Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. Основан в 2009 году

Ферромагнитные нанокластеры в аустените: природа, роль, характеристики и возможность управления

В.Н. Пустовойт, Ю.В. Долгачев

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет»

DOI: 10.26456/pcascnn/2026.18.XXX

Оригинальная статья

Аннотация: В статье рассмотрена природа магнитных неоднородностей в аустените сталей и их фундаментальная роль в фазовых превращениях. Показано, что аустенит, будучи парамагнитной фазой, содержит спонтанно возникающие области ближнего ферромагнитного порядка (ферромагнитные нанокластеры), существование которых подтверждено экспериментально методами магнитной дифракции нейтронов. Зависимость магнитной восприимчивости аустенита описывается функцией Ланжевена для суперпарамагнетиков, что отражает флуктуационный характер этих магнитных неоднородностей, локализованных в областях нанометрового размера. Магнитное состояние исходной фазы критически определяет характер протекания γ→α превращения. С помощью компьютерного моделирования на основе модели Изинга исследовано влияние внешнего магнитного поля на характеристики нанокластеров в широком интервале температур. Установлено, что поле напряжённостью до 2,4 МА/м способно увеличивать средний размер кластеров (наиболее эффективно при низких температурах, где прибавка достигает 1,4 нм), на два порядка повышает их общее количество и увеличивает долю крупных кластеров, а также до 25% продлевает время их стабильного существования. Эксперименты по закалке в постоянном магнитном поле для ряда сталей показали существенное снижение объёмной доли остаточного аустенита, сопоставимое с обработкой холодом, и ускорение кинетики бейнитного превращения в 1,5-1,8 раза. Магнитное поле усиливает магнитную гетерогенность аустенита, активирует новые центры зарождения и стимулирует мультипликативный механизм образования α-фазы, что даёт практический инструмент для целенаправленного управления фазовым переходом при термической обработке сталей в магнитном поле.

Ключевые слова: аустенит, магнитное состояние, нанокластер, сталь, закалка, внешнее магнитное поле

  • Пустовойт Виктор Николаевич – д.т.н., профессор кафедры материаловедение и технологии металлов, ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет»
  • Долгачев Юрий Вячиславович – д.т.н., профессор кафедры материаловедение и технологии металлов, ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет»

Ссылка для цитирования:

Пустовойт, В.Н. Ферромагнитные нанокластеры в аустените: природа, роль, характеристики и возможность управления / В.Н. Пустовойт, Ю.В. Долгачев // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2026. - Вып. 18. - С. __-__. DOI: 10.26456/pcascnn/2026.18.XXX. ⎘

Полный текст: загрузить PDF файл

Библиографический список:

1. Sucksmith, W. The paramagnetism of the ferromagnetic elements / W. Sucksmith, R.R. Pearce // Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences. – 1938. – V. 167. – I. 929. – P. 189-204. DOI: 10.1098/rspa.1938.0126.
2. Вонсовский, С.В. Ферромагнетизм как проблема упорядочения / С.В. Вонсовский // Известия АН СССР. Серия физическая. – 1947. – Т. 11. – Вып. 5. – С. 485-486.
3. Brown, P.J. Observations of ferromagnetic correlations at high temperatures in paramagnetic iron / P.J. Brown, H. Capellmann, J. Déportes et al. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. – 1982. – V. 30. – I. 2. – P. 243-248. DOI: 10.1016/0304-8853(82)90204-9.
4. Korenman, V. Consequences of short range magnetic order above TC in iron and nickel / V. Korenman // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. – 1983. – V. 31-34. – Part 1. – P. 301-304. DOI: 10.1016/0304-8853(83)90258-5.
5. Ignatenko, A.N. Strong short-range magnetic order in a frustrated FCC lattice and its possible role in the iron structural transformation / A. N. Ignatenko, A. A. Katanin, V. Yu. Irkhin // Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters. – 2008. – V. 87. – I. 10. – P. 555-559. DOI: 10.1134/S0021364008100093.
6. Voronchikhin, L.D. Anomalous superparamagnetism of the gamma phase of Fe-Cr-Ni alloy / L.D. Voronchikhin, L.N. Romashev, I.G. Fakidov // Soviet Physics-Solid State. – 1975. – V. 16. – I. 9. – P. 1708-1711.
7. Shull, C.G. Magnetic electron configuration in iron / C.G. Shull, Y. Yamada // Journal of the Physical Society of Japan. – 1962. – V. 17. – Suppl. B-III. – P. 1-6.
8. Снежной, Г.В. Кластерный характер зарождения мартенсита с изотермической и атермической микрокинетиками / Г.В. Снежной, В.Л. Снежной, В.И. Меняйло // Литье и металлургия. – 2008. – № 4(49). – С. 63-66. DOI: 10.21122/1683-6065-2008-4-63-66.
9. Spooner, S. Spin correlations in iron / S. Spooner, B.L. Averbach // Physical Review. – 1966. – V. 142. – I. 2. – P. 291-299. DOI: 10.1103/PhysRev.142.291.
10. Bozorth, R.M. Magnetic properties of metals and alloys / R.M. Bozorth. – Cleveland: American Society for Metals, 1959. – vi, 349 p.
11. Kaufman, L. The lattice stability of metals – III. Iron / L. Kaufman, E.V. Clougherty, R.J. Weiss // Acta Metallurgica. – 1963. – V. 11. – I. 5. – P. 323-335. DOI: 10.1016/0001-6160(63)90157-3.
12. Hasegawa, H. Microscopic theory of the temperature-pressure phase diagram of iron / H. Hasegawa, D.G. Pettifor // Physical Review Letters. – 1983. – V. 50. – I. 2. – P. 130-133. DOI: 10.1103/PhysRevLett.50.130.
13. Седов, В.Л. Антиферромагнетизм гамма-железа: проблема инвара / В.Л. Седов. – М.: Наука, 1987. – 287 с.
14. Zener, C. Impact of magnetism upon metallurgy / C. Zener // Journal of The Minerals, Metals & Materials Society. – 1955. – V. 7. – I. 5. – P. 619-630. DOI: 10.1007/BF03377550.
15. Zener, C. Interaction between the d shells in the transition metals / C. Zener // Physical Review. – 1951. – V. 81. – I. 3. – P. 440-444. DOI: 10.1103/PhysRev.81.440.
16. Zener, C. Exchange interactions / C. Zener, R.R. Heikes // Reviews of Modern Physics. – 1953. – V. 25. – I. 1. – P. 191-198. DOI: 10.1103/RevModPhys.25.191.2.
17. Weiss, R.J. Components of the thermodynamic functions of iron / R.J. Weiss, K.J. Tauer // Physical Review. – 1956. – V. 102. – I. 6. – P. 1490-1495. DOI: 10.1103/PhysRev.102.1490.
18. Razumov, I.K. Effect of magnetism on kinetics of γ-α transformation and pattern formation in iron / I.K. Razumov, Y.N. Gornostyrev, M.I. Katsnelson // Journal of Physics: Condensed Matter. – 2013. – V. 25. – №. 13. – Art. № 135401. – 9 p. DOI: 10.1088/0953-8984/25/13/135401.
19. Razumov, I.K. Role of magnetic degrees of freedom in a scenario of phase transformations in steel / I.K. Razumov, D.V. Boukhvalov, M.V. Petrik et al. // Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics. – 2014. – V. 90. – I. 9. – P. 094101-1-094101-8. DOI: 10.1103/PhysRevB.90.094101.
20. Razumov, I.K. Towards the ab initio based theory of phase transformations in iron and steel / I.K. Razumov, Y.N. Gornostyrev, M.I. Katsnelson // Physics of Metals and Metallography – 2017. – V. 118. – I. 4. – P. 362-388. DOI: 10.1134/S0031918X16130032.
21. Landau, L.D. Statistical physics / L.D. Landau, E.M. Lifshitz. – Oxford: Elsevier, 2013. – 544 p.
22. García-Hernández, L.A. Magnetic properties of CoFe₂O₄ nanoparticles: experimental characterization and numerical analysis using the Ising model / L.A. García-Hernández, C.B. Guzmán-Hernández, G. Oza // Journal of Nanoparticle Research. – 2025. – V. 27. – I. 1. – Art. № 281. – 9 p. DOI: 10.1007/s11051-025-06476-y.
23. Пустовойт, В.Н. Магнитная гетерогенность аустенита и превращения в сталях / В.Н. Пустовойт, Ю.В. Долгачев. – Ростов-на-Дону: Донской государственный технический университет, 2021. – 198 с.
24. Свидетельство № 2021665589 Российская Федерация. Компьютерное моделирование магнитного состояния аустенита / Ю.В. Долгачев, В.Н. Пустовойт; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет». – № 2021664709; заявл. 21.09. 2021; опубл. 29.09.2021. – 1 с.
25. Пустовойт, В.Н. К вопросу о местах зарождения мартенсита / В. Н. Пустовойт, Ю. В. Долгачев // Известия Волгоградского государственного технического университета. – 2014. – № 23(150). – С. 110-114.
26. Пустовойт, В.Н. О природе мест зарождения мартенсита при закалке стали / В.Н. Пустовойт, Ю.В. Долгачев // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. – 2019. – Т. 62. – № 2. – С. 109-114. DOI 10.17073/0368-0797-2019-2-109-114.
27. Dolgachev, Yu.V. Stress martensite nucleation in a state of premartensitic lattice instability / Yu.V. Dolgachev, V.N. Pustovoit, Yu.M. Vernigorov // Advanced Engineering Research. – 2024. – V.24. – I. 1. – P. 58-65. DOI: 10.23947/2687-1653-2024-24-1-58-65.
28. Pustovoit, V.N. Interaction of ferromagnetically ordered clusters with dislocations in austenite and twinning / V.N. Pustovoit, Y.V. Dolgachev // Materials Science Forum. – 2022. – V. 1052. – P. 134-139. DOI: 10.4028/p-a8jty9.
29. Dolgachev, Yu.V. Stimulation of the bainite transformation scenario by an external magnetic field / Yu.V. Dolgachev, V.N. Pustovoit, D.V. Nefedov // Safety of Technogenic and Natural Systems. – 2024. – V. 8. –№ 1. – P. 88-96. DOI: 10.23947/2541-9129-2024-8-1-88-96.

Содержание |