Особенности влияния процессов структурной релаксации на магнитные свойства и механическое поведение аморфных сплавов с очень низкой магнитострикцией (l s ≤ 10 -7 )

И.Б. Кекало
П.С. Могильников
Москва  2017
Особенности влияния процессов 
структурной релаксации 
на магнитные свойства 
и механическое поведение 
аморфных сплавов с очень 
низкой магнитострикцией 
(ls ≤ 10–7)

УДК 669.018 
 
К33
Р е ц е н з е н т ы : 
д-р физ.-матем. наук, проф. О.М. Жигалина  
(ФГУ «Федеральный научно-исследовательский центр «Кристаллография и фотоника» РАН»); 
д-р техн. наук, проф. В.С. Крапошин  
(ФГБОУВО «Московский государственный технический университет им. Баумана»)
Кекало, И.Б.
К33  
Особенности влияния процессов структурной релаксации на 
магнитные свойства и механическое поведение аморфных сплавов 
с очень низкой магнитострикцией (ls ≤ 10–7) : моногр. / И.Б. Кекало, 
П.С. Могильников. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2017. – 248 с.
ISBN 978-5-906953-20-9
Представленная монография состоит из двух частей. Первая часть посвящена 
описанию влияния различных факторов на магнитные свойства модельного аморфного 
сплава Со69Fe3,7Сr3,8Si12,5B11 с очень низкой магнитострикцией насыщения λs, рав-
ной 10–7 и ниже. Для этого свежезакаленного сплава из-за очень низкого значения λs 
и соответственно низкого значения магнитоупругой энергии Ks выполняется условие 
Ks ≪ KN. Показано, что вследствие этого в аморфной ленте, даже свернутой в тороид, 
доменная структура формируется под действием энергии размагничивающего факто-
ра KN. Она состоит из продольных полосовых доменов, обеспечивающих минималь-
ное значение энергии KN. Такой ее характер, как следует из результатов эксперимен-
тов, во многом определяет своеобразие обнаруженных закономерностей по влиянию 
различных факторов на гистерезисные магнитные свойства и уровень магнитных 
шумов, обусловленных скачками Баркгаузена. Во второй части монографии 
рассмотрены различные формы механического поведения модельного сплава 
с очень низкой магнитострикцией. Изучено ранее не известное явление обратимости 
остаточных изгибных напряжений, которое проявляется в том, что в процессе 
отжига изогнутые под действие остаточных напряжений ленты или полностью, или 
частично выпрямляются. Дана интерпретация этому явлению. Показано также, что 
для изученного модельного сплава характерно весьма сильное влияние величины 
исходных изгибных напряжений (диаметра тороида) на развитие их релаксации 
в процессе отжига. Выявлены особенности охрупчивания (вязко-хрупкого перехода) 
в рассматриваемом модельном сплаве. Чтобы оттенить, подчеркнуть своеобразие 
в поведении модельного сплава были также изучены свойства магнитно-мягких 
аморфных сплавов на основе железа. С этой же целью исследовали безметаллоидные 
сплавы на основе кобальта с низкой магнитострикцией. 
Книга рассчитана на металлофизиков и металловедов, научная деятельность которых 
связана с проблемой аморфных металлических сплавов, а также на специалистов 
соответствующих областей промышленности. Данное издание может быть также 
использовано при подготовке специалистов в магистратуре и аспирантуре.
Ил. 139. Табл. 4. Библиогр. cписок 161 назв.
 УДК 669.018
ISBN 978-5-906953-20-9


И.Б. Кекало,
П.С. Могильников, 2017
НИТУ «МИСиС», 2017
 
 

I.B. Кеkаlо
P.S. Mogilnikov
Moscow  2017
Peculiarity of Structure 
Relaxation Processes Influence 
on Magnetic Properties and 
Mechanical Behaviour of 
Amorphous Alloys with Extremely 
Low Magnetostriction 
(ls ≤ 10–7)

 
 
Kekalo, I.B.
 
 
Peculiarity of Structure Relaxation Processes Influence on 
Magnetic Properties and Mechanical Behaviour of Amorphous Alloys 
with Extremely Low Magnetostriction (ls ≤ 10–7) : monograph / 
I.B. Kekalo, P.S. Mogilnikov. – M.: Publishing House NUST MISiS, 
2017. – 248 р.
 
