CC BY
4МАТЕРИАЛЫ КОНФЕРЕНЦИИ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
УДК 538.9
СТРУКТУРА, МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ДЕФОРМАЦИИ В СПЛАВЕ Fe86Mn13C
Л.И. КВЕГЛИС1, доктор физ.-мат.наук, профессор, Ю.В. ПАНИЧКИН2, Ю. А. ОРЛОВА3, В.А. БОНДАРЦЕВ3 В.Е. СОКОЛОВСКИЙ3, М.Н. ВОЛОЧАЕВ4
(1Сибирский федеральный университет, г. Красноярск, Россия, 2Восточно-Казахстанский государственный технический университет им. Д. Серикбаева, г. Усть-Каменогорск, Республика Казахстан,
3Восточно-Казахстанский государственный университет им. С. Аманжолова, г. Усть-Каменогорск, Республика Казахстан, 4Сибирский государственный аэрокосмический университет им. М.Ф. Решетнева, г. Красноярск, Россия)
Статья поступила 2 сентября 2012 года
Орлова Ю. А. - 070020, Республика Казахстан, г. Усть-Каменогорск, ул. 30-й Гвардейской дивизии, 34, Восточно-Казахстанский государственный университет им. С. Аманжолова,
orlova_ua87@mail.ru
Представлены трехмерные модели формирования структуры мартенсита деформации в сплаве Ре86Мп13С в виде самоорганизации кластеров. Приведенные модели основаны на экспериментальных исследованиях структуры тонких пленок сплава и их свойств.
Ключевые слова: спинтроника, сталь Гадфильда, сплав Бе86Мп13С, кластеры, трехмерная модель.
В настоящее время развивающаяся наука ность. Для выяснения причины такого поведе-
спинтроника требует новых материалов, обла- ния сплава исследовали структуру и магнитные
дающих необходимыми параметрами, техноло- свойства массивных образцов стали 110Г13Л,
гичностью получения и низким показателем эко- подвергнутых ударному нагружению, и тонко-
номических затрат. Поскольку сплав Бе86Мп13С пленочных образцов, подвергнутых криомеха-
обладает набором уникальных электрических и нической обработке.
магнитных свойств и является дешевым мате- На рис. 1 приведено изображение поверхно-
риалом, необходимость изучения этого сплава в сти массивного образца сплава Бе86Мп13С после
массивном и пленочном состоянии как материа- ударной нагрузки. Картина свидетельствует о
ла для спинтроники очевидна. возникновении новой фазы - мартенсита дефор-
В работе предлагается модель структуро- мации. Эта фаза локализуется в полосах сдви-
образования мартенсита деформации в виде са- говой деформации зерен аустенита. Методом
моорганизации кластеров. Модель основана на крутящих моментов показано наличие неодно-
экспериментальных исследованиях структуры родной магнитной структуры в таких образцах.
пленок и их свойств. На рис. 2 приведена зависимость крутящего мо-
Сплав Бе86Мп13С, известный также как сталь мента от угла поворота магнитного поля напря-
Гадфильда (110Г13Л), представляет собой анти- женностью 8 кЭ для пластинок стали размером
ферромагнитный инвар. При ударной нагрузке 10x5*0.1 мм. Из этой зависимости видно, что
в образцах появляется локальная намагничен- магнитная структура сплава неоднородна. Сплав
№ 4 (57) 2012 111
3131010001
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
МАТЕРИАЛЫ КОНФЕРЕНЦИИ
Рис. 1. Изображение поверхности деформированного массивного образца сплава Бе86Мп13С в сканирующем электронном микроскопе
обладает магнитной вязкостью, т. е. зависимостью скорости намагничивания от времени.
Ранее в наших работах [1, 2] была исследована зависимость ЭДС от температуры в установке, схема которой представлена на рис. 3а. Из температурной зависимости термоЭДС (рис. 3б) 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.
Поскольку поиск новых материалов для спинтроники предполагает создание тонкопленочных образцов, то дальнейшая наша задача -исследовать структуру и свойства тонких пленок сплава Бе86Мп13С.
Пленки Бе86Мп13С были получены методом термического вакуумного осаждения на установке ВУП-4 при давлении 10 5 мм рт. ст. на
У
/\ \
J 1 \
5 1 0 1 1 0 / 2( Ю 2. <0 1) d 4(
\ 1 \
\
Рис. 2. Кривые крутящих моментов деформированного образца сплава Бе86Мп13С, иллюстрирующие неоднородность магнитной структуры
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 аусте-нит, имеющий антиферромагнитную структуру, и мартенсит деформации, обладающий ферри-магнитным порядком. Мартенсит деформации возникал в пленках под воздействием криоме-ханической обработки. Обработка заключалась в циклическом охлаждении пленки до температуры жидкого азота и последующем ее нагревании до комнатной температуры.
Рис. 3, а. Схема измерения термоЭДС
Рис. 3, б. Зависимость термоЭДС при нагревании и охлаждении образца сплава Бе86Мп13С
МАТЕРИАЛЫ КОНФЕРЕНЦИИ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Рис. 4. Изображение в высокоразрешающем электронном микроскопе кластерной структуры пленки сплава Бе86Мп13С
На рис. 4 представлено электронно-микроскопическое изображение высокого разрешения пленки Бе86Мп13С. 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.
