Магнитомеханическая диссипация энергии упругих колебаний в сплавах MnCu с содержанием Mn меньше 50 %

научные сообщения

УДК 538 . 9:669

Т. А. Турмамбеков, П. А. Саидахметов, Н. А. Шектибаев, А. М. Избасарова, М. К. Баубекова

МАГНИТОМЕХАНИЧЕСКАЯ ДИССИПАЦИЯ ЭНЕРГИИ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ В СПЛАВАХ МпСи С СОДЕРЖАНИЕМ Мп МЕНЬШЕ 50 %

Рассмотрены свойства и механизм диссипации энергии упругих колебаний МпСи сплавов с содержанием Мп меньше 50 % и ее связь между кристаллической и магнитной структурами.

Ключевые слова: диссипативные свойства, дислокация, модуль упругости, сплавы, структура.

Сплавы системы МпСи с содержанием Мп меньше 50 % в закаленном состоянии обладают ГЦК структурой. Демпфирующее свойство в данном состоянии невелико, и его уровень одинаков во всей области амплитуд колебаний.

Отжиг этих сплавов при температуре 400 °С с различными временами выдержки приводит к повышенным диссипативным свойствам. Для примера на рис. 1 приведены данные о влиянии продолжительности отжига на диссипативную способность сплава Г40Д60, которые типичны для всех низкомарганцевых сплавов.

Рис. 1. Амплитудная зависимость логарифмического декремента колебаний сплава Г40Д60 в закаленном состоянии (0) и после отжига различной продолжительности при температуре 400 °С .

Время отжига указано цифрами у кривых

На стадии образования «твидовых» структур [1] диссипативные свойства существенно возрастают: значение 5 достигает 8 %. Диссипативные свойства при этом очень слабо зависят от амплитуды колебаний. Факт резкого возрастания демпфирующих свойств на этой стадии старения объясняется действием механизма переориентации осей «с» невзаимодействующих тетрагональных выделений в поле знакопеременных напряжений. О вы-

сокой степени вероятности такого процесса свидетельствует обнаруженный электронно-микроскопическим способом в работе [2, 3] на фольгах сплава близкого состава эффект «фликкеринга», обусловленный динамической переориентацией осей «с» тетрагональных выделений.

По мере увеличения продолжительности отжига и установления корреляции между тетрагональными выделениями диссипативная способность сплава возрастает, причем появляется ее сильная зависимость от амплитуды колебаний. Это обусловлено повышением эффективности механизма переориентации и смещением области максимального демпфирования в сторону больших амплитуд деформации.

На поздних стадиях старения, когда в сплаве формируется четкая квазидвойниковая микроструктура, диссипативная способность сплавов снижается во всей области амплитуд колебаний. Это связано, очевидно, с затруднением процессов переориентации осей «с» тетрагональных выделений, так как подразумевает смещение границ между квазидвойниками. Границы же в двойниковых микроструктурах менее подвижны, будучи закрепленными дислокациями несоответствия.

Таким образом, структура диссипативного состояния в низкомарганцевых сплавах отличается от характерной для двойниковых высокомарганцевых сплавов. Уровень упругих напряжений в описанных выше «твидовых» микроструктурах ниже, они более стабильны. В связи с этим можно ожидать, что низкомарганцевые сплавы будут обладать и большей по сравнению с высокомарганцевыми сплавами временной стабильностью демпфирующих свойств.

В исследуемых сплавах существует неразрывная связь между их кристаллической и магнитной структурами, а следовательно, и диссипацию можно попытаться описать в терминах, принятых для систем, в которых диссипация имеет магнитоупругую природу.

Действительно, происходящая под действием знакопеременных напряжений переориентация осей «с» тетрагональных, богатых марганцем выделений является в то же время переориентацией антиферромагнитных моментов атомов марганца в этих выделениях. Подобная переориентация, как было показано ранее [3, 4], приводит к появлению напряжений, подобных магнитострикционным, которые наблюдаются в ферромагнитных материалах. Вследствие этого значения модуля упругости в областях, где имеет место антиферромагнитное упорядочение, должны быть ниже, чем в парамагнитных областях. По мере увеличения величины упругих деформаций, модуль упругости уменьшается. Подобное уменьшение модуля является особенностью ферромагнитных материалов и известно как ДЕ-эффект [4, 5].