The monograph consists of two parts. The first part is devoted to the 
description of various factors’ influence on magnetic properties of amorphous alloy 
Со69Fe3,7Сr3,8Si12,5B11 with very low saturation magnetostriction λs, 10–7 or lower. Due 
to the very low values of λs and magnetoelastic energy Ks the condition Ks ≪ KN is true. 
It is shown that the domain structure of amorphous ribbon, even rolled into a toroid, is 
formed under the influence of the demagnetizing factor KN. Domain structure consists of 
a longitudinal strip domain, providing the minimum energy KN. It was experimentally 
demonstrated that the character of domain structure determines the peculiarity of various 
factors of influence on hysteresis magnetic properties mechanism and level of magnetic 
noise due to Barkhausen jumps. Various forms of mechanical behavior of the alloy with 
a very low magnetostriction have been reviewed in the second part of the monograph. 
Previously unknown phenomenon of residual bending stress reversibility during annealing 
of amorphous curved ribbons was observed and interpreted. It is also shown a very strong 
influence of initial bended stress (diameter of the toroid) on the development of stress 
relaxation during the annealing process. The characteristics of embrittlement (viscous-
brittle transition) in the present model alloy were identified. Properties of soft magnetic 
amorphous alloys based on iron were also investigated to highlight and to emphasize 
the peculiarity of the alloys’ behavior. Cobalt-based alloys without metalloids with low 
magnetostriction were investigated with the same purpose. 
The book is designed for researchers in material science whose scientific activity is 
connected with the problem of amorphous metalic alloys, and also for specialists from 
respective fields of industry. This edition can be used for MA courses and for PhD students 
training.
Fig. 139. Tabl. 4. References 161.


I.B. Kekalo,
P.S. Мogilnikov, 2017
NUST MISiS, 2017

ОГЛАВЛЕНИЕ 
Введение ....................................................................................................8
 
Часть I. Особенности поведения магнитных свойств аморфных 
сплавов с очень низкой магнитострикцией 
Глава 1. Процессы структурной релаксации и их влияние на 
магнитные свойства модельного сплава Со69Fe3,7Сr3,8Si12,5B11  
с очень низкой магнитострикцией.........................................................16
1.1. Основные понятия и определения. Факторы,  
определяющие формирование магнитных свойств  
в процессе отжига аморфных сплавов 
.............................................16
1.2. Влияние отжига на магнитные свойства модельного сплава 
....22
Глава 2. Экспериментальное доказательство влияния кластеризации, 
обусловленной изотропным композиционным ближним  
упорядочением, на гистерезисные магнитные свойства  
модельного сплава Со69Fe3,7Сr3,8Si12,5B11 ..................................................27
2.1. Узловые представления об изотропном композиционном 
ближнем упорядочении в аморфных сплавах. Концепция  
дефектов n,- p- и τ-типа. Модель равновесных значений  
свойств (РЗС-модель) 
........................................................................27
2.2. Экспериментальное доказательство влияния кластеринга, 
обусловленного изотропным КБП, на гистерезисные  
магнитные свойства модельного сплава 
..........................................38
Глава 3. Влияние процессов структурной релаксации  
на магнитные шумы, обусловленные скачками Баркгаузена,  
в модельном сплаве Со69Fe3,7Сr3,8Si12,5B11 
............................................47
3.1. Процессы намагничивания и скачки Баркгаузена  
в аморфных сплавах ..........................................................................47
3.2. Закономерности влияния температуры отжига на уровень 
магнитных шумов, обусловленных скачками Баркгаузена, 
в модельном сплаве............................................................................62

