close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Структура магнитные и дилатометрические свойства поликристаллического сплава системы Ni2+x+yMn1-xGa1-y.

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Мусабиров Ирек Ильфирович
Структура, магнитные и дилатометрические свойства
поликристаллического сплава системы Ni2+x+yMn1-xGa1-y
Специальность 01.04.07 – Физика конденсированного состояния
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата
физико-математических наук
Уфа – 2013
2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении
науки Институте проблем сверхпластичности металлов
Российской академии наук
Научный руководитель:
доктор физико-математических наук,
старший научный сотрудник
Мулюков Радик Рафикович
Официальные оппоненты:
Имаев Марсель Фаниревич
доктор физико-математических наук,
Федеральное государственное бюджетное
учреждение науки Институт проблем
сверхпластичности металлов Российской
академии наук, старший научный сотрудник
Ховайло Владимир Васильевич
доктор физико-математических наук,
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Национальный исследовательский
технологический университет «МИСиС»,
профессор
Ведущая организация:
Федеральное государственное
унитарное предприятие «ЦНИИчермет
им. И. П. Бардина», г. Москва
Защита состоится «7» ноября 2013 г. в 14.00 часов на заседании
диссертационного совета Д 002.080.02 при Федеральном государственном
бюджетном учреждении науки Институте проблем сверхпластичности
металлов Российской академии наук, расположенном по адресу: 450001, г. Уфа,
ул. Ст. Халтурина, 39.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального
государственного бюджетного учреждения науки Института проблем
сверхпластичности металлов Российской академии наук.
Автореферат разослан «3» октября 2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук
Лутфуллин Рамиль Яватович
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Сплавы Гейслера системы Ni-Mn-Ga являются
уникальными объектами исследований, поскольку в этих сплавах наблюдаются такие
эффекты как эффект памяти формы (ЭПФ), гигантские магнитоуправляемые
деформации, гигантский магнитокалорический эффект (МКЭ) и др. Наличие этих
эффектов обусловлено происходящими мартенситным и магнитным фазовыми
превращениями, температурный интервал которых в ряде составов совпадает.
Благодаря этим эффектам для сплавов открываются широкие перспективы их
применения в новых высокотехнологичных устройствах. В частности, значительная
величина МКЭ позволяет использовать в качестве хладагента твердотельный элемент
на основе сплавов системы Ni-Mn-Ga в технологиях альтернативной энергетики.
Преимущество этих материалов заключается в том, что, во-первых, по сравнению с
газообразными теплоносителями, применение этого материала не наносит вреда
экологии. Во-вторых, потенциально возможно уменьшение размеров, снижение
стоимости и повышение технологичности охлаждающих устройств на основе
твердотельного элемента.
Эффект гигантских магнитодеформаций позволяет создавать актюаторы, в
которых энергия магнитного поля преобразуется в механическую работу. Устройства
с таким функциональным элементом могут применяться в микроэлектронике,
медицине и других отраслях науки и производства. На сегодняшний день
максимальное значение необратимой магнитодеформации в сплаве системы Ni2MnGa,
которая индуцируется магнитным полем напряженностью около 800 кА/м, составляет
10%. Обратимая величина магнитодеформации меньше и имеет значение около 6%.
Это много больше, чем эффекты магнитострикции и пьезоэффекта на других
материалах. Однако стоит отметить, что такие величины магнитодеформации
достижимы только на монокристаллических образцах. Весьма перспективным
является получение магнитодеформаций порядка хотя бы 1% на поликристаллических
материалах, которые являются более дешевыми по сравнению с монокристаллами.
Для этого необходимо углубленное изучение магнитных и структурных фазовых
превращений в поликристаллических сплавах системы Ni2MnGa.
Цель работы: Установить влияние параметров магнитного поля на структуру
мартенсита и деформацию образца в литом поликристаллическом сплаве
Ni2,08Mn0,96Ga0,96 в исходном и отожженном состояниях.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1) Создать экспериментальную установку для оптической прицельной съемки
образцов в переменном тепловом и магнитном полях.
2) Сравнить кристаллографическую текстуру и особенности мартенсита в сплаве в
исходном и отожженном состояниях.
3) Выявить влияние магнитного поля на ориентировку мартенситных двойников и
процесс их формирования в сплаве в исходном и отожженном состояниях.
4) Создать экспериментальную установку для исследования термического
расширения и магнитодеформации материалов.
5) Установить связь между ориентировкой мартенситных двойников и изменением
геометрических размеров образца в процессе мартенситного превращения.
4
6) Установить влияние параметров магнитного поля на вид кривой термического
расширения сплава в исходном и отожженном состояниях в области температур
включающих мартенситное превращение.
Научная новизна.
Экспериментально показано, что формирование преимущественной ориентации
мартенситных кристаллов приводит к анизотропии скачкообразного изменения
геометрических размеров поликристаллических образцов сплава Ni2,08Mn0,96Ga0,96 в
ходе прямого мартенситного превращения.
Установлено, что в поликристаллическом сплаве Ni2,08Mn0,96Ga0,96 магнитное
поле напряженностью до 600 кА/м оказывает влияние на формирование двойниковой
структуры в процессе прямого мартенситного превращения. Магнитное поле такой
напряженности не оказывает существенного влияния на полностью сформированную
двойниковую структуру низкотемпературной фазы сплава.