Показательно, что в состаренных сплавах МпСи с «твидовой» структурой ДЕ-эффект наблюдается экспериментально. На рис. 2 приведена зависимость модуля упругости от амплитуды деформации для сплава с 45 %-м содержанием Мп в закаленном и состаренном при температуре 400 °С состояниях. Видна существенная разница между амплитудными зависимостями значений ДЕ для закаленных и состаренных сплавов. Для первых, парамагнитных, сплавов, в которых магнитная компонента деформации отсутствует, она практически не наблюдается, в то время как для вторых выражена достаточно четко.

Рис . 2 . Зависимость модуля упругости от амплитуды деформации для сплава Мп45Си55 в закаленном состоянии и после отжига при температуре 400 °С в течение 4 (2), 16 (3) и 40 (4) ч

Диссипация в ферромагнитных материалах, в принципе, является суперпозицией трех механизмов. Первые два связаны с существованием макроскопических и микроскопических вихревых токов, а второй с магнитомеханическим гистерезисом. Однако, как было показано А. Ж СосИаЛ [5], в области частот колебаний ~1 Гц и амплитуд колебаний больше 10-4 вкладом, связанным с вихревым токами, можно пренебречь. Магнитомехани-

ческий гистерезис, обусловленный обратимым перемещением стенок магнитных доменов, зависит только от амплитуды колебаний и не зависит от частоты. Именно такой характер имеет диссипация в гетерогенных сплавах MnCu на стадии существования скоррелированных квазидвойнико-вых структур.

Сопоставление экспериментальных данных с расчетами, выполненными на основании модели A. W. Cochart [5, 6], в которой петля магнитомеханического гистерезиса считается полным аналогом петли гистерезиса магнитного, не привело к согласию расчетных и экспериментальных данных (рис. 3).

Совсем другой результат был получен при использовании модели C. W. Smith, L. R. Birchak [7], в которой рассматривали обратимое перемещение доменной стенки в полях источников внутренних напряжений. Можно видеть, что в области амплитуд колебаний, не превышающих 103, предсказания модели и экспериментальные данные совпадают достаточно точно (рис. 3).

a

Рис. 3 . Сопоставление экспериментальных данных с расчетными с использованием моделей магнитомеханического демпфирования A . W. Cochart (1) и C . W. Smith, L . R . Birchak (2) для сплава Mn45Cu55

Другой термин, широко используемый для характеристики магнитоупругой диссипации, - это константа магнитострикции. Для сплавов MnCu эта константа может быть оценена с помощью следующего выражения [8]:

л = - V

4 f

где Vf - объемная доля богатых Mn областей, претерпевших локальное кристаллоструктурное превращение; а и с - параметры решетки тетрагональной фазы.

Объемная доля Vf может быть определена на основе фазовой диаграммы сплавов MnCu, а именно по положению на ней концентрационных границ области несмешиваемости, если записать реакцию распада как

Cu55Mn45 ^ (0,85)Cu63Mn37 + (0,15)Cu5Mn95.

где цифры в скобках - объемные доли богатых и

бедных Мп областей. Используя экспериментально определенные значения параметров решетки, получаем X = 3 • 104.

Полученное значение константы магнитострик-ции лежит между соответствующими величинами, рассчитанными с использованием моделей

A. W. Cochart (X = 1,9 • 10-4), и C. W. Smith, L. R. Birchak (X = 4,6 • 10-4). Необходимо отметить, что величина константы магнитострикции для сплавов MnCu примерно на порядок выше, чем соответствующая характеристика типичных ферромагнетиков, для которых X = 2 - (4 • 10-5).

Список литературы

1. Удовенко В . А., Полякова Н . А., Турмамбеков Т . А. Структура и демпфирующие свойства ГЦК сплавов марганец - медь . ФММ . 1991. № 11. С.142-149 .

2 . Удовенко В . А. , Полякова Н . А. , Турмамбеков Т . А. Стадийность процесса формирования мартенситной структуры и демпфирующих

свойств при отжиге сплавов MnCu . ФММ . 1994. Т . 77, № 2 . С . 134-140 .

3 . Farkas D . M . , Yamashita Т., Perkins J . On the energetic of fliccering contrast observed in TEM images of an aged 53Cu-45Mn-2Al allay // Acte

met . mat . 1990 . Vol . 38, № 10 . P. 1883-1995.