Глава 4. Особенности формирования гистерезисных магнитных свойств 
 
в модельном сплаве Со69Fe3,7Сr3,8Si12,5B11  при термомагнитной 
обработке в поперечном магнитном поле (ТМО⊥) 
.................................73
4.1. Теоретические представления о термомагнитной обработке. 
Экспериментальные данные по ТМО⊥ в аморфных сплавах  
разных классов ...................................................................................73
4.2. Закономерности влияния ТМО⊥ на гистерезисные  
магнитные свойства модельного сплава 
........................................ 117
4.3. Сопоставление закономерностей влияния различных видов 
термической обработки на формирование магнитных свойств 
модельного сплава и сплава на основе железа 
..............................124
Глава 5. Особенности влияния изгибных напряжений 
на динамические магнитные свойства и временную  
стабильность модельного сплава 
.........................................................131
5.1. К постановке исследования .....................................................131
5.2. Влияние отжига на закономерности поведения  
динамических магнитных свойств модельного сплава  
в зависимости от диаметра тороида 
...............................................133
5.3. Закономерности влияния изгибных напряжений  
и отжига на временной спад проницаемости 
................................141
Глава 6. Влияние условий спиннингования на магнитные  
свойства и качество поверхности аморфных лент сплава 
Co58Fe5Ni10Si11B16 с очень низкой магнитострикцией 
......................143
6.1. Влияние условий спиннингования на уровень магнитных 
свойств, качество поверхности лент и их геометрические 
параметры в аморфных сплавах разных классов 
..........................143
6.2. Влияние условий спиннингования на магнитные  
свойства и качество поверхности лент аморфного сплава  
на основе кобальта Co58Fe5Ni10Si11B16 с очень низкой 
магнитострикцией............................................................................164
 
Часть ii. Особенности механического поведения  
модельного сплава Co69Fe3,7Cr3,8Si12,5B11  
с очень низкой магнитострикцией
Глава 7. Закономерности релаксации изгибных напряжений  
в модельном сплаве  
..............................................................................175
7.1. Основные понятия и определения. Особенности  
закономерностей релаксации изгибных напряжений  

в аморфных сплавах разных классов .............................................175
7.2. Закономерности релаксации изгибных напряжений  
в модельном сплаве в сопоставлении с поведением аморфного  
сплава на основе железа 
..................................................................179
Глава 8. Явление обратимости остаточных изгибных напряжений  
в модельном сплаве в сопоставлении с поведением аморфного  
сплава на основе железа .......................................................................185
8.1. О напряженно-деформированных состояниях аморфных 
сплавов и неупругом их поведении 
................................................185
8.2. Эффект обратимости остаточных изгибных напряжений 
в модельном сплаве и в аморфном сплаве на основе железа ......188
Глава 9. Влияние величины исходных изгибных напряжений  
на их релаксацию при отжиге в модельном сплаве ...........................194
9.1. Постановка исследования. Изучавшиеся сплавы ..................194
9.2. Результаты экспериментов и их обсуждение .........................197
Глава 10. Закономерности охрупчивания в модельном сплаве 
.........210
10.1. Особенности механического состояния аморфных  
сплавов. Закономерности охрупчивания аморфных сплавов  
разных классов .................................................................................210
10.2. Закономерности охрупчивания модельного сплава 
.............225
10.3. Условия оптимизации магнитных свойств модельного  
сплава без потери пластичности ....................................................229
Заключение ............................................................................................233
Библиографический список .................................................................236

ВВЕДЕНИЕ 
Развитие современной техники вызывает потребность в поисках и 
разработке новых материалов, обладающих не только более высокими 
служебными свойствами, чем существующие, но и таким сочетанием 
различных по своей природе свойств (физических, механических и химических), 
которое не может быть достигнуто на базе традиционных 
кристаллических материалов. Таким новым классом материалов являются 
аморфные металлические сплавы.
Наиболее распространенным и практически важным методом получения 
аморфных сплавов не только в больших количествах, но и в 
виде, пригодном для непосредственного использования в технике, например 
в виде ленты, является метод закалки расплава на поверхности 
быстровращающегося металлического диска (метод спиннинго-
вания струи расплава). Этот и другие методы, основанные на создании 
контакта струи расплава с массивным теплоприемником, обеспечивают 
такую высокую скорость охлаждения жидкого металла (порядка 
106 К/с), что для многих металлических сплавов удается предотвратить 
процессы кристаллизации и получить конечный продукт в аморфном 
состоянии.
Таким образом, понятие «металлическое тело» уже нельзя рассматривать 
как синоним понятия «кристаллическое тело», а необходимо 
различать два, существенно отличающихся по своей атомной 
структуре и свойствам, класса металлических тел – кристаллические 
и аморфные.
В аморфных сплавах отсутствует дальний порядок в расположении 
атомов (трансляционная симметрия), а следовательно, отсутствуют такие 
специфические для кристаллических тел дефекты атомной структуры, 
как дислокации и вакансии, границы зерен и блоков, двойники и 
дефекты упаковки, что и является первопричиной, определяющей осо-
бенности свойств аморфных сплавов.
Аморфному состоянию присуща не только близкая к идеальной 
атомно-структурная однородность, обусловленная отсутствием пере-
численных выше дефектов, но и высокая фазово-химическая однород-
ность. Аморфные сплавы, независимо от концентрации компонентов и 
их природы, представляют собой однофазную систему, состоящую из 

