CC BY
74
УДК 538.951
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-890-893
МАРТЕНСИТНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ЭФФЕКТЫ ПАМЯТИ ФОРМЫ В СПЛАВЕ NiFeGa С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ
© С.П. Беляев1*, В.И. Николаев2*, Н.Н. Реснина1*, А.Р. Газизуллина1*, Р.Б. Тимашов2*, А.И. Аверкин2*
1) Санкт-Петербургский государственный университет, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация,
e-mail: [email protected]
2) Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация,
e-mail: [email protected]
Исследованы мартенситные превращения, эффекты памяти формы и обратимой памяти формы в монокристаллах сплава Ni55Fe18Ga27 с ориентацией [001]. Установлено, что в монокристаллах при охлаждении и нагревании реализуется L21^10(14)M мартенситное превращение. Показано, что максимальный объем сплава испытывает фазовый переход после отжига при температуре 600 °С 2 ч с медленным охлаждением с печью. Установлено, что в процессе такого отжига происходит выделение у фаза. В монокристаллах, подвергнутых оптимальной термообработке, изучены эффекты памяти формы и обратимой памяти формы при нагревании и охлаждении предварительно деформированного сплава. Показано, что при увеличении предварительной деформации вел и-чина эффекта памяти формы возрастает до насыщения при 5 % деформации. Величина эффекта обратимой памяти формы нелинейно зависит от предварительной деформации и максимум наблюдается при предварител ь-ной деформации, равной 10 %. Установлено, что при нагревании предварительно деформированных монокристаллов сплава NiFeGa наблюдается эффект стабилизации мартенсита.
Ключевые слова: сплавы с эффектом памяти формы; монокристаллы; эффект памяти формы; мартенситные превращения.
Известно, что в результате замены в составе сплава №2М^а марганца на железо сплав сохраняет способность к проявлению магнитной памяти формы и приобретает пластичность [1]. Однако величина обратимой деформации, достигаемая действием магнитного поля, оказывается незначительной [2]. Вместе с тем проведенные исследования показывают, что при разгрузке и при нагревании сплавы демонстрируют псев-
доупругость и эффект памяти формы с высокими значениями обратимых деформаций [3]. Более того, величины обратимой деформации в некоторых случаях оказываются выше, а температурный гистерезис мар-тенситного превращения меньше, чем в наиболее распространенном сплаве Тт№ с эффектом памяти формы [3]. Поэтому можно полагать, что сплавы с эффектом памяти формы на основе с составом, близким
к Ni2FeGa, могут во многих случаях стать равноценной заменой, традиционным сплавам с эффектом памяти формы на основе Тт№. На данный момент в этих материалах хорошо изученным оказывается только эффект псевдоупругости, и имеются данные об изменении деформации при охлаждении и нагревании под постоянной нагрузкой [3]. В то же время такие важные свойства, как восстановление деформации при нагревании предварительно деформированного сплава (эффект памяти формы) и самопроизвольное изменение формы при термоциклировании (эффект обратимой памяти формы), оказываются не исследованными. Поэтому целью настоящей работы явилось изучение мартенсит-ных превращений и эффектов памяти формы в сплаве
Поскольку наивысшие значения обратимой деформации при реализации эффекта памяти формы наблюдали в монокристаллах [3], то в качестве объектов исследования были выбраны монокристаллические образцы. Монокристаллы сплава Ni55Fe18Ga27 с ориентацией [001] выращивали методом Чохральского и разрезали методом электроэрозионной резки на диски диаметром 5 мм и толщиной 1 мм для структурных исследований и изучения мартенситных переходов и бруски размером 4x4x8 для механических испытаний. Образцы были подвергнуты закалке от 900 °С 20 мин. в воде и последующему изотермическом отжигу при температурах 200, 400, 600 и 750 °С в течение 2 ч. Часть образцов после выдержки в печи охлаждали погружением в воду (быстрое охлаждение), а другую часть - охлаждали вместе с печью (медленное охлаждение). Структуру монокристаллов, подвергнутых различной термообработке, изучали методом рентгеноструктурного анализа в ресурсном центре «Рентгенодифракционные методы исследования» СПбГУ с использованием дифракто-метра Braker D8 DISCOVER в CuKa излучении при температуре 25 °С. Для изучения параметров мартен-ситных переходов использовали метод дифференциальной сканирующей калориметрии. Для этого образцы помещали в калориметр "Mettler Toledo 822e" и охлаждали и нагревали в интервале температур от 140 до -100 °С со скоростью изменения температуры 10 °С/мин. Эффекты памяти формы и обратимой памяти формы изучали по следующей методике. Образцы устанавливали в испытательную машину Shimadzu 50
Т ! \ V.
