Исследование зависимости магнитных свойств сплавов железо-родий-хром (FeRhCr) от скорости охлаждения после отжига, результаты которого помогут оптимизировать процессы синтеза магнитных материалов, провели ученые физфака МГУ с коллегами из ряда других университетов, 7 ноября сообщает пресс-служба МГУ.

Результаты исследования — теоретические расчеты и экспериментальные данные по синтезу материалов с магнитным фазовым переходом первого рода, были представлены в статье «Влияние структурного беспорядка на магнитный порядок в сплавах FeRhCr», опубликованной в журнале Metals.

Ранее учеными физфака МГУ была обнаружена зависимость магнитных свойств сплава FeRhRu от содержания рутения, но оставалось неизвестно влияние на эти свойства техпроцесса синтеза соединения. Выделив из опубликованных научных данных общие тенденции, исследователи осуществили их проверку на сплаве FeRhCr.

Для эксперимента были взяты два образца с одинаковым составом. Их в течение 72 часов отжигали в печи при 1000 °C. После чего один из образцов быстро охлаждали, погружая в воду, другой же оставили для медленного остывания в печи.

Исследовав свойства обоих образцов, исследователи установили их существенные различия в намагниченности, величине поля насыщения, параметрах кристаллической решетки, температуре фазового перехода, ширине температурного гистерезиса и др.

Ученые выдвинули гипотезу, согласно которой эти различия объясняются тем, что при медленном охлаждении атомы легирующего элемента успевают занять позиции, соответствующие минимуму их энергии. А быстрая закалка вызывает процесс локального разупорядочения, при котором атомы хрома занимают как позиции железа, так и родия. Это приводит к изменению в кристалле сплава межатомных обменных взаимодействий и магнитных свойств.

Для проверки этого предположения были выполнены расчеты на основе теории функционала плотности для сплавов FeRhCr с различными концентрациями хрома, при которых на одной суперячейке происходит замещение одним, двумя или тремя атомами хрома. После чего по минимуму свободной энергии были определены самые выгодные конфигурации атомов в решетке.

Расчеты показали, что наиболее вероятное состояние при медленном охлаждении сплава соответствовало замещению атомами хрома атомов родия, при том что ионный радиус хрома ближе к ионному радиусу железа.

Сопоставляя результаты расчета и экспериментальные данные для быстро охлажденного сплава, оказалось, что наиболее вероятной является конфигурация, при которой 8% атомов хрома замещали атомы железа, а остальные 92% замещали атомы родия.

Один из авторов статьи, младший научный сотрудник кафедры магнетизма физфака МГУ Алексей Комлев пояснил полученные результаты исследования:

«По имеющимся данным мы сделали несколько важных выводов. Во-первых, быстро охлажденный сплав имеет больше дефектов, вблизи которых может происходить нуклеация новой фазы в процессе фазового перехода. Следовательно, производная намагниченности по температуре должна быть больше, чем у медленно охлажденного образца, что и подтверждается экспериментом. Во-вторых, замещение атомов может создавать вакансии в кристаллической решетке, а это может вызывать эффект отрицательного давления. Этот эффект приводит к изменению магнитных свойств объекта, в том числе температуры фазового перехода».

Кроме того, в процессе экспериментов, исследователи разработали метод оценки магнитных свойств сплавов для различных технологий термической обработки, который обеспечивает точный контроль над производством сплавов для эффективной настройки их основных магнитных свойств.