MICROSTRUCTURE and PROPERTIES of ALLOYS with SHAPE MEMORY EFFECTS BASED on NI-Mn INTERMETALLIDE DOPED with Ti, Al, Ga and Fe

Abstract


In this work, systematic studies of thermoelastic martensitic transformations (TMTs) and atomic ordering, as well as magnetic phase transformations and properties of alloys of 4 quasi-binary systems based on Ni50Mn50- x Ti x ( x = 0…25), Ni50Mn50- y Al y ( y = 0…25), Ni50Mn50- z Ga z ( z = 0…25) and Ni50Mn50-αFeα (α = 0…25), Ni50-βMn50Feβ (β = 0…25) after heat treatment and deformation by high pressure torsion (HPT) were carried out. The methods of measurements of electrical resistance, microhardness, X-ray diffraction, transmission and scanning electron microscopy (TEM and SEM) were used. The temperatures of the TMTs, the phase composition and structure of the alloys, the structural types of thermoelastic martensite, the physical and mechanical properties, and the dependence on the chemical composition of all investigated alloys were established. The temperature-concentration regularities of the existence of these phases were determined. The critical temperatures of forward and reverse phase transitions in the alloys under study were measured by resistometry and magnetometry. It was found that doping with the third component (Ti, Al, Ga, or Fe) lowers the critical temperatures of the TMTs, shape memory effects (SMEs), and pseudoelasticity (PE) compared to the binary intermetallic NiMn. The phase diagrams were constructed. The purpose of this work is a comprehensive study of the crystal structure characteristics, phase transformations and properties of alloys based on the Ni-Mn system, binary and ternary quasi-binary doped Al, Ti, Ga, Fe, the construction of their phase diagrams.