пересыщенного твердого раствора, атомная структура которого подоб-
на атомной структуре переохлажденной жидкости. В них отсутствуют 
включения избыточной фазы, а также сильно отличающиеся по химическо-
му составу объёмы, например, связанные с ликвацией или с различно-
го рода сегрегациями. Именно эти особенности строения аморфных 
сплавов предопределяют не только характерный для них комплекс 
физико-механических свойств, но и уникальное, не характерное для 
кристаллических тел, их сочетание.
Таким образом, аморфный металлический сплав – это система, в ко-
торой отсутствует трансляционная симметрия в расположении атомов и 
которая обладает почти идеальной атомно-структурной и фазово-хи-
мической однородностью. Аморфное состояние можно рассматри-
вать как предельный случай термодинамической неравновесности 
для твердых металлических тел.
Всем аморфным сплавам, независимо от их состава, присущи вы-
сокие прочностные свойства, высокое удельное электросопротивле-
ние и повышенная стойкость к воздействию облучения. В зависи-
мости от природы компонентов аморфные сплавы могут обладать 
прекрасными функциональными свойствами, которыми определя-
ется их практическое использование. Аморфные сплавы – это и маг-
нитно-мягкие материалы, обладающие гистерезисными магнитными 
свойствами, уровень которых характерен для лучших кристалличе-
ских магнитно-мягких материалов; это и материалы с высокой проч-
ностью и коррозионной стойкостью; это и материалы с инварными и 
элинварными свойствами; это и материалы с особыми магнитомеха-
ническими свойствами (материалы с высоким коэффициентом магни-
томеханической связи и пьезомагнитным коэффициентом); это и ма-
териалы с особыми электрическими свойствами.
Аморфные сплавы уже прочно заняли свою нишу и в производстве, 
и в применении. В настоящее время выпуск аморфных сплавов в мире 
достигает более 100 тыс. тонн в год. Основная масса производимых 
аморфных сплавов используется в качестве электротехнических ма-
териалов для различного рода трансформаторов и других устройств, 
где они применяются как магнитопроводы. Обладая почти идеальной 
фазово-структурной однородностью и высоким удельным электриче-
ским сопротивлением, аморфные сплавы имеют чрезвычайно низкие 
потери на перемагничивание, что и предопределяет их применение 
как электротехнических материалов. Выпускаемая для этих целей лен-

та обычно имеет толщину 20... 40 мкм и ширину до 50 мм, хотя разра-
ботаны методы получения ленты шириной 150...300 мм.
Другая область современной техники, в больших объемах поглоща-
ющая аморфные сплавы, – это радиоэлектронная промышленность и 
приборостроение. Для этих отраслей техники используют сплавы на 
основе кобальта с близкой к нулю магнитострикцией, которые вслед-
ствие этого обладают великолепными гистерезисными магнитными 
свойствами в малых полях. Обладая высоким сопротивлением к исти-
ранию, высококобальтовые аморфные сплавы используют в качестве 
материала для производства головок магнитной аудио- и видеозаписи 
и воспроизведения. Они применяются также для изготовления ткан-
ных эластичных магнитных экранов, феррозондов и других изделий.
Проявляется четкая тенденция к все большему производству го-
товых стандартных сердечников, выброс которых на рынок достиг 
уже уровня, превышающего 10 млн. штук. Количество выпускаемых 
стандартных малогабаритных импульсных трансформаторов, широко 
применяемых в радиоэлектронной промышленности, исчисляется де-
сятками миллионов в год.
Применение аморфных сплавов в современной технологической 
цивилизации обусловлено не только особенностью их функциональ-
ных свойств и уникальным сочетанием этих свойств, но и тем, что 
аморфные сплавы становятся основой для создания нового поколения 
приборов, устройств и систем, конструирование которых «подстраи-
вается» под своеобразие и уровень их физико-механических свойств.
Не последнее значение в росте производства аморфных сплавов за-
нимает и то обстоятельство, что фактически создана новая технология 
металлургического производства, обеспечивающая получение конечно-
го продукта, например в виде ленты, непосредственно из расплава, ми-
нуя многоступенчатые и энергоемкие технологические циклы такие, 
как ковка, многократная прокатка, промежуточные отжиги. 
Можно выделить, по крайней мере, три основных фактора, опреде-
ляющих эффективность применения аморфных сплавов:
– повышение качества изделий вследствие применения в них 
аморфных сплавов, обладающих более высокими служебными ха-
рактеристиками, чем традиционные кристаллические материалы, и 
возможность создания приборов и устройств нового поколения, пара-
метры которых основываются на уникальном комплексе их физико-
механических свойств;

