Стопи Fe-Ni за високих тисків і температур: статистична термодинаміка та кінетика атомового порядку типу L1₂ або D0₁₉

Abstract

Оглянуто кристалічні структури стопів Fe–Ni за екстремальних умов (зокрема, типу стану всередині ядра Землі) — високих тиску p і температури T. Проаналізовано роль магнетних ефектів у атомовім впорядкуванні, взаємочин атомового й магнетного порядків та вплив тиску на магнетні властивості стопів Fe–Ni: точку Кюрі TC, фазовий перехід феромагнетик–антиферомагнетик, інварний ефект. Із застосуванням наближення самоузгодженого поля розглянуто статистично-термодинамічний модель ГЦК-стопів заміщення з обома магнетними компонентами (в рамках якого визначено енергетичні параметри їх обмінних взаємодій та енергії «змішання») і моделі кінетики релаксації близького й далекого порядків пермалою (за нульового p). Зовнішній тиск в статистично-термодинамічнім і кінетичнім моделях впорядкування за типом L1₂ або D0₁₉ враховано для двох випадків: коли залежність об’єму стопу V від параметра далекого порядку η й складу є слабкою чи то суттєвою, тобто коли нею можна або ж не можна знехтувати відповідно. Якщо V слабко залежить від η і складу, то p не впливає на стрибок Δη|Tк; тиск лише зсуває точку фазового перетворення лад–безлад Tк в бік високих або низьких значень T, залежно від знаків параметрів, яких визначено у моделю. Залежності Tк(p), η(p) можуть бути немонотонними, тобто є можливою поява двох різних точок фазових перетворень лад–безлад. Якщо ж V суттєво залежить від η і складу, то Δη|Tк не є сталим: зростає або спадає з підвищенням p. Залежність Tк(p) є майже лінійною чи то нелінійною за низьких або високих значень p відповідно. Тиск може сприяти атомовому впорядкуванню або ж «пригнічувати» його, змінювати рід фазового перетворення й симетрію кристалічної ґратниці стопу, що пов’язано з перетворенням її з тетрагональної у ромбоедричну структуру. Обговорено дані експериментів щодо характеристик (мікро)неоднорідної будови інвару Fe–Ni та означено можливі теоретичні підходи для пояснення їх суперечности.

Crystal structures of Fe–Ni alloys in extreme conditions (particularly, such as a state of the Earth’s interior core) at high pressure, p, and temperature, T, are reviewed. A role of magnetic effects in atomic ordering, interplay between the atomic and magnetic orders, and pressure effects on magnetic properties of Fe–Ni alloys (Curie temperature, TC, ferromagnetic–antiferromagnetic phase transition, Invar effect) are analysed. Statistical-thermodynamic model of f.c.c. substitutional alloys with both magnetic components (within the framework of which, energy parameters of their exchange interactions and ‘interchange’ energy are determined) as well as models of kinetics of a relaxation of both short-range and long-range atomic orders of Permalloy at zero pressure are considered with use of the selfconsistent field approximation. External pressure is taken into account in statistical-thermodynamic and kinetic models of L1₂- or D0₁₉-type orderings for two cases, namely when dependences of volume of a sample of an alloy, V, on the long-range order parameter, η, and composition are weak or essential, i.e. when it is possible or it is impossible to neglect them, respectively. If this V weakly depends on η and composition, pressure does not influence Δη|Tк—jump of the long-range order parameter. Pressure only displaces a point of the order–disorder phase transformation, Tк, aside high or low values of T, depending on signs of those parameters, which characterize model. The Tк(p) and η(p) dependences can be nonmonotonic, i.e. occurrence of two different points of order–disorder phase transformations appears possibly. If V essentially depends on η and composition, Δη|Tк is not a constant and can increase or decrease with increase of p. Dependence Tк(p) is almost linear or nonlinear at low or high values of p, respectively. Pressure can promote atomic ordering or suppress it, change a kind of phase transition and symmetry of a crystal lattice of an alloy because of its transformation from tetragonal structure into rhombohedral one. The experimental data concerning characteristics of a (micro)heterogeneous structure of Fe–Ni Invar are discussed, and possible theoretical approaches for an explanation of their discrepancy are elucidated.

Дан обзор кристаллических структур сплавов Fe–Ni в экстремальных условиях (в частности, типа состояния внутри ядра Земли) — высоких давлении p и температуре T. Проанализированы роль магнитных эффектов при атомном упорядочении, взаимное влияние атомного и магнитного порядков, а также влияние давления на магнитные свойства сплавов Fe–Ni: температуру Кюри TC, фазовый переход ферромагнетик–антиферромагнетик, инварный эффект. С использованием приближения самосогласованного поля рассмотрены статистико-термодинамическая модель ГЦК-сплавов замещения с обоими магнитными компонентами (в рамках которой определены энергетические параметры их обменных взаимодействий и энергии «смешения»), а также модели кинетики релаксации ближнего и дальнего порядков пермаллоя (при нулевом p). Внешнее давление в статистико-термодинамической и кинетической моделях упорядочения по типу L1₂ или D0₁₉ учтено для двух случаев: когда зависимость объёма сплава V от параметра дальнего порядка η и состава является слабой либо существенной, т.е. когда ею можно или же нельзя пренебречь соответственно. Если V слабо зависит от η и состава, то p не влияет на скачок Δη|Tк; давление лишь смещает точку фазового превращения порядок–беспорядок Tк в сторону высоких или низких значений T, в зависимости от знаков параметров, входящих в модель. Зависимости Tк(p), η(p) могут быть немонотонными, т.е. возможно появление двух разных точек фазовых превращений порядок–беспорядок. Если V существенно зависит от η и состава, то Δη|Tк не является постоянным, увеличиваясь или уменьшаясь с повышением p. Зависимость Tк(p) является почти линейной либо нелинейной при низких или высоких значениях p соответственно. Давление может способствовать атомному упорядочению или «подавлять» его, изменять род фазового перехода и симметрию кристаллической решётки сплава в связи с превращением её из тетрагональной в ромбоэдрическую структуру. Обсуждены данные экспериментов, касающиеся характеристик (микро)неоднородного строения инвара Fe–Ni, и обозначены возможные теоретические подходы для объяснения их противоречивости.