200 'С
4» 'С
А 600 'С
. 750 "С
100 29, град
100 29, град
Рис. 1. Дифрактограммы образцов сплава NiFeGa, подвергнутых закалке и отжигу при различных температурах в течение 2 ч с последующим медленным (а) или быстрым (б) охлаждением. Температуры отжига указаны у кривых
т, "с 100
(а)
т, "с 100
75
Рис. 2. Зависимости температур L21^10(14)M мартенситного перехода от температуры отжига, полученные в образцах сплава №-Бе^а, подвергнутых термообработке и медленному (а) или быстрому (б) охлаждению
AG, оснащенную реверсной рамкой и криотермокаме-рой. При температуре 25 °С, при которой сплав находится в мартенситной фазе, образцы деформировали сжатием до различной предварительной деформации, величину которой варьировали от 3 до 20 %, и разгружали. Далее образцы нагревали до температуры 140 °С для того, чтобы перевести сплав в аустенитную фазу и реализовать эффект памяти формы, и затем вновь охлаждали до 25 °С, чтобы измерить величину эффекта обратимой памяти формы.
На рис. 1 представлены дифрактограммы, полученные при температуре 25 °С в образцах сплава NiFeGa, подвергнутых закалке и отжигу при различных температурах в течение 2 ч с последующим медленным (а) или быстрым (б) охлаждением. Анализ показал, что при температуре 25 °С сплав находится в мартенситной 10(14)М фазе, следовательно, в исследуемом материале при охлаждении и нагревании реализуется Ь2^10(14)М мартенситное превращение вне зависимости от температуры отжига, что хорошо согласуется с данными работы [1]. На рис. 1 видно, что изменение температуры отжига или скорости охлаждения практически не влияет на интенсивность и количество пиков на дифрактограмме за исключением пика, наблюдаемого при 29 « 82 градуса. Этот пик соответствует отражению от плоскости (211) у фазы и наблюдается только в образцах, которые после отжига охлаждали медленно (рис. 1а). Максимальная интенсивность этого пика наблюдается после отжига при температурах 600 оС. Таким образом, результаты рентгеноструктурного анализа показали, что оптимальной термообработкой для выделения у фазы является отжиг при температуре 600 оС и медленное охлаждение, что хорошо согласуется с данными [1].
На рис. 2 представлены зависимости температур Ь21^10(14)М мартенситного перехода от температуры отжига, полученные в образцах исследуемого сплава, подвергнутых термообработке и медленному (а) или быстрому (б) охлаждению. Видно, что температуры мартенситного перехода немонотонно зависят от температуры отжига. Вне зависимости от скорости охлаждения, отжиг при температуре 200 °С приводит к понижению температур фазовых переходов по сравнению с закаленным от 900 °С образцом. Увеличение температуры отжига свыше 200 °С по-разному влияет на температуры мартенситных переходов в зависимости от скорости охлаждения образцов после отжига. Если образцы после отжига охлаждали медленно (рис. 2а), то увеличение температуры до 400 °С приводит к некоторому возрастанию температур фазовых переходов. Дальнейшее увеличение температуры отжига до 600 °С не оказывает заметного влияния на параметры мартен-ситных переходов, а нагрев до температуры 750 °С при-
4-\
2-
75 100 Т, "С
0
6 £ , %
т, "с 80-
60-
(в)
£ос1, %
Рис. 3. Зависимость деформации от температуры (а), полученная при нагревании и охлаждении образца, предварительно деформированного до остаточной деформации 5 %, и зависимости величин эффекта памяти формы и обратимой памяти формы (б), а также температур эффекта памяти формы (в) от величины остаточной деформации
(а)
50
75
50
75
50
50
0
200
400
600 Т С
200
400
600 Т , С
0
2
4
0
2
4
6
водит к существенному расширению температурного интервала превращений за счет уменьшение температур Мк и Ан. Если после отжига образцы охлаждали быстро, то увеличение температуры отжига от 200 до 600 °С способствует возрастанию температур фазовых переходов, а увеличение температуры отжига до 750 °С - их снижению.
