Zależność magnetyzacji od temperatury

Energia magnetyzacji jest zasadniczo funkcją dwóch zmiennych, tzn. temperatury Curie i liczby magnetonów Bohra [344]. Niemniej jednak w przypadku materiałów litych właściwości magnetyczne zależą również silnie od dynamicznego zachowania domen magnetycznych [345] oraz cech mikrostrukturalnych, tj. wielkości ziarna [346,347] czy też tekstury krystalograficznej [348,349]. Na rysunku 140 zaprezentowano zmianę magnetyzacji w funkcji temperatury stopu Fe-25Cr-0,79C nagrzewanego ze stanu lanego wraz z pochodną. W przypadku pochodnej do dopasowania wyników eksperymentalnych wykorzystano funkcję Gaussa. Przy założeniu, że wszystkie atomy węgla są związane w formie węglików, wykazujących właściwości paramagnetyczne [75,120,350], właściwości magnetyczne badanego stopu będą zależeć od właściwości ferromagnetycznego roztworu stałego Fe-Cr, który stanowi osnowę stopu. Właściwości magnetyczne roztworu stałego Fe-Cr zależą od stężenia chromu, co było przedmiotem wielu prac zarówno eksperymentalnych [351,352] jak i teoretycznych [353,354]. Autorzy tych badań odnotowali, że zmniejszenie głównego momentu magnetycznego na atom w stopie jest niemalże w zależności liniowej ze wzrostem zawartości chromu, podczas gdy zmiany w lokalnych momentach przypadających na atomy chromu oraz żelaza są nieliniowe [354]. Jednocześnie wzrost zawartości chromu obniża temperaturę Curie [13,14]. W pracy autora niniejszej rozprawy i in. [355], w której badano m.in. metodą magnetometrii wibracyjnej wpływ obróbki cieplnej na homogenizację stopu Fe-25Cr-0,79C, wykazano że szeroki zakres temperatur przemiany magnetycznej jest bezpośrednio związany z mikrosegregacją dendrytyczną oraz występowaniem obszarów zubożonych w chrom (por. rys. 127). Jednocześnie udowodniono, że ujednorodnienie składu chemicznego w osnowie oraz zmiana składu chemicznego osnowy w wyniku zastosowanej obróbki cieplnej powoduje zawężenie zakresu przemiany magnetycznej oraz zmianę położenia temperatury Curie stopu. Należy odnotować, że występowanie ciągłych zmian w uporządkowaniu magnetycznym dalekiego zasięgu może również wpływać na poszerzenie zakresu przemiany magnetycznej [344]. Dodatkowo, należy również uwzględnić

- 175 -

ewentualny wpływ naprężeń odlewniczych na magnetyzm, który jest zależny od ciśnienia [356,357,358]. Dobrym przykładem jest praca Steinle-Neumann i in. 358, którzy wykazali, że pod wpływem naprężeń ściskających momenty magnetyczne przypadające na komórkę żelaza elementarną ulegają zmniejszeniu. Jak widać na rysunku 140b, zakres przemiany jest w dużej zgodności z wynikami zmiany mocy cewki indukcyjnej dla pierwszego przebiegu nagrzewania, określonej podczas badań dylatometrycznych (por. rys. 136b, „Nagrzewanie 1”). Temperatura Curie stopu określona metodą magnetometrii wibracyjnej wynosi 646°C, podczas gdy ta określona na podstawie zmian mocy cewki indukcyjnej wynosi 650°C. Na krzywej pochodnej widoczne są dwa piki, co sugeruje że przemiana magnetyczna zachodzi w co najmniej dwóch etapach. Wydaje się, że zmiana orientacji ostatnich uporządkowanych spinów magnetycznych, powyżej maksimum przemiany magnetycznej, wymaga większej energii niż w początkowym stadium przemiany, dlatego obserwuje się spowolnienie przemiany magnetycznej. Przemiana magnetyczna rozpoczyna się na ścianach domen i postępuje w kierunku ich centralnej części [359,360]. Sugeruje to, że kinetyka przemiany magnetycznej jest zależna od rozmiaru i kształtu domen magnetycznych. Z drugiej zaś strony, pomimo relatywnie niskiego zewnętrznego pola magnetycznego, wykorzystanego podczas pomiarów (100 Oe), jego wpływ na kształt krzywej magnetyzacji, szczególnie powyżej temperatury Curie powinien być wzięty pod uwagę. W duchu modelu pola molekularnego, zaproponowanego przez Weissa, który jest rozszerzeniem klasycznej teorii paramagnetyzmu Langevina i uwzględnia oddziaływania magnetyczne pomiędzy sąsiednimi atomami, wpływ temperatury oraz zewnętrznego pola magnetycznego może być określony na podstawie orientacji momentów magnetycznych. Zewnętrzne pole magnetyczne, powyżej temperatury Curie, powoduje uporządkowanie momentów magnetycznych w przeciwieństwie do temperatury. Obliczenia, przeprowadzone przez Garcina [361] dla żelaza oraz stopów z układu Fe-Ni pokazują, że bez zewnętrznego pola magnetycznego niezerowa wartość magnetyzacji jest możliwa do uzyskania jedynie poniżej temperatury Curie. Natomiast w przypadku oddziaływania zewnętrznego pola magnetycznego, niezerowa wartość magnetyzacji jest możliwa do uzyskania również powyżej temperatury Curie. Zatem, obecność zewnętrznego pola magnetycznego podczas pomiaru jest najbardziej prawdopodobną przyczyną obecności drugiego piku na krzywej pochodnej.

