasses, the freezing of magnetic moments takes place. This effect is visible during the measurements of magnetization as a function of temperature for the sample prior cooled without (ZFC) and with magnetic field

5 (FC). This effect also appears during recording of isothermal magnetization curves and is observed as the decrease of the distance between these curves with the increasing temperature. Anomalous behavior of the magnetization is also observed for Fe 60 Ni 10 Mo 5 Cr 4 Nb 6 B 15 alloy in a very weak magnetic field after the heat treatment at 1125 K for 30 min. It is worth noticing that the value of magnetization of all investigated alloys, even in the high temperatures, does not reach zero. It is connected with inhomogeneities of the samples which are confirmed by Mössbauer spectroscopy studies. The microstructure and magnetic structure of the alloys strongly influence their magnetic entropy changes ( S (T)). For the as-quenched alloys, in S (T) curves near the Curie temperature, the broad maximum is observed. The value of this maximum decreases after the appearance of the crystalline phases in the alloys. In the case of Fe 70 Mo 5 Cr 4 Nb 6 B 15 alloy, after the annealing of the sample for 30 min at 895 K or 910 K, the increase of the magnetic entropy changes with the decreasing temperature takes place. It is caused by the magnetic moment freezing in the randomly distributed microregions of the sample.