Показано, что в образце поликристаллического сплава Ni2,08Mn0,96Ga0,96 в
исходном литом состоянии величины магнитодеформации в процессе прямого
мартенситного превращения достигают 0,75% в магнитных полях до 520 кА/м. Отжиг
сплава, приводящий к снижению внутренних напряжений, снижает величину
магнитодеформации до 0,15%.
Практическая значимость.
Разработана и внедрена в практику лабораторных исследований
экспериментальная установка для изучения влияния тепловых и/или магнитных полей
на микроструктурные изменения материалов методом оптической микроскопии, в том
числе, с использованием прицельной съемки.
Разработана и внедрена в практику лабораторных исследований
экспериментальная установка для исследований методами термического расширения
влияния магнитного поля на геометрические размеры образца сплавов системы NiMn-Ga.
Показано, что величина магнитодеформации литого сплава Ni2,08Mn0,96Ga0,96
достигает 0,75%. Следовательно, этот сплав может найти применение при
конструировании сенсоров магнитного поля и температуры.
На защиту выносятся.
Результаты
структурных
и
дилатометрических
исследований
поликристаллического
сплава
Ni2,08Mn0,96Ga0,96,
показывающие
влияние
преимущественной ориентации двойников, формирующихся в процессе
мартенситного превращения, на характер скачкообразного изменения геометрических
размеров в ходе этого превращения.
Анализ влияния магнитного поля на формирование двойниковой структуры в
процессе мартенситного превращения.
Анализ величины магнитодеформации в процессе прямого мартенситного
превращения в поликристаллическом образце сплава Ni2,08Mn0,96Ga0,96 в исходном
литом состоянии и на образце, подвергнутом отжигу.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены и
обсуждены на следующих конференциях: Международная конференция
«Функциональные Материалы» (Партенит, Крым, Украина 2007, 2009);
Международная конференция «HighMatTech» (Киев 2007); Международная
5
конференция «Moscow International Symposium on Magnetism» (Москва 2008, 2011), IX
и X Молодежная школа-семинар по проблемам физики конденсированного состояния
вещества (Екатеринбург 2008, 2009); Открытая школа-конференция стран СНГ
«Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы» (Уфа 2008, 2010, 2012), 52-ая
Международная научная конференция "Актуальные проблемы прочности" (Уфа
2012), 8 Всероссийская зимняя школа-семинар аспирантов, студентов и молодых
ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (Уфа 2013); Всероссийская
молодежная научно-практическая конференция «Актуальные вопросы науки и
образования» (Уфа 2013).
Вклад автора. Соискатель самостоятельно проводил экспериментальные
исследования, принимал непосредственное участие в интерпретации и обсуждении
результатов экспериментов, подготовке и написании научных публикаций.
Значимым вкладом в достижение поставленной в работе цели было создание
автором двух экспериментальных установок, которые впоследствии нашли
применение в практике лабораторных исследований. Подробнее об этих установках
сказано в диссертационной работе в главе о методике исследований.
Публикации. Основное содержание диссертации представлено в 9 научнотехнических публикациях, из них 6 научных статей в рецензируемых журналах из
перечня ВАК России, 1 статья в зарубежном научном журнале, 2 труда российских
конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов
и списка литературы из 183 наименований. Диссертационная работа изложена на 148
страницах, включая 49 рисунков и 2 таблицы.
Автор благодарен скоропостижно скончавшемуся д.т.н. Мулюкову Х.Я. за идею
и научную постановку данной работы. Автор выражает благодарность д.ф.-м.н.
Коледову В.В. за научную консультацию, к.ф.-м.н. Шарипову И.З., к.т.н. Сафарову
И.М. за помощь в анализе и интерпретации полученных результатов.
Краткое содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель, задачи и
основные положения работы, выносимые на защиту, описана структура диссертации.
В первой главе представлен литературный обзор исследований
функциональных физических свойств сплавов системы Ni2MnGa. Рассмотрены
особенности кристаллического строения и морфологии аустенитной и мартенситной
фазы сплавов. Представлена фазовая диаграмма мартенситного и магнитного
превращений в сплавах семейства Ni-Mn-Ga в зависимости от химического состава.
Представлены результаты исследования магнитных свойств, характера
микроструктуры и термического расширения сплавов данной системы в области
фазовых превращений. Также показаны результаты исследования влияния магнитного
поля на исследованные физические свойства сплавов. Стоит отметить, что
большинство работ подобного рода проведено на монокристаллических образцах. На
основе анализа литературных данных сформулированы цель и задачи
диссертационной работы.
6
Во второй главе представлено обоснование выбора в качестве материала
исследований поликристаллического сплава Ni2,08Mn0,96Ga0,96. В работе проведены
исследования сплава в двух состояниях: в исходном литом состоянии и после отжига
при температуре 650°С (что ниже температуры перехода «порядок-беспорядок» (B2 –
L21)) в течение 5 часов с последующим охлаждением в печи до комнатной
температуры. Отжиг проводился с целью снятия внутренних напряжений,
возникающих в процессе кристаллизации.