Na rysunku 141 przedstawiono zmianę magnetyzacji w funkcji temperatury stopu Fe-25Cr-5Mo-0,82C nagrzewanego ze stanu lanego wraz z pochodną. Na pochodnej widoczne jest występowanie trzech pików, z których dwa pierwsze związane są z występowaniem segregacji składu chemicznego w dendrytach i obszarów zubożonych w chrom (por. rys. 128), a trzeci jest

- 176 -

najprawdopodobniej związany z występowaniem zewnętrznego pola magnetycznego. Temperatura Curie stopu określona metodą magnetometrii wibracyjnej wynosi 654°C i jest zbliżona do temperatury wyznaczonej na podstawie zmian mocy cewki indukcyjnej, która jest równa 659°C.

Rysunek 142 przedstawia analogiczny zestaw krzywych dla stopu Fe-25Cr-6Ni-5Mo-0,77C. W stopie tym w stanie lanym również stwierdzono występowanie obszarów zubożonych w pierwiastki stopowe, tj. chrom i molibden (por. rys. 129). Konsekwencją powyższego jest występowanie dwóch pików na pochodnej magnetyzacji o relatywnie dużej intensywności (por. rys. 142b). Dopasowanie wyników eksperymentalnych nie ujawniło piku związanego z występowaniem zewnętrznego pola magnetycznego. Temperatura Curie stopu określona metodą magnetometrii wibracyjnej wynosi 528°C, natomiast wyznaczona na podstawie zmian mocy cewki indukcyjnej jest równa 532°C. W każdym z trzech do tej pory opisanych stopów stwierdzono nieznacznie wyższe wartości temperatury Curie, określone na podstawie zmian mocy cewki indukcyjnej w stosunku do pomiarów metodą magnetometrii wibracyjnej. Takie różnice mogą być konsekwencją różnych warunków nagrzewania podczas obu eksperymentów.

W przypadku stopu Fe-25Cr-11Ni-6Mo-0,78C należy odnotować, że wartość względna magnetyzacji (por. rys. 143) jest znacznie mniejsza w porównaniu do wcześniej opisanych stopów. Wynika to z faktu, że ferryt jest wyraźnie wzbogacony w pierwiastki stopowe, które obniżają wypadkowy moment magnetyczny [354,362] oraz jego udział objętościowy jest znacznie mniejszy w porównaniu do pozostałych stopów. Podczas nagrzewania widoczne jest relatywnie płynne zmniejszanie magnetyzacji, co jest związane z przemianą magnetyczną. Interesującą obserwacją jest pojawienie się nagłego wzrostu magnetyzacji powyżej ok. 600°C, po czym obserwuje się ponowny jej spadek aż do wartości zerowej (stanu paramagnetycznego). Na krzywej różniczkowej można wyróżnić sześć pików, które potwierdzają nakładanie się wielu efektów na przemianę magnetyczną. Pierwsze dwa wskazują na występowanie segregacji w ferrycie, co jest zgodne z badaniami mikrosegregacji dendrytycznej (por. rys. 130). Znaczenie fizyczne trzeciego piku jest trudne do wyjaśnienia. Wzrost magnetyzacji i odpowiadający mu czwarty pik powyżej ok. 600°C jest związany z przemianą fazową α → γ osnowy oraz wydzielaniem się faz międzymetalicznych. W konsekwencji dochodzi do wyraźnego zubożenia ferrytu w pierwiastki stopowe i wzrostu magnetyzacji. Pik piąty odpowiada postępującej dezorientacji spinów magnetycznych, natomiast pik szósty najprawdopodobniej ponownemu zubożeniu ferrytu w pierwiastki stopowe w wyniku intensyfikacji procesów dyfuzyjnych, tj. przemiany fazowej α → γ osnowy oraz wydzielania faz międzymetalicznych.

- 177 -

Rys. 140. Zmiana magnetyzacji w funkcji temperatury stopu Fe-25Cr-0,79C nagrzewanego ze stanu lanego.

- 178 -

Rys. 142. Zmiana magnetyzacji w funkcji temperatury stopu Fe-25Cr-6Ni-5Mo-0,77C nagrzewanego ze stanu lanego.

Rys. 143. Zmiana magnetyzacji w funkcji temperatury stopu Fe-25Cr-11Ni-6Mo-0,78C nagrzewanego ze stanu lanego.