4 . Street R . , Smith J . H . Elasticity and Antiferromagnetizm of metallic antiferromagnetics // J . de physique et de Radium . 1959 . № 20 . P. 82-87 .

5 . Cochart A. W. Magnetomechanical damping magnetic properties of metals and alloys // American Society for metals, Cleveland, OH . 1959 .

P 251-279

6 . Cochart A. W. The origin of damping in highstrength ferromagnetic allays // Trans . Of American Soc . Of mechanical Engineers, Journal of Applied

mechanics . 1959 . Vol . 75 . P. 196-200 .

7 . Smith C . W. , Binchak L . R . Internal stress distribution theory of magnetomechanical Hysteresis - An Extention to Include Effects of magnetic Field

and applied stress // J . of applied phys . 1969 . Vol . 40, № 13 . P. 5174-5178.

8 . Laddha S ., Van Aken D .C .On the application of magnetomechanical models to Explain Damping in an antiferromagnetic Coppermaganess Allay

// Metallurgical and material transaction A . 1995. Vol . 26 . P. 957-964.

Турмамбеков Т. А., доктор физико-математических наук, профессор.

Южно-Казахстанский государственный университет им. М. Ауэзова.

Ул. Байтурсынова, б/н, Шымкент, Южно-Казахстанская область, Республика Казахстан, 160012. E-mail: cool.aikon@mail.ru

Саидахметов П. А., кандидат физико-математических наук, зав. кафедрой. Южно-Казахстанский государственный университет им. М. Ауэзова.

Ул. Байтурсынова, б/н, Шымкент, Южно-Казахстанская область, Республика Казахстан, 160012. E-mail: timf_ukgu@mail.ru

Шектибаев Н. А., магистрант.

Южно-Казахстанский государственный университет им. М. Ауэзова.

Ул. Байтурсынова, б/н, Шымкент, Южно-Казахстанская область, Республика Казахстан, 160012. E-mail: Nurdaulet_86@mail.ru

Избасарова А. М., магистрант.

Южно-Казахстанский государственный университет им. М. Ауэзова.

Ул. Байтурсынова, б/н, Шымкент, Южно-Казахстанская область, Республика Казахстан, 160012. E-mail: cool.aikon@mail.ru

Баубекова М. К., магистрант.

Южно-Казахстанский государственный университет им. М. Ауэзова.

Ул. Байтурсынова, б/н, Шымкент, Южно-Казахстанская область, Республика Казахстан, 160012.

Материал поступил в редакцию 22.11.2012.

T A. Turmambekov, P A. Saidahmetov, N. A Shektibaev, A M. Izbasarova, M. K. Baubekova

MAGNETO MECHANICAL DISSIPATION OF ENERGY OF ELASTIC FLUCTUATIONS IN ALLOYS MNCU

with the MAINTENANCE OF MN < 50 %

In this work properties and the mechanism of a dissipation of energy of elastic fluctuations of MnCu of alloys with the maintenance of Mn < 50 % and its communication between crystal and magnetic structures are considered.

Key words: dissipative properties, dislocation, elasticity module, alloys, structure.

Turmambekov T. A.

M. Auezov South-Kazakhstan State University

Ul. Baitursynova, n/n, Shymkent, UKO, Republic of Kazakhstan, 160012.

E-mail: cool.aikon@mail.ru

Saidahmetov P. A.

M. Auezov South-Kazakhstan State University

Ul. Baitursynova, n/n, Shymkent, UKO, Republic of Kazakhstan, 160012.

E-mail: timf_ukgu@mail.ru

Shektibaev N. A.

M. Auezov South-Kazakhstan State University

Ul. Baitursynova, n/n, Shymkent, UKO, Republic of Kazakhstan, 160012.

E-mail: Nurdaulet_86@mail.ru

Izbasarova A. M.

M. Auezov South-Kazakhstan State University

Ul. Baitursynova, n/n, Shymkent, UKO, Republic of Kazakhstan, 160012.

E-mail: cool.aikon@mail.ru

Baubekova M. K.

M. Auezov South-Kazakhstan State University

Ul. Baitursynova, n/n, Shymkent, UKO, Republic of Kazakhstan, 160012.