В левой части рис. 4 видна темная область. При фокусировке пучка электронов на темную область в течение несколько секунд в ней формируется полосчатый контраст. Такой контраст сложно интерпретировать как муаровый узор [4], 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.
Игольчатая форма мартенсита деформации была обнаружена нами в изломах деформированных массивных образцов. На рис. 5а представлена поверхность излома образца сплава Бе86Мп13С, подвергнутого ударной нагрузке в маятниковом копре. Исследование проведено с помощью сканирующего электронного микроскопа 18М - 6390УЬ. 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 [5].
Мартенсит деформации, полученный в результате ударных механических воздействий, может составлять значительную часть объема материала и иметь, наряду с известными фазами, структуру Франка - Каспера [6, 7]. В связи с этим нами сделана попытка компьютерного моделирования возможных структур мартенсита деформации как для массивных, так и для пленочных образцов сплава Бе86Мп13С. Использование пакетов для моделирования трехмерной графики, таких как 3ёэМах, 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
Рис. 5а. Микрофотография поверхности излома образца сплава Бе86Мп13С
Рис. 5б. Трехмерная модель стержней прорастания: часть стержня прорастания - комбинация икосаэдра (ФК 12) и пяти октаэдров (слева), стержень прорастания, полученный комбинацией икосаэдра (ФК 12) и октаэдров (справа)
№ 4 (57) 2012 113
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
МАТЕРИАЛЫ КОНФЕРЕНЦИИ
фигур дает возможность сохранения правильных пропорций и углов между гранями моделей, получаемых сочетанием из этих фигур.
На рис. 5б приведена структура одной из созданных трехмерных моделей - стержня прорастания. Трехмерная модель стержней прорастания представляет собой комбинацию икосаэдра (ФК-12) и пяти октаэдров, образующих пента-гональную «чашу». Так была построена модель формирования игл мартенсита деформации в массивных образцах. Модель была построена на данных рентгеноструктурного анализа, полученных от массивных образцов сплава Бе86Мп13С.
Выводы
1. Сделана попытка компьютерного моделирования возможных структур мартенсита деформации как для массивных, так и для пленочных образцов сплава Бе86Мп13С.
2. Моделирование структур Франка - Каспе-ра позволяет понять природу структурообразова-ния в межзеренных границах массивных образцов сплава Бе86Мп13С при ударном нагружении.
3. Сочетание структуры антиферромагнитного аустенита и ферримагнитного мартенсита деформации создают уникальные электрические и магнитные свойства сплава Бе86Мп13С как в массивном, так и в пленочном состоянии.
Авторы выражают благодарность сотрудникам лаборатории «1РГЕТАС» Восточно-Казахстанского технического университета и заводской лаборатории АО «Востокмашзавод» за помощь в выполнении работы.
Список литературы
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 U., Abylkalykova R., Kveglis B.L., Semchenko V. «The Sign-alternating Thermoelectric Effect in Magnetic Viscosity Alloy Fe86Mn13C» Scientific Israel- Technological Advantages" V.12, № 3, 2010, Р. 30-35.
3. Орлова Ю.А., Нявро А.В., Квеглис Л.И. Электронная структура сплава железо-марганец, подверженного пластической деформации // Инновационные технологии и экономика в машиностроении: сб. трудов III Международной науч.-практ. конф. с элементами научной школы для молодых ученых: в 2 т. / Юргинский технологический институт. — Томск: Изд-во Томск. политехн. ун-та, 2012. — Т. 1. — 362 с.
4. Hirsch P., Howie A., Nicholson, R., J. Peschl, M. Whelan, Electron Microscopy of thin crystals. / / Per. from English. - Springer-Verlag, 1968, 562 p.
5. Темкин Д.Е. О скорости роста кристаллической иглы в переохлажденном расплаве // Доклады АН СССР. 1960, 132, 6, 1307-1310.
6. Sidhom H., Portier R. An icosaedral phase in annealed austenitic stainless steel? // Philosophical Magazine Letters. - 1989. - V. 59. - №. 3. - P. 131-139.
7. The local electron structure and magnetization in p-Fe86Mn13C / L.I. Kveglis, F M. Noskov, A.V. Ar-hipkin, V.A. Musikhin, V.N. Cherepanov, A.V. Niavro// Superlattices and Microstructures 46 (2009) 114-120.
Structure, magnetic properties, and three-dimensional modeling deformation
martensite in alloy Fe86Mn13C
L.I. Kveglis, Y.V. Panichkin, Y.A. Orlova, V.A. Bondartsev,
V.E. Sokolovsky, M.N. Volochaev
The paper presents three-dimensional models of structure formation of martensite deformation in the alloy in the form of self-organization Fe86Mn13C clusters. These models are based on experimental studies of the structure and properties of thin films of the alloy.
Key words: spintronics, Hadfield steel, alloy Fe86Mn13C, clusters, three-dimensional model.