Установлено, что в исследуемом сплаве температуры фазовых превращений
имеют следующие значения: Ms=294 K (21°С); Mf=267 K (- 6°С); As=287 K (14°С);
Af=304 K (31°С); Tc=375 K (102°С). Таким образом, температура магнитного
превращения выше температуры мартенситного превращения, т.е. мартенситное
превращение полностью проходит в ферромагнитном состоянии.
Приведены результаты аттестации химического состава, кристаллической
структуры исследуемого слитка. Показано, что в нем нет химической неоднородности.
Аустенитная фаза имеет ОЦК решетку с параметрами a=b=c=0,5814 нм. В процессе
мартенситного превращения она трансформируется в решетку с тетрагональной
симметрией с параметрами a=b=0,4185 нм, с=0,5589 нм
Кристаллизация расплава происходила в горизонтальном медном тигле в форме
«корытца» диаметром 10 мм и длинной 70 мм. Для идентификации направлений в
слитке сплава была применена следующая схема. Ось N1 параллельна длинной оси
слитка. Ось N2, перпендикулярная оси N1, лежит в горизонтальной плоскости слитка.
Вдоль этого направления происходит рост кристаллов в процессе кристаллизации. Ось
N3 перпендикулярна направлениям N1 и N2.
Исследование химического состава сплава проводилось методом энергодисперсионного анализа с помощью приставки X-Act (Oxford Instruments),
установленной на растровом электронном микроскопе Tescan Vega-3SBH.
Исследование температурной зависимости удельной намагниченности образца
проводилось с использованием методики вибрационного магнитометра. Для
исследования влияния магнитного поля на двойниковую структуру
низкотемпературно фазы была создана экспериментальная установка в виде приставки
к оптическому микроскопу Axiovert 100A, которая позволяет в процессе наблюдения
микроструктуры прикладывать магнитное поле напряженностью до 600 кА/м в
интервале температур образца от –40°С до +80°С. Исследование
кристаллографической текстуры сплава проводилось методом регистрации обратно
отраженных электронов (EBSD анализ) детектором Nordlys detector (Oxford
Instruments), установленном на высокоразрешающем растровом электронном
микроскопе Tescan Mira-3LMH. Для исследования влияния магнитного поля на
характер кривых термического расширения была создана экспериментальная
установка, которая представляет собой дилатометр с датчиком перемещения на основе
дифференциального трансформатора. Она позволяет проводить измерения в
интервале температур образца от –170°С до +150°С в магнитных полях
напряженностью до 640 кА/м.
В третьей главе представлены результаты исследований температурной
зависимости намагниченности сплава Ni2,08Mn0,96Ga0,96. На рисунке 1 показаны кривые
σ/σs(Т) (где σs – намагниченность образца, измеренная в магнитном поле 916 кА/м при
7
223 К), измеренные в магнитных полях различной напряженности: 24 кА/м, 80 кА/м,
400 кА/м и 916 кА/м при нагреве образцов в интервале температур от 223 К до 360 К,
т.е. в области развития мартенситного превращения.
σ/σs , отн.ед.
1.0
4
0.8
3
0.6
0.4
2
0.2
0.0
220
1
240
260
280
300
320
340
360 T, K
Рисунок 1 – Температурная зависимость относительной намагниченности сплава
Ni2,08Mn0,96Ga0,96, записанная в процессе нагрева образца в магнитных полях различной
напряженности: 1 – 24 кА/м; 2 – 80 кА/м; 3 – 400 кА/м; 4 – 916 кА/м
Вид этих кривых типичен для сплавов данной системы, находящихся как в
монокристаллическом, так и в поликристаллическом состоянии. В процессе обратного
мартенситного превращения происходит скачкообразное изменение намагниченности
образца. Мартенсит в магнитных полях малой напряженности имеет меньшую
величину намагниченности по сравнению с аустенитом. В литературе этот факт
объясняется резким снижением константы магнитокристаллической анизотропии в
процессе фазового превращения.
Принцип изменения намагниченности образца с увеличением напряженности
приложенного магнитного поля аналогичен намагничиванию обычных
ферромагнетиков. Известно, что в сплавах данной системы мартенситный двойник
разбивается на 180°-ные магнитные домены практически равной ширины. При этом
угол между магнитным моментом и плоскостью двойникования составляет около 45°
(рисунок 2(а)). При внесении такого образца в магнитное поле небольшой
напряженности (24 кА/м, 80 кА/м, 400 кА/м) магнитные домены, благоприятно
ориентированные относительно внешнего магнитного поля, будут расширяться, а
соседние – сужаться, следовательно, то же самое будет происходить с объемами этих
доменов (рисунок 2(б)). Как показывает характер кривой перемагничивания для
мартенситной фазы, она обладает большой константой анизотропии. Следовательно, в
магнитных полях малой напряженности не будет происходить вращение магнитных
моментов вдоль направления внешнего магнитного поля. Таким образом, в этом поле
намагниченность образца будет складываться из проекции разности широких и узких
доменов на направление внешнего магнитного поля. В магнитных полях такой малой
напряженности изменение объемов доменов (их ширины) будет незначительное, и
8

поэтому проекция разности I s также будет малой. Это и приведет к небольшой
величине намагниченности.
