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Druckabhängigkeit der Invar-typischen Instabilitäten von Fe3C (Zementit) Partikeln

Duman, Eyüp

Fe3C ist eine intermetallische Verbindung, die fast die gleiche Temperaturabhäangigkeit der Ausdehnungskoeffizient wie der von Fe65Ni35 Invar-Legierungen hat, wobei unterhalb einem kritischen Volumen eine HM-LM-Übergang auftreten soll. Diese starke Änderung des magnetischen Moments in Abhängigkeit vom Volumen wird als Moment-Volumen-Instabilität (MVI) bezeichnet. Die Frage nach der Existenz von einer MVI in Fe3C und damit verknüpfte Gitter und magnetische Eigenschaften von Fe3C steht im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit. Mit Hilfe von energiedispersiven Röntgenbeugung unter hohen Druck wurde die druckabhängigkeit der Gitterkonstanten der Fe3C-Partikeln unterhalb und oberhalb seiner Curie-Temperatur (bei Zimmertemperatur bzw. T = 550 K) untersucht, um eine mögliche für Invar-Legierungen typische weichwerden des Gitters zu untersuchen. Durch Anpassung der Birch-Murnaghan-Zustandsgleichung an die experimentellen Ergebnisse haben wir das Kompressionsmodul der Fe3C-Partikeln für beide Temperaturen berechnet. Es wurden gefunden, dass der isothermischer Kompressionsmodul bei 300 K ungefähr 14 % kleiner als bei 550 K ist. Dieser Unterschied ist vergleichbar mit dem in einem ähnlichen Temperaturbereich experimentell gefundenen Unterschied des Kompressionsmoduls in der Fe66Ni34-Invar-Legierung. Ob eine Invar typische magnetische Instabilität in Fe3C tatsächlich vorhanden ist, haben wir die magnetische Instabilität von Fe3C-Partikel mit der XMCD-Methode unter hohen Druck bis zu 20 GPa untersucht. Das XMCD-Signal nimmt mit zunehmendem Druck bis zu 8 GPa leicht ab. Im MVI-Modell bedeutet das, dass das System im HM-Zustand bis zu einen kritische Druck von 8 GPa verbleibt. Im Bereich um 10 GPa wird eine abrupte Abnahme des Signals beobachtet. Ab 15 GPa bleibt das XMCD-Signal dann relativ wieder nahezu konstant. Das entspricht für den LM-Zustand. Wir haben also einen deutlichen HM-LM-Übergang ohne hysteretisches Verhalten für die integrierte Fläche unter den Spektren für zu- und abnehmenden Druck beobachtet. Dieser magnetischen Übergang als HM-LM-Übergang zu quantiffizieren, haben wir die AC-Suszeptibilität der Fe3C-Partikel unter Druck gemessen, um die Druckabhängigkeit der Curie-Temperature von Fe3C-Partikel zu bestimmen. Aus diesen Messungen haben wir eine änderung von TC mit dem Druck dTC/dp =-11 K/GPa bestimmt. Wir können daher eindeutig sagen, dass der in den druckabhängigen XCMD-Untersuchungen bei 10 GPa beobachtete Übergang als HM-LM-Übergang quantiffiziert werden kann. Somit kann die Frage, ob Fe3C ein Invar Legierung ist und MVI aufweist, eindeutig mit ja beantwortet werden.

Fe3C is a intermetallic compound, which has almost the same temperature dependence of the thermal expansion coefficient of the Fe65Ni35 Invar alloy, whereby a high-moment (HM) to low-moment (LM) transition should occur when the atomic volume is reduced below a critical value. A magnetovolume instability is a rapid change of the magnetic moment with respect to a small change in the atomic volume. This work is on to the search of magnetovolume instability in Fe3C and lattice and magnetic properties of Fe3C associated with magnetovolume instability. We have studied the equation of state of Fe3C particles below and above the Curie temperature (room temperature and 550 K respectively) by energy-dispersive X-Ray scattering under high pressure up to 20 GPa to search for a softening associated with magnetovolume instability characteristic of Invar-type material. The isothermal bulk modulus of Fe3C particles at room temperature was found to be about 14 % smaller than that of the value at 550 K. This difference is comparable with the relative difference in the bulk modulus of Fe66Ni34 Invar in a similar temperature range around the Curie temperature. It is necessary to compliment the equation of state studies by pressure studies sensitive to the magnetic response in order to confirm the presence of magneto-volume instabilities in Fe3C particles. We, therefore, examined the pressure dependence of the Fe K-edge x-ray magnetic circular dichroism in Fe3C particles at ambient temperature and pressures up to 20 GPa. The intensity initially shows no appreciable variation with pressure up to 8 GPa. This points out that Fe3C remain in the HM state up to 8 GPa. The intensity begins to decrease rapidly around 10 GPa and remains constant above 15 GPa as the LM state is reached. This corresponds to LM-state at this pressure. A clear transition from a high-moment to a low-moment state is observed without any hysteresis in the increasing and decreasing pressure data. In order to show that this effect is not due to the Curie temperature falling below room temperature, we have measured the pressure dependence of AC-susceptibility of Fe3C particles and determined the pressure dependence of the Curie temperature of Fe3C particles. We found that TC decreases with the rate of dTC/dp =-11 K/GPa with increasing pressure indicating that the transition observed in pressure dependence of XMCD at about 10 GPa corresponds to the HM-LM-transition. Therefore we conclude that, Fe3C exhibits magnetovolume instabilities.

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Duman, Eyüp: Druckabhängigkeit der Invar-typischen Instabilitäten von Fe3C (Zementit) Partikeln. 2006.

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