Методическое и техническое обеспечения исследований упрочнения и разрушения ферромагнитных металлов

2 Методическое и техническое обеспечения исследований упрочнения и разрушения ферромагнитных металлов

2.1 Методы исследования физико-механических свойств поверхностного слоя металлов при фрикционном нагружении

Эффективность исследований физических закономерностей пластической деформации, упрочнения и разрушения поверхностных слоев твердых тел при их фрикционном нагружении во многом определяется уровнем экспериментальных исследований, обусловленных правильностью применяемых методик, корректностью и достаточной чувствительностью применяемых методов исследований. Для решения поставленных задач потребовалось использование широкого комплекса современных физических методов исследования, таких как ферромагнитный резонанс, электронная микроскопия, рентгено-структурный и металлографический анализ, электронография средних и малых энергий, измерение микротвердости. В соответствии со спецификой решаемых задач и свойствами исследуемых объектов в некоторых случаях потребовалось создание специализированной аппаратуры. В этом плане была разработана методика и создана установка ферромагнитного резонанса. Для электронномикроскопических исследований структуры на «просвет» были усовершенствованы методики и созданы установки испытания образцов и одностороннего электролитического утонения.

При исследовании кинетики изнашивания поверхностных слоев при трении широко применялись методы ЯМР и ЭПР [47-50]. Комплекс этих методов наряду с трансмиссионной электронной микроскопией позволил также установить взаимосвязь микроструктуры поверхностных слоев твердых тел с изменениями смазочной среды и кинетикой изнашивания.

2.1.1 Метод ферромагнитного резонанса (ФМР)

В настоящее время ФМР является весьма эффективным и прецизионным методом для исследования дислокационной структуры пластически деформированных ферромагнетиков [51, 52], которые, практически, составляют основу всех конструкционных материалов, применяемых в технике. Эффективность этого метода в изучении микроструктуры обуславливается следующими причинами:

- В ферромагнетиках существенное влияние на магнитные свойства, в частности, на ширину линии (∆Н) ФМР оказывают дислокации. Влияние дислокаций на ∆Н заметно проявляется в веществах с константой магнитострикции, отличной от нуля. Это обстоятельство связано с тем, что в силу явления магнитострикции градиенты упругих напряжений вокруг дислокаций вызывают заметные градиенты внутреннего магнитного поля в образце. Последние, в свою очередь, приводят к разбросу резонансных частот, а при фиксированной частоте внешнего электромагнитного поля - к уширению линии ФМР.

-   Согласно спин-волновым представлениям все дефекты кристалла, размеры которых находятся в пределах вырожденного спин-волнового спектра, будут существенно уширять линии ФМР. В эксперименте на частоте ~ 10 ГГц внешнего электромагнитного поля реализуется спектр спиновых волн ~ 10^-5–10^-6 см, соизмеримый с протяженностью упругих полей дислокаций.

-   В связи со скин-эффектом глубина проникновения электромагнитного поля CBЧ при ФМР в металлах составляет 0,1-1 мкм. Эта величина соизмерима с толщиной деформированного слоя при трении. Ввиду этого уширение линии ФМР будет отражать изменение дислокационной структуры поверхностного слоя, чем обусловливается высокая чувствительность и точность метода.

Сущность явления ФМР связана с взаимодействием внешнего электромагнитного излучения СВЧ-диапазона со спиновой системой ферромагнетика и избирательным поглощением этого излучения системой спинов при совпадении собственных частот системы и внешнего излучения. С квазиклассической точки зрения движение частицы, находящейся в магнитном поле и обладающей механическим моментом (спином) S и магнитным μ, описывается уравнениями Паули. Согласно этим уравнениям изменение во времени средней намагниченности единицы объема системы невзаимодействующих частиц описывается векторным уравнением [53]:

                                        (2.1)

Особенностью резонансных явлений в реальных ферромагнетиках является то, что в этих веществах имеем дело не с изолированными атомами, а с системой сильновзаимодействующих электронов. Эти взаимодействия можно учесть феноменологически, полагая, что ответственные за ферромагнетизм спины процессируют не во внешнем магнитном поле Н₀ , а во внутреннем эффективном поле Н_эфф. [54]. Для вектора макроскопической намагниченности Н уравнение движения имеет вид:

,                                     (2.2)

где Н_эфф. включает в себя внешнее постоянное магнитное поле и эффективные поля, учитывающие различные взаимодействия в системе, в том числе и его вариации, связанные с градиентами упругих напряжений дислокаций. Уравнение (2.2) описывает процессию магнитного момента М в магнитном поле Н_эфф. с круговой частотой:

                ω_рез = jН_{эфф  .}                                               (2.3)

Параметры резонансной кривой, особенно ∆Н, существенно зависят от структурного состояния ферромагнетика.