Full Text

Имеется большое количество публикаций, посвященных исследованиям мартенситных превращений [1-36], в том числе в сплавах на основе Ni-Mn, как в бинарных, так и легированных третьими компонентами [1-10, 12-14, 18-21, 23-29, 32-35]. Авторами работы ранее были исследованы различными методами сплавы следующих квазибинарных составов: Ni50Mn50-xTix (x = 0…25), Ni50Mn50-yAly (y = 0…25), Ni50Mn50-zGaz (z = 0…25). Определены значения температуры фазовых переходов, установлен фазовый состав, изучена микроструктура и построены диаграммы фазовых превращений [24-28, 32-34]. Однако для установления более полных закономерностей и особенностей микроструктуры, свойств и фазовых переходов в сплавах на основе интерметаллида Ni-Mn, которые могут служить аналогами никелида титана как сплава с эффектами памяти формы (ЭПФ), требуется варьировать различные характеристики данных сплавов. Одним из эффективных решений является использование легирующих элементов. В данном случае были выбраны трехкомпонентные сплавы квазибинарных разрезов систем Ni50Mn50-αFeα (α = 0…25) и Ni50-βMn50Feβ (β = 0…25). Основанием для такого выбора послужили диаграммы фазовых равновесий, представленные на рис. 1, из которых следует, что данные сплавы испытывают фазовый переход γ (ГЦК) ↔ η’’ (L10) с параметрами решетки, близкими a = 0,3731, c = 0,3632 нм [12], и магнитное превращение (см. рис. 1, б) [13]. а б Рис. 1. Расчетная диаграмма Ni-Mn-Fe в проекции изотермического сечения 450 °С (а) и диаграмма магнитных переходов (б) [13]. Значения осей на диаграммах указаны в ат. % Из литературных данных также известно, что при легировании NiMn железом понижаются значения температуры термоупругих мартенситных превращений (ТМП) при замещении как марганца, так и никеля (табл. 1) [14, 23]. Для сплавов систем Ni-Mn-Ti, Ni-Mn-Al, Ni-Mn-Ga авторами ранее построены диаграммы ТМП [24-28, 32-34]. Таблица 1 Зависимость значений температуры ТМП сплавов от химического и фазового состава Сплав e/a Ms Mf As Af Ni50Mn50 8,50 970 920 970 1020 Ni50Mn40Fe10 8,60 842 789 921 947 Ni40Mn50Fe10 8,30 874 835 931 966 По данным структурных исследований сплавы с Al и Ga испытывают каскадные ТМП B2→2M(L10)→10М→14М; сплавы, легированные Ti, - B2→2M(L10)→10М, в зависимости от содержания третьего элемента, а сплавы, легированные Fe, - единственное ТМП с образованием 2M(L10) мартенсита [14, 23]. Установлено, что структура всех мартенситных фаз отличается пакетной морфологией. Результаты измерений микротвердости HV сплавов с Al приведены в табл. 2. Отмечается вначале снижение HV, а затем некоторый рост, коррелирующие с изменением типа структуры мартенсита. В аустенитных сплавах с 24 и 25 ат. % Al тип сверхструктуры изменяется от B2 к L21 и микротвердость вновь несколько снижается. В табл. 2 представлена зависимость величины модуля упругости мартенсита и L21-аустенита от химического состава сплавов системы Ni-Mn-Al: с увеличением содержания Al, т.е. при понижении значений температуры ТМП, модуль упругости уменьшается. Таблица 2 Зависимость микротвердости и модуля упругости от химического и фазового состава x, ат. % Al 0 10 18 20 22 25 Тип структуры 2M 2M 2M 14M 10M L21 HV, ГПа 4,30 3,52 2,90 3,79 3,79 3,10 E, ГПа 66,39 59,37 50,02 43,2 С помощью РЭМ во вторичных электронах был выполнен фрактографический анализ образцов после испытаний до разрушения. На рис. 2, a, б приведены изображения изломов образцов состава Ni50Mn45Fe5 и Ni50Mn35Fe15. Видно, что разрушение происходит как по транскристаллитному (в основном по границам зерен), так и по интеркристаллитному типу (в основном по стыкам пакетов мартенситных кристаллов внутри зерна). Это зависит от расположения пакетов мартенситных пластин относительно направления распространения трещины разрушения. Если плоскость пакета расположена вдоль трещины, то происходит хрупкое разрушение (см. рис. 2, а). Такое поведение можно объяснить концентрацией напряжений в определенных областях поликристаллического сплава, особенно вблизи границ зерен. А если трещина развивается перпендикулярно или под углом к габитусу мартенситных пластин пакета, то имеет место хрупко-вязкий характер разрушения (см. рис. 2, б). При большем увеличении на поверхности изломов можно наблюдать некоторое количество областей, характеризуемых пластинчатым рельефом. Сплавы, легированные алюминием, после отжига разрушались хрупко как в мартенситном (рис. 2, в), так и в аустенитном состоянии (рис. 2, г). Рис. 2. Фрактография сплавов: а - Ni50Mn45Fe5, б - Ni50Mn35Fe15, в - Ni50Mn32Al18, г - Ni50Mn25Al25 В преддверии ТМП кубическая аустенитная фаза высокой симметрии обычно испытывает размягчение кристаллической решетки в широком интервале значений температуры на 10-150 К выше температуры начала ТМП, что сопровождается различными аномалиями, которые нетипичны для фазы кубической сингонии [6, 9, 18]. Эти предпереходные аномалии включают появление диффузного рассеяния (тяжей и сателлитов) на дифракционных картинах, характерный твидовый контраст на изображениях, полученных методом просвечивающей электронной микроскопии (ТЭМ) (рис. 3), а также аномальное поведение акустических, упругих и других физических свойств (например, анизотропное тепловое расширение, повышенное акустическое затухание, зависимость модулей упругости) [6, 9, 18]. Для сплавов, легированных железом, после выплавки характерна дендритная структура, аустенит имеет ГЦК-структуру с параметром, близким a = 0,3635 нм (рис. 4). После термообработки (отжиг 950 °С + закалка в воду) в сплаве, легированном 5 ат. % Fe, формируется тетрагональный 2M(L10)-мартенсит с параметрами решетки a = 0,3720 нм, c = 0, 3570 нм, c/a = 0,96 (рис. 5). Сплавы, легированные Fe, подвергали деформации КВД. Установлено, что в сплавах после такой обработки при комнатной температуре образуется ультрамелкозернистый сильно фрагментированный аустенит с неупорядоченной решеткой ГЦК (А1) с параметром a = 0,3655 нм. В этом случае аустенитные сплавы в соответствии с изменениями HV будут отличаться высокими прочностью и пластичностью, особенно по сравнению с литыми сплавами - прототипами. Сплавы, легированные 15 ат. % Fe, при комнатной температуре находились в состоянии аустенита с параметром решетки, близким a = 0,3635 нм, независимо от условий внешних воздействий (рис. 6). а б в г д е Рис. 3. Изображения (а, в, д) и соответствующие микроэлектронограммы (б, г, е) сплавов: Ni50Mn25Ti25 (а, б), Ni50Mn28Al22(в, г), Ni50Mn25Ga25 (д, е) Рис. 4. Микроструктура сплава Ni50Mn45Fe5 в исходном состоянии (а), после отжига (б) и после кручения под высоким давлением 8 ГПа, 1 оборот (e = 4,66) (в) Рис. 5. Рентгеновская дифрактограмма сплава Ni50Mn45Fe5 после ТО (гомогенизирующий отжиг + закалка) Рис. 6. Рентгеновская дифрактограмма сплава Ni50Mn35Fe15 после ТО (гомогенизирующий отжиг + закалка) Заключение Таким образом, в работе выполнено сравнительное исследование интерметаллических сплавов с ТМП четырех систем квазибинарного легирования NiMn - NiMe (Me = Ti, Al, Ga, Fe), их структуры, фазовых превращений и свойств. На основании фрактографических изломов можно сделать вывод о лучших ударных свойствах вязкости сплавов с железом.