Слабая зависимость температур фазовых переходов от температуры отжига, обнаруженная в образцах, которые после отжига охлаждали медленно, связана с тем, что у фаза образуется при охлаждении, а не в процессе отжига. В то же время зависимость температур мартенситного перехода от температуры отжига в быстро охлажденных образцах, вероятно, обусловлена появлением закалочных напряжений, в результате охлаждения в воде после термообработки. Анализ величины тепла, которое выделяется при фазовых переходах, показывает, что этот параметр достигает максимума, после отжига при температуре 600 оС и медленного охлаждения. Этот режим термообработки совпадает с тем, при котором образуется максимальная объемная доля у фазы, поэтому можно заключить, что именно образование этой фазы и способствует увеличению объема сплава, испытывающего фазовые переходы. Следовательно, этот режим можно определить, как оптимальный.
Для изучения функциональных свойств, монокристаллы сплава NiFeGa подвергли оптимальной термообработке и затем использовали методику изучения эффекта памяти формы и обратимой памяти формы, описанную выше. На рис. 3а представлена типичная зависимость деформации от температуры, полученная при охлаждении и нагревании образца, предварительно деформированного на 5 %. Видно, что при нагревании деформации восстанавливается, т. е. проявляется эффект памяти формы, а при охлаждении - накапливается за счет реализации эффекта обратимой памяти формы. На рис. 3б представлены зависимости величин эффекта памяти формы и обратимой памяти формы от величи-
ны остаточной деформации. Видно, что по мере увеличения остаточной деформации, величина эффекта памяти форм возрастает до 5 % и далее не меняется, а величина эффекта обратимой памяти формы меняется немонотонно и максимум ~ 1 % наблюдается в образце с остаточной деформацией 5 % после предварительного деформирования до 10 %. На рис. 3в представлены зависимости температур проявления эффекта памяти формы - восстановления деформации при первом нагревании предварительно деформированного образца -от величины остаточной деформации. Видно, что с ростом остаточной деформации температуры мартен-ситных переходов увеличиваются, что связано с проявлением эффекта стабилизации мартенсита.
Таким образом, в работе исследованы структура, мартенситные превращения и эффекты памяти формы и обратимой памяти формы в монокристаллах [001] сплава Ni55Fe18Ga27 и установлено влияние режимов отжига на структуру и параметры мартенситных переходов, а также влияние предварительной деформации на эффекты памяти формы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Li Y., Jiang C., Liang T., Ma Y., Xu H. Martensitic transformation and magnetization of Ni-Fe-Ga ferromagnetic shape memory alloys // Scripta Mater. 2003. V. 48. P. 1255-1258.
2. Heczko O., Fahler S., Vasilchikova T.M., Voloshok T.N., Klimov K. V., Chumlyakov Yu.I., Vasiliev A.N. Thermodynamic, kinetic, and magnetic properties of a Ni54Fe19Ga27 magnetic shape-memory single crystal // Phys. Rev. B 2008. V. 77. P. 174402.
3. Chumlyakov Yu. I., Kireeva I. V., Panchenko E. Yu., Kirillov V. A., Timofeeva Е. Е., Kretinina I. V., Danil'son Yu. N., Karaman I., Maier H., Cesari E. Thermoelastic martensitic transformations in single crystals with disperse particles // Russian Physics Journal. 2012. V. 54. № 8. P. 937-950.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 16-08-00346_a).
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 538.951
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-890-893
MARTENSITIC TRANSFORMATIONS AND SHAP MEMORY EFFECTS IN NiFeGa SHAPE MEMORY ALLOY
© S.P. Belyaev1*, V.I. Nikolaev2), N.N. Resnina1*, A.R. Gazizullina1*, R.B. Timashov2*, A.I. Averkin2*
1)1 Saint Petersburg State University, Saint-Petersburg, Russian Federation, e-mail: [email protected] 2) Ioffe Institute RAS, Saint-Petersburg, Russian Federation, e-mail: [email protected]
Martensitic transformation and one-way and two-way shape memory effects are studied in [001] single crystal of Ni55Fe18Ga27 shape memory alloy. It is found that the L21^10(14)M martensitic transformation occurs in the alloy on cooling and heating. It is shown that the maximum alloy volume undergoes a phase transformation in the alloy was preliminary annealed at 600 0C for 2 hours and slowly cooled in furnace It is found that the y phase appears in the alloy during such heat treatment. One-way and two-way shape memory effects are studied on heating and cooling of preliminary deformed single crystals subjected to heat treatment. It is shown that an increase in preliminary strain leads to an rise in the value of the one-way shape memory effect
up to saturation observed at 5 % strain. The value of the two-way shape memory effect depends on a preliminary strain in non-monotonic way and the maximum is found at 10 % preliminary strain. The effect of martensite stabilization is observed on heating of the single crystals preliminary deformed in martensite state. Key words: shape memory alloys; single crystals; shape memory effect; martensitic transformations.
REFERENCES
1. Li Y., Jiang C., Liang T., Ma Y., Xu H. Martensitic transformation and magnetization of Ni-Fe-Ga ferromagnetic shape memory alloys. ScriptaMater, 2003, vol. 48, pp. 1255-1258.
2. Heczko O., Fahler S., Vasilchikova T.M., Voloshok T.N., Klimov K.V., Chumlyakov Yu.I., Vasiliev A.N. Thermodynamic, kinetic, and magnetic properties of a Ni54Fe19Ga27 magnetic shape-memory single crystal. Phys. Rev. In 2008, vol. 77, p. 174402.
3. Chumlyakov Yu. I., Kireeva I. V., Panchenko E. Yu., Kirillov V. A., Timofeeva E. E., Kretinina I. V., Danil'son Yu. N., Karaman I., Maier H., Cesari E. Thermoelastic martensitic transformations in single crystals with disperse particles. Russian Physics Journal, 2012. vol. 54, no. 8, pp. 937-950.
GRATITUDE: The work is fulfilled under financial support of Russian Fund of Fundamental Research (grant no. 16-08-00346).
Received 10 April 2016
Беляев Сергей Павлович, Санкт-Петербургский государственный университет, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник кафедры теории упругости, e-mail: [email protected]
Belyaev Sergey Pavlovich, Saint-Petersburg State University, Saint-Petersburg, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Leading Research Worker of Theory of Elasticity Department, e-mail: [email protected]
Николаев Владимир Иванович, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, зав. лабораторией физики профилированных кристаллов, e-mail: [email protected]
Nikolaev Vladimir Ivanovich, Ioffe Institute RAS, Saint-Petersburg, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Head of "Physics of Shaped Crystals" Laboratory, e-mail: [email protected]
Реснина Наталья Николаевна, Санкт-Петербургский государственный университет, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, доцент кафедры физической механики, e-mail: [email protected]
Resnina Natalya Nikolaevna, Saint-Petersburg State University, Saint-Petersburg, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Associate Professor of Physical Mechanics Department, e-mail: [email protected]
Газизуллина Айгуль Рамилевна, Санкт-Петербургский государственный университет, г. Санкт Петербург, Российская Федерация, магистр, кафедра физической механики, e-mail: [email protected]
Gazizullina Aygul Ramilevna, Saint-Petersburg State University, Saint-Petersburg, Russian Federation, Candidate for Master's Degree, Physical Mechanics Department, e-mail: [email protected]
Тимашов Роман Борисович, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация, специалист лаборатории физики профилированных кристаллов, e-mail: [email protected]
Timashov Roman Borisovich, Ioffe Institute RAS, Saint-Petersburg, Russian Federation, Specialist of "Physics of Shaped Crystals" Laboratory, e-mail: [email protected]
Аверкин Андрей Иванович, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация, аспирант, лаборатория физики профилированных кристаллов, e-mail: [email protected]
Averkin Andrey Ivanovich, Ioffe Institute RAS, Saint-Petersburg, Russian Federation, Post-graduate Student, Physics of Shaped Crystals" Laboratory, e-mail: [email protected]