– замена кристаллических материалов на основе дефицитных ме-
таллов аморфными сплавами, состоящих или из более доступных эле-
ментов, или содержащих дефицитные элементы в меньших количествах;
– переход от традиционной многоступенчатой, трудоемкой и энер-
гонасыщенной технологии получения конечного продукта к новой ма-
териало- и энергосберегающей технологии получения изделий методом 
закалки из расплава, которая во многом несет черты безотходной и эко-
логически чистой технологии.
Экономическая целесообразность новой технологии во все большей 
степени будет проявляться по мере увеличения объема и номенклатуры 
продукции, а также по мере совершенствования специализированно-
го оборудования. Создание высокопроизводительных агрегатов, в том 
числе непрерывного действия, по производству аморфных сплавов, на-
сыщение спроса на эту продукцию приводит к непрерывному умень-
шению её стоимости (из опыта формирования цен на мировом рынке 
на аналогичную продукцию следует, что при удвоении объема выпуска 
цены на нее снижаются на 20…30%).
Следует отметить, что после ряда лет спада и застоя показатели про-
изводства и потребления аморфных магнитно-мягких сплавов у нас 
в стране резко пошли вверх. Оценки показывают, что их выпуск уже 
достигает около 500 т в год, а в ближайшее время может достигнуть 
1 000 т (к началу 1990 г. выпуск аморфных сплавов не превышал 50 т). 
Причем рост потребления аморфных сплавов происходит не только за 
счет аморфных сплавов на основе железа, которые используются в элек-
тротехнике, но и за счет магнитно-мягких аморфных сплавов на основе 
кобальта с низкой магнитострикцией насыщения λs (λs ≤ 10–6), которые 
весьма широко применяются в радиоэлектронной промышленности.
Таким образом, можно заключить, что новый класс прецизионных 
материалов – класс аморфных прецизионных сплавов – представля-
ет собою те материалы, расширение выпуска и совершенствование 
свойств которых во многом определяет дальнейшее развитие ключевых 
отраслей современной промышленности.
Получаемая в результате сверхбыстрой закалки из расплава аморф-
ная фаза является метастабильной по отношению к кристаллическому 
состоянию. Кроме того, вследствие принудительного «заморажива-
ния» переохлажденной жидкости аморфная фаза является неравно-
весной. Другими словами, атомную структуру аморфных сплавов не-
посредственно после закалки можно определить как метастабильную 
неравновесную структуру. В состояние равновесия аморфная фаза 