About the authors

E. S Belosludtseva

Institute of Metal Physics named after M.N. Mikheev of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

A. V Pushin

Institute of Metal Physics named after M.N. Mikheev of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences; al Federal University named after the first President of Russia B.N. Eltsin

A. E Svirid

Institute of Metal Physics named after M.N. Mikheev of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

V. G Pushin

Institute of Metal Physics named after M.N. Mikheev of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences; al Federal University named after the first President of Russia B.N. Eltsin

T. P Tolmachev

Institute of Metal Physics named after M.N. Mikheev of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

References

  1. Adachi K., Wayman C.M. Transformation behavior of nearly stoichiometric Ni-Mn alloys // Met. Trans. A. - 1985. - Vol. 16. - P. 1567-1579.
  2. Adachi K., Wayman C.M. Electron microscopic study of Q-phase martensite in Ni-Mn alloys // Met. Trans. A. - 1985. - Vol. 16. - P. 1581-1597.
  3. Потапов П.Л. Мартенситные превращения и высокотемпературный эффект памяти формы в интерметаллиде NiMn, легированном Ti // МиТОМ. - 1993. - № 9. - С. 25-29.
  4. New martensite structures and composition dependence ofmartensitic transformations in Ni50A1xMn50-x alloys / T. Inoue, S. Morito, Y. Murakami, K. Oda, K. Otsuka // Materials Let. - 1994. - Vol. 19. - P. 33-37.
  5. Потапов П.Л., Максимова О.П., Винтайкин Е.З. Фазовый состав и пластичность сплавов с эффектом памяти формы системы Ni-Mn-Ti // МиТОМ. - 1994. - № 1. - С. 31-34.
  6. Пушин В.Г., Кондратьев В.В. Предпереходные явления и мартенситные явления // ФММ. - 1994. - Т. 78, № 5. - С. 40-61.
  7. The martensitic structure and shape-memory effect in NiMn alloyed by Ti and Al / P.L. Potapov, N.A. Polyakova, V.A. Udovenko, E.L. Svistunova // Zeitschrift fur Metallkunde. - 1996. - Vol. 87, iss. 1. - P. 33-39.
  8. Kainuma R., Nakano H., Ishida K. Martensitic transformations in NiMnAl β phase alloys // Metall. and Materials Trans. A. - 1996. - Vol. 27 A. - P. 4153-4162.
  9. Пушин В.Г., Кондратьев В.В., Хачин В.Н. Предпереходные явления и мартенситные превращения / УрО РАН. - Екатеринбург, 1998. - 368 с.
  10. Ab initio calculations of structure and lattice dynamics in Ni-Mn-Al shape memory alloys / T. Büsgen, J. Feydt, R. Hassdorf, S. Thienhaus, M. Moske, M. Boese, A. Zayak, P. Entel // Phys. Rev. B. - 2004. - Vol. 70. - P. 014111-1-014111-8.
  11. Счастливцев В.М., Калетина Ю.В., Фокина Е.А. Мартенситное превращение в магнитном поле / УрО РАН. - Екатеринбург, 2007. - 486 с.
  12. Mn-Ni (Manganese-Nickel) / A. Watson, Z. Wagner, E. Lysova, E. Rokhlin // MSIT Binary Evaluation Program, in MSIT Workplace: Materials Sci. Int. Serv., GmbH, Stuttgart; Phase Diagram, Phase Relations, Crys. Struct., 13 / ed. By Effenberg, G. Ed., MSI. - 2007. - URL: www. researchgate.net (accessed 4 June 2019).
  13. Springer Materials, фазовые диаграммы: офиц. сайт. - URL: https://materials.springer.com/msi/phase-diagram/ (дата обращения: 9.04.2019).
  14. Alvares K., Kim H.Y., Miyazaki S. Effect of alloying elements on microstructure, martensitic transformation and properties of Ni-Mn based alloys // J. Mater. Sci. Technol. - 2009. - Vol. 25, no. 5. - P. 649-654.
  15. Кащенко М.П., Чащина В.Г., Вихарев С.В. Динамические модели формирования двойникованных кристаллов. I. Управляющий волновой процесс и снятие вырождения по ориентации двойниковых границ при мартенситных превращениях // ФММ. - 2010. - T. 110, № 3. - C. 212-222.
  16. Кащенко М.П., Чащина В.Г., Вихарев С.В. Динамические модели формирования двойникованных кристаллов. II. Предпереходные состояния и соотношения объемов двойниковых компонент // ФММ. - 2010. - T. 110, № 4. - C. 323-335.
  17. Кащенко М.П., Чащина В.Г. Динамическая модель сверхзвукового роста мартенситных кристаллов // УФН. - 2011. - Т. 181, № 4. - С. 345-364.
  18. Лободюк В.А., Коваль Ю.Н., Пушин В.Г. Кристаллоструктурные особенности предпереходных явлений и термоупругих мартенситных превращений в сплавах цветных металлов // ФММ. - 2011. - Т. 111, № 2. - С. 169-194.
  19. Особенности мартенситного превращения и тонкая структура интерметаллического соединения Ni50Mn50 / В.Г. Пушин, Е.С. Белослудцева, В.А. Казанцев, Н.И. Коуров // Материаловедение. - 2012. - № 11. - С. 3-10.
  20. Высокотемпературный эффект памяти формы и термоупругое мартенситное превращение B2-L10 в интерметаллическом соединении NiMn / В.Г. Пушин, Н.Н. Куранова, Е.Б. Марченкова, Е.С. Белослудцева, В.А. Казанцев, Н.И. Коуров // ЖТФ. - 2013. - Т. 83, вып. 6. - С. 104-113.
  21. Кащенко М.П., Чащина В.Г. Ключевая роль двойников превращения при сравнении результатов кристаллогеометрического и динамического анализа для тонкопластинчатого мартенсита // ФММ. - 2013. - Т. 114, № 10. - С. 894-898.
  22. Kashchenko M.P., Chashchina V.G. Formation of martensite crystals in the limiting case of a supersonic growth rate // Lett. on Materials. - 2014. - Vol. 4, no. 4. - P. 308-315.
  23. Microstructure and phase transformation behavior of Ni-Mn-Fe