Мартенсит является одноосным ферромагнетиком, а аустенит вследствие
кубического строения решетки является многоосным ферромагнетиком. Поэтому
намагничивание аустенитной фазы будет происходить иначе. Кривые
перемагничивания показывают, что аустенит намагничивается практически до
насыщения в слабых магнитных полях. Это свидетельствует о малости константы
магнитокристаллической анизотропии. Таким образом, намагничивание аустенита
происходит не за счет смещения границ магнитных доменов, а за счет вращения
вектора намагниченности. В магнитном поле напряженностью 400 кА/м и ниже,
аустенитная фаза будет иметь большую намагниченность по сравнению с
мартенситной фазой.
С увлечением напряженности
приложенного магнитного поля
выше 400 кА/м с некоторого
критического
значения
намагничивание образца будет
происходить уже за счет вращения
магнитных моментов в направлении
внешнего
магнитного
поля
(рисунок 2(в)). Это приведет к тому,
что намагниченность мартенситной
фазы
будет
больше
чем
аустенитной фазы.
В магнитном поле 916 кА/м
намагниченность
мартенситной
фазы приближается к насыщению,

Is
Рисунок – 2 Схематическое изображение
и почти все вектора
распределения доменной и двойниковой
ориентируются вдоль направления
структур в условиях магнитного поля
внешнего магнитного поля (рисунке
различной напряженности
2(г)).
В
процессе
фазового
превращения
происходит
незначительное снижение намагниченности образца (рисунок 1, кривая 4).
В
четвертой
главе
представлены
результаты
исследования
кристаллографической текстуры и микроструктуры сплава в двух состояниях:
исходном литом и отожженном. Методом оптической микроскопии исследована
микроструктура мартенсита и влияния на нее внешнего магнитного поля.
На рисунке 3(а) представлены прямые полюсные фигуры (ППФ) для
аустенитной фазы сплава в исходном состоянии. Анализ рисунка показывает, что
аустенит обладает ярко выраженной аксиальной текстурой типа (100)<001> в
направлении N3 слитка, которое как указано выше, перпендикулярно направлению
роста кристаллов. На рисунке 3(б) представлены ППФ для мартенситной фазы сплава
в исходном литом состоянии. Их анализ показывает наличие в образце
9
двухкомпонентной текстуры: (001)<001> и (110)<110> в направлении оси N3 слитка
сплава.
а)
б)
Рисунок – 3 Прямые полюсные фигуры аустенитной (а) и мартенситной (б) фаз сплава
Ni2,08Mn0,96Ga0,96 в исходном литом состоянии
Рисунок – 4 Изображение структуры
Рисунок – 5 Изображение структуры
мартенсита образца сплава Ni2.08Mn0.96Ga0.96
мартенсита образца сплава
в исходном литом состоянии, вырезанном в
Ni2.08Mn0.96Ga0.96 в исходном литом
направлении N1
состоянии, вырезанном в направлении N2
Для исследования микроструктуры мартенсита из слитка были вырезаны
образцы размерами 1 мм × 2 мм × 7 мм в двух взаимно перпендикулярных
направлениях. Первый, длинной стороной (осью образца) в направлении N1 слитка,
другой - в направлении N2. Изображение двойниковой структуры мартенсита в этих
образцах представлено на рисунках 4 и 5, соответственно. Видно, что в обоих случаях
большинство двойниковых границ расположено в направлении N2. Т.е. в первом
случае, большинство двойниковых границ лежит перпендикулярно оси образца, во
втором – параллельно. Стоит отметить, что при повторных циклах нагрева выше
температуры Af и охлаждения ниже Mf, распределение двойников не меняется. Таким
10
образом, оптические исследования микроструктуры мартенситной фазы сплава в
исходном состоянии показывают наличие в ней преимущественной ориентации
двойников. Общий обзор рисунков показывает, что ширина двойниковых пластин
варьируется от единиц до нескольких десятков микрометров.
На рисунке 6 представлены ППФ аустенита и мартенсита после отжига при
650°С в течение 5 часов.
а)
б)
Рисунок – 6 Прямые полюсные фигуры аустенитной (а) и мартенситной (б) фаз сплава
Ni2,08Mn0,96Ga0,96 после отжига
Из рисунка видно, что в результате термической обработки качественного
изменения
кристаллографической
текстуры сплава не произошло.
Изображение
двойниковой
микроструктуры образца сплава после
отжига представлено на рисунке 7.
Видно, что большого разброса в ширине
двойников не наблюдается и их ширина в
среднем составляет 15 мкм. При
рассмотрении всего видимого участка
структуры,
направления
двойников
имеют
хаотическое
распределение.
Отсутствие
формирования
преимущественной
ориентации
двойников
в
процессе
прямого
Рисунок – 7 Изображение структуры
мартенситного превращения должно
мартенсита сплава Ni2,08Mn0,96Ga0,96
быть обусловлено снятием внутренних
после отжига
напряжений в результате отжига.
Исследование влияния магнитного поля на формирование двойниковой
структуры мартенсита сплава в исходном состоянии было проведено на образце,
вырезанном в направлении N2. Изображения структуры мартенситной фазы,
11
полученные с одного и того же участка образца, после его охлаждения до
температуры 260 К без приложения магнитного поля, и в магнитном поле
напряженностью 600 кА/м показаны на рисунках 8(а) и 8(б), соответственно.
H
Рисунок – 8 Микроструктура мартенсита сплава в исходном состоянии: a) –
сформированная без приложения магнитного поля; б) – сформированная в магнитном
поле напряженностью 600 кА/м
Направление магнитного поля указано стрелкой справа. Сравнение
микроструктур показывает, что в них имеются существенные отличия. Основные из
них наблюдаются в областях обозначенных, как A и Б. В области A в магнитном поле
не образуются широкие двойники, составляющие с внешним полем небольшой угол.
В области Б при охлаждении в магнитном поле, в процессе мартенситного
превращения не формируются широкие двойники, которые, так же как и в области A
ориентированы под небольшим углом к направлению внешнего магнитного поля.
Видно, что при охлаждении образца в магнитном поле формируются двойники,
расположенные преимущественно под большим углом к направлению поля, а
количество двойников других ориентировок заметно уменьшается
Заметное влияние магнитного поля на формирование двойниковой структуры
наблюдается и в случае отожженного образца. В качестве иллюстрации приведем
фрагмент микроструктуры мартенсита одного и того же участка образца, полученный
после его охлаждения до температуры 260 К без приложения магнитного поля
(рисунок 9(a)), после охлаждения в магнитном поле напряженностью 600 кА/м
(рисунок 9(б)). Направление магнитного поля указано стрелкой справа. В
наблюдаемых структурах так же имеются существенные отличия. Основное отличие
наблюдается в области А. Как и в других участках микроструктуры, в этой области,
магнитное поле препятствует формированию двойников, которые ориентированы под
большим углом к направлению поля.
Стоит отметить, что как в случае образца в исходном состоянии, так и после
отжига отключение магнитного поля после его охлаждения ниже температуры
окончания мартенситного превращения не приводит к изменению распределения
двойников. И, на сформированную в отсутствии магнитного поля двойниковую
структуру мартенсита, магнитное поле такой напряженности не оказывает
существенного влияния.
В исследовании влияния магнитного поля на формирование двойниковой
структуры величина напряженности поля составляла 600 кА/м. Как показано в 3 главе
12
поле близкой напряженности является критическим. В магнитных полях меньшей
напряженности действие поля будет меньше или равно действию поля анизотропии, и
в смежных двойниках магнитные моменты доменов еще не будут поворачиваться
вдоль направления внешнего поля.
H
Рисунок – 9 Микроструктура мартенсита отожженного образца: а) – сформированная
без приложения магнитного поля; б) – сформированная в магнитном поле
напряженностью 600 кА/м
Как видно из рисунков 8 и 9 происходит зарождение новых двойников с другой
ориентацией. Таким образом, в условиях магнитного поля, так же как и в отсутствии
поля будет формироваться доменная структура с зигзагообразной конфигурацией
магнитных моментов доменов. Рассмотрим, какая ориентация двойниковой границы
(плоскости двойникования) энергетически выгодна при формировании двойника в
условиях магнитного поля. Для этого рассмотрим схему на рисунке 10. Как показано в
главе 3 такая конфигурация
двойниковой и доменной
структуры
свойственна
мартенситной фазе сплавов
данной системы в магнитном
поле такой напряженности, при
котором происходит только
изменение ширины смежных
магнитных
доменов
в
двойнике.
Отметим,
что
магнитные моменты всех
указанных доменов лежат в
Рисунок – 10 Модель формирования двойника с
одной плоскости, а плоскость
выгодной ориентацией плоскости двойникования
двойникования
по отношению к направлению внешнего
перпендикулярна
плоскости
магнитного поля
рисунка. В случае ориентации
внешнего магнитного поля как указано на рисунке, углы между векторами
направления поля H и намагниченностью домена в смежных двойниках будут
13
составлять угол α1 и α2. Поскольку доменная граница между ними представляет собой
90° доменную стенку, то их сумма всегда будет равна:
α1 + α2 = 90°
(4.1).
Энергия взаимодействия магнитного поля и этих доменов определяется
формулами:
WH1 = ISHcosα1, WH2 = ISHcosα2
(4.2).
Общая энергия системы будет складываться из суммы этих двух энергий.
W0 = WH1 + WH2 = ISH(cosα1+ cosα2)
(4.3).
С учетом уравнения 4.1 получим:
W0 = ISH(cosα1+ cosα2)= ISH(cosα1+sinα1)
(4.4).
Система будет формироваться таким образом, чтобы обеспечить минимум
энергии W0. Исследуем уравнение (4.4) и найдем его экстремумы, т.е. решим
следующее уравнение:
dW0/dα = 0
(4.5).
Решением этого уравнения будет выражение:
sinα1 = cosα1
(4.6).
Следовательно,
α1 = α2 = 45°
(4.7).
Таким образом, под действием магнитного поля выгоднее формирование такой
двойниковой структуры, в которой углы между направлением внешнего магнитного
поля и магнитным моментом домена будет одинаковы и равны 450. При этом,
плоскость двойникования будет перпендикулярна направлению внешнего магнитного
поля. В представленных экспериментальных результатах (рисунки 8 и 9) мы видим,
что в условиях магнитного поля наиболее вероятно формирование двойников, у
которых плоскость двойникования составляет с направлением магнитного поля угол
близкий к 90°. Однако строго она может не выполняться, поскольку плоскость
двойникования может иметь различную ориентацию. На оптическом изображении
микроструктуры видно только линию выхода этой плоскости на исследуемую
поверхность образца. Анализ всего объема проведенных аналогичных исследований
на данном материале показывает, что если в зерне присутствует несколько групп
двойников с различной ориентацией, то в условиях магнитного поля формируется та
группа, у которой ориентация двойниковой границы составляет больший угол
относительно направления внешнего магнитного поля.
В пятой главе представлены результаты исследования термического
расширения сплава Ni2,08Mn0,96Ga0,96 в исходном литом и отожженном состояниях.
Кривые термического расширения, записанные при охлаждении, образцов в исходном
состоянии, вырезанных в направлении N1 и N2 представлены на рисунках 11 (а) и (б),
соответственно. Как видно из рисунков, в аустенитной и мартенситной фазах
происходит линейное сокращение длины образцов. А в интервале температур
фазового превращения происходит скачкообразное изменение их длины. При этом
длина образца, вырезанного в направлении N1, в результате мартенситного
превращения скачкообразно сокращается на 0,35%. Образец, вырезанный в
направлении N2, наоборот удлиняется на 0,35%.
В главе 4 было показано, что в структуре мартенсита первого образца
большинство двойниковых ориентированы поперек длиной его оси, в структуре
14
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
-0.1
-0.2
-0.3
∆l/l, %
∆l/l, %
второго – вдоль (см. рисунки 4 и 5). Таким образом, если в структуре мартенситной
фазы формируются двойники с преимущественной ориентацией, то в процессе
прямого мартенситного превращения он испытывает скачкообразное изменение
длины.
230 250 270 290 310 330 350 T, K
б)
Рисунок – 11 Термическое расширение сплава в исходном литом состоянии,
записанное при охлаждении образца. а) – измерение вдоль направления N1 слитка
сплава, б) – измерение вдоль направления N2 слитка сплава
а)
230 250 270 290 310 330 350 T, K
Так же в главе 4 показано, что отжиг сплава приводит тому, что в структуре
мартенсита наблюдается хаотическое распределение ориентации двойников. Запись
кривой термического расширения образцов после отжига показывает, что характер
обоих кривых одинаковый. Он имеет вид, представленный на рисунке 13(а). В
отличие от образцов в исходном состоянии, в области мартенситного превращения
скачкообразное изменение длины уже не наблюдается. Во всем интервале охлаждения
происходит только линейное сокращение длины образца. Таким образом, если в
процессе мартенситного превращения формируется двойниковая структура с
хаотическим распределением двойников, то в процессе фазового превращения
скачкообразное изменение длины образца не происходит.
Исследование влияния магнитного поля на термическое расширение образца в
исходном состоянии проводилось на образце, вырезанном в направлении N1. Как и в
предыдущих случаях, измерение термического расширения проводилось вдоль
длинной стороны образца. В первой серии экспериментов магнитное поле
прикладывалось вдоль направления измерения термического расширения (вдоль
длинной стороны образца). Соответствующие кривые, записанные при охлаждении
образца в магнитном поле различной напряженности, представлены на рисунке 12(а).
Отличие кривых наблюдается только в области мартенситного превращения. С ростом
напряженности прикладываемого магнитного поля в результате фазового
превращения длина образца сокращается на все большую величину. Зависимость
величины скачкообразного сокращения длины образца от напряженности
приложенного магнитного поля представлена в виде таблицы на том же рисунке в
нижнем правом углу. Отрицательное значение относительного изменения длины
образца означает, что в процессе мартенситного превращения он сокращается. В
магнитном поле максимальной напряженности, а именно 520 кА/м, длина образца в
результате мартенситного превращения сокращается на 0,75%. Общий вклад
магнитного поля такой напряженности в изменение длины образца в процессе
мартенситного превращения составляет –0,40%.
15
∆l/l, %
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.4
а)
H, кА/м ∆l/l, %
0
-0.35
110
-0.50
260
-0.60
520
-0.75
1
2
3
220
∆l/l, %
Во второй серии экспериментов магнитное поле прикладывалось
перпендикулярно направлению измерения термического расширения, следовательно,
и перпендикулярно оси образца. Соответствующие результаты представлены на
рисунке 12(б).
4
240
260
280
300
T, K
б)
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
5
H, кА/м ∆l/l, %
0
-0.35
140
-0.25
280
0.00
340
0.10
620
0.45
4
3
2
1
220
240
260
280
300
T, K
Рисунок – 12 Термическое расширение сплава в исходном литом состоянии, записанное
при охлаждении образца в магнитном поле различной напряженности.
(а): 1–Н=0, 2–Н=110 кА/м, 3–Н=260 кА/м, 4–Н=520 кА/м (Н || Δl/l)
(б): 1–Н=0, 2–Н=140 кА/м, 3–Н=280 кА/м, 4–Н=340 кА/м, 5–Н=620 кА/м (Н  Δl/l)
Как и в предыдущем случае, отличие в характере кривых наблюдается только в
процессе мартенситного превращения. В процессе прямого мартенситного
превращения с ростом напряженности прикладываемого магнитного поля величина
скачкообразного сокращения длины образца уменьшается, а, начиная с некоторого
значения напряженности поля, сокращение сменяется на скачкообразное удлинение
образца. Зависимость величины скачкообразного изменения длины образца от
напряженности приложенного магнитного поля представлены в виде таблицы на том
же рисунке в нижнем правом углу. Положительное значение указывает на то, что
длина образца увеличивается. Общий вклад магнитного поля напряженностью 620
кА/м оставляет 0,80%.
Как упоминалось выше, в отожженном образце с хаотическим распределением
двойников в структуре мартенсита скачкообразное изменение длины образца в
процессе фазового превращения отсутствует. Запись кривой термического
расширения отожженного образца в магнитном поле напряженностью 640 кА/м,
приложенном вдоль направления измерения, и, следовательно, вдоль длинной
стороны образца, показывает, что в процессе прямого мартенситного превращения
происходит скачкообразное сокращение длины образца на 0,15% (рисунок 13(б)).
Влияние магнитного поля на длину образца в процессе мартенситного превращения
объясняется следующим. В предыдущей главе с помощью теоретических
рассуждений показано, что в магнитном поле энергетически выгодно формирование
такой двойниковой структуры, в которой плоскость двойникования перпендикулярна
направлению прикладываемого внешнего поля. Кроме того известно, что в процессе
мартенситного превращения элементарная ячейка кубической решетки сжимается
вдоль оси c (которая так же является осью легкого намагничения) и расширяется вдоль
других осей a и b, которые для тетрагональной ячейки равны. При таком перестроении
решетки кристалл будет расширяться вдоль плоскости двойникования, и сжиматься
перпендикулярно этой плоскости.
16
∆l/l, %
Таким образом, с увеличением напряженности прикладываемого поля все
больше
плоскостей
двойникования ориентируются
1.0
благоприятно
направлению
0.8
внешнего магнитного поля, и
0.6
образец сокращается вдоль линий
0.4
напряженности магнитного поля
и удлиняется перпендикулярно
а
0.2
направлению поля. Отметим, что
б
0.0
магнитное поле напряженностью
-0.2
до 640 кА/м оказывает влияние
220
240
260
280
300 T, K на ход кривой термического
расширения только в процессе
Рисунок – 13 Термическое расширение сплава
структурного
фазового
после отжига при 650°С (5 часов), записанное
превращения. На геометрические
при охлаждении образца.
размеры образца, находящегося в
a) – Н=0, б) – Н=640 кА/м (Н || Δl/l)
низкотемпературной
фазе,
включение и выключение магнитного поля такой напряженности не оказывает
заметного влияния.
Общие выводы
1. Исследованы магнитные, структурные, дилатометрические свойства
поликристаллического сплава Ni2,08Mn0,96Ga0,96, относящегося к сплавам с памятью
формы. Установлено, что в сплаве в области низких температур наблюдаются
мартенситное и магнитное фазовое превращения с точками фазовых превращений,
которые имеют следующие значения: Ms=294 K (21°С); Mf=267 K (- 6°С); As=287 K
(14°С); Af=304 K (31°С); Tc=375 K (102°С). Аустенит имеет кубическую симметрию с
параметрами решетки a=b=c=0,5814 нм. В процессе мартенситного превращения она
трансформируется в решетку с тетрагональной симметрией с параметрами a=b=0,4185
нм, с=0,5589 нм.
2. Созданы две экспериментальные установки. Для исследования
микроструктуры материала в условиях переменного теплового и магнитного полей
создана приставка к оптическому микроскопу, которая позволяет проводить
исследование микроструктуры образца в интервале температур от –40°С до +80°С в
условиях магнитного поля напряженностью до 600 кА/м. Для исследования
термического расширения материала в температурном интервале от –170°С до +150°С
в условиях магнитного поля напряженностью до 640 кА/м создан дилатометр. С
помощью этих установок проведено исследование влияния магнитного поля на
двойниковую структуру мартенсита и геометрические размеры поликристаллического
сплава Ni2,08Mn0,96Ga0,96 в области температур мартенситного превращения.
3. В исследуемом поликристаллическом сплаве Ni2,08Mn0,96Ga0,96 показана
взаимосвязь
формирования
в
процессе
мартенситного
превращения
преимущественной ориентации двойников и анизотропии скачкообразного изменения
геометрических размеров образца в течение этого фазового превращения. Показано,
17
что в структуре мартенсита большинство плоскостей двойникования ориентировано
параллельно направлению N2 слитка сплава. В результате прямого мартенситного
превращения образец, вырезанный длинной стороной в направлении N1,
скачкообразно сокращается на 0,35%, а образец, вырезанный длинной стороной в
направлении N2, скачкообразно удлиняется на 0,35%. Отжиг сплава при температуре
650°С в течение 5 часов и последующее медленное охлаждение в печи приводят к
тому, что в сплаве в результате мартенситного превращения преимущественная
ориентация двойников не наблюдается. Такой образец в процессе мартенситного
превращения не испытывает скачкообразного изменения геометрических размеров.