может быть переведена путем отжига, проводимого, естественно, ниже 
температуры кристаллизации. Переход (релаксация) аморфной фазы в 
состояние, в той или иной степени близкое к равновесию, осуществля-
ется через ряд превращений, отличающихся по своей природе, термо-
динамическим стимулам и по масштабам вовлекаемых в них атомных 
перегруппировок. Процессы, происходящие при отогреве аморфной 
фазы и переводящие ее в состояние метастабильного равновесия, 
определяют как процессы структурной релаксации.
Протекание процессов структурной релаксации сопровождается 
изменением всех физико-механических свойств аморфных сплавов. 
В случае ферромагнитных сплавов в наибольшей степени изменяют-
ся гистерезисные магнитные свойства, то есть свойства, во многом 
определяющие практическую ценность данного класса материалов. 
Путем варьирования условий термической обработки можно в нуж-
ном направлении изменять физические свойства аморфных сплавов. 
Поэтому проблема структурной релаксации имеет не только важное на-
учное значение, но и первостепенную практическую значимость.
Ряд внутренне присущих ферромагнитным аморфным сплавам не-
достатков сдерживает более широкое их применение в современной 
технике. Основные из них – это: температурно-временная нестабиль-
ность магнитных свойств, склонность к охрупчиванию, сильная зави-
симость магнитных свойств от условий аморфизации и термической 
обработки. Аморфные сплавы могут в результате термической обра-
ботки в широких пределах изменять свои магнитные свойства как в 
сторону их улучшения, так и ухудшения. Поэтому выявление и фи-
зическое обоснование тех режимов термической обработки, которые 
обеспечивают максимально достижимый их оптимальный уровень, 
представляется актуальной задачей.
Несмотря на весьма большое количество работ, посвященных фор-
мированию гистерезисных магнитных свойств в аморфных сплавах 
разных классов, ряд вопросов остается ещё открытым. Это, в первую 
очередь, относится к аморфным сплавам на основе кобальта с очень 
низкой магнитострикцией насыщения (λs ≤ 10–7). Вопросы, относя-
щиеся к указанным выше сплавам, представляют не только научно-
познавательный, но и практический интерес.
В названии представленной книги фигурирует понятие о сплавах 
на основе кобальта с очень низкой магнитострикцией, величина кото-
рой имеет значение 10–7 и менее. Естественно, возникает вопрос, по-
чему именно значение магнитострикции насыщения λs, равное 10–7, 

создает как бы некий водораздел между сплавами на основе кобальта. 
Ответ на этот вопрос можно получить на основе сопоставления кон-
станты энергии магнитоупругой анизотропии 
3 
2
s
Ks =
l s  (σ – внутрен-
ние напряжения) и энергии размагничивающего фактора аморфных 
ленточных образцов 
2
1 
2
N
s
K
NI
=
 (
s
I – намагниченность насыщения, 
N  – коэффициент размагничивающего фактора). В том случае, ког-
да константа Ks  значительно меньше 
N
K  (
N
K
K
s 
), то в аморфной 
ленте, даже свернутой в тороид и обладающей поэтому изгибными на-
пряжениями той или иной величины, доменная структура будет фор-
мироваться под действием энергии размагничивающего фактора 
N
K . 
Это, естественно, приводит к появлению в аморфной ленте во всем 
её объеме, даже свернутой в тороид, продольной полосовой доменной 
структуры, которая обеспечивает минимальное значение энергии 
N
K . 
При существовании такой ситуации магнитные свойства тороидаль-
ных образцов аморфных сплавов приобретают весьма специфиче-
ские особенности. Во-первых, коэффициент прямоугольности петли 
гистерезиса KП имеет значение, близкое к предельной величине, то 
есть к единице. Во-вторых, коэффициент KП и коэрцитивная сила 
с
H  
практически не зависят от диаметра тороида D. В-третьих, начальная 
проницаемость µа имеет чрезвычайно низкое значение (~ 100 ед.), не 
характерное для сплавов на основе кобальта. Последняя особенность 
обусловлена тем, что продольные полосовые домены в аморфной 
ленте, свернутой в тороид, обладают относительно большой шири-
ной, что, естественно, предопределяет сравнительно низкую величи-
ну удельной площади границ доменов S. 
Как известно, начальная проницаемость µа зависит не только от 
пиннинга границ доменов, но и от их удельной площади S (S – фак-
тор): чем меньше величина S, тем меньше µа, поскольку µа ~ S. А так 
как удельная площадь границ доменов S в свежезакаленном сплаве с 
очень низкой магнитострикцией мала, то и величина µа оказывается 
аномально малой величиной.
После выяснения того, что в изученном сплаве на основе кобальта 
наблюдаются все три ранее рассмотренные особенности магнитных 
свойств, проводили измерение в нем магнитострикции насыщения 
λs, то есть определяется то критическое значение магнитострикции 
λs (обозначим его через 
0
s
l ), ниже которого выполняется условие 
N
K
K
s 
. Оказалось, что в аморфном сплаве Со69Fe3,7Сr3,8Si12,5B11,