4. Результаты исследования кристаллографической текстуры сплава
Ni2,08Mn0,96Ga0,96 в исходном состоянии с использованием методики EBSD анализа
показывают, что аустенитная фаза сплава обладает аксиальной текстурой роста типа
(100)<001> в направлении N3 слитка. Мартенситная фаза сплава обладает
двухкомпонентной текстурой: (001)<001> и (110)<110> в направлении оси N3. Отжиг
при температуре 650°С в течение 5 часов и последующее медленное охлаждение в
печи не приводят к качественному изменению кристаллографической текстуры
аустенитной и мартенситной фаз сплава.
5. Показано, что магнитное поле напряженностью до 600 кА/м оказывает
влияние на двойниковую структуру мартенситной фазы только в процессе прямого
мартенситного превращения. На сформированную двойниковую структуру магнитное
поле такой напряженности не оказывает существенного влияния. Расчеты
показывают, что энергетически выгодно формирование в магнитном поле такой
двойниковой структуры, в которой плоскость двойникования перпендикулярна
линиям напряженности внешнего магнитного поля.
6. Влияние магнитного поля напряженностью до 640 кА/м на геометрические
размеры образца сплава в исходном и отожженном состоянии происходит только в
процессе мартенситного превращения. На геометрические размеры образца
находящегося в мартенситной фазе магнитное поле такой напряженности не
оказывает существенного влияния. В случае сплава в исходном состоянии,
приложение магнитного поля напряженностью 520 кА/м вдоль направления
измерения термического расширения приводят к тому, что в процессе прямого
мартенситного превращения величина деформации образца, вызванной этим
превращением увеличивается с –0,35% до –0,75%. В случае, когда поле
напряженностью 620 кА/м прикладывается перпендикулярно – она меняет знак и
имеет величину 0,45%. Отжиг сплава при температуре 650°С приводит к
значительному снижению величин магнитодеформации.
Основное содержание работы опубликовано в следующих работах:
Статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК:
1. Мулюков, Х.Я. Влияние магнитного поля на термическое расширение
сплава Ni2,08Mn0,96Ga0,96 / Х.Я. Мулюков, И.И. Мусабиров // ЖТФ. – 2008. – Т. 78. – №
6. – С. 129-130.
18
2. Мусабиров, И.И. Влияние напряженности и направления магнитного поля
на термическое расширение сплава Ni2,08Mn0,96Ga0,96 / И.И. Мусабиров, Х.Я. Мулюков
// Перспективные материалы. – 2009. – Спец. вып. № 7. – С. 224-227.
3. Мусабиров, И.И. Термическое расширение сплава Ni2,08Mn0,96Ga0,96 / И.И.
Мусабиров, Х.Я. Мулюков, В.В. Коледов, В.Г. Шавров // ЖТФ. – 2011. – Т. 81, Вып. 3.
– С. 108-111.
4. Мулюков, Х.Я. Влияние магнитного поля на формирование морфологии и
тонкой структуры низкотемпературной мартенситной фазы в ферромагнитном сплаве
Ni2,08Mn0,96Ga0,96 / Мулюков Х.Я., Мусабиров И.И., Мулюков Р.Р., Коледов В.В.,
Шавров В.Г., Пушин В.Г. // ФММ. – 2011. – Т. 112. – № 5. – С. 514-520.
5. Мусабиров, И.И. Исследование текстуры слитка поликристаллического
сплава системы Ni2MnGa / Мусабиров И.И., Мулюков Х.Я., Сафаров И.М. // Письма о
Материалах. – 2012. –Т. 2. ВЫП. 3. – С. 157-160.
6. Мусабиров И.И. Анализ структуры сплава Ni2MnGa методом регистрации
обратно-отраженных электронов // Письма о Материалах. – 2013. –Т. 3. ВЫП. 1. – С.
20-24.
Прочие публикации:
7. Mulyukov, K.Y. Influence of magnetic field intensity on the temperature
dependence of magnetization of Ni2.08Mn0.96Ga0.96 alloy / K.Y. Mulyukov, I.I. Musabirov //
JEMAA. – 2010. – V. 2. – N. 7. – P. 431-435.
8. Мусабиров, И.И. Влияние магнитного поля на термическое расширение
образцов сплава Ni2.08Mn0.96Ga0.96, вырезанных во взаимно перпендикулярных
направлениях / Мусабиров И.И., Бабичева Р.И., Мулюков Х. Я., Шарипов И.З. //
Сборник трудов XIX Петербургских чтений по проблемам прочности. – СанктПетербург. – 2010. – Ч. 2. – С. 259-260.
9. Мусабиров, И.И. EBSD анализ структуры низкотемпературной фазы сплава
системы Ni2MnGa / И.И. Мусабиров // 8 Всероссийская зимняя школа-семинар
аспирантов, студентов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники»:
сборник трудов, т. III. Управление в социально-экономических системах.
Естественные науки, 19-20 февраля 2013 г. / УГАТУ. – Уфа, 2013. – С. 250-254.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
2 723 Кб
Теги
поликристаллических, магнитные, структура, сплави, ymn1, xga1, система, свойства, дилатометрические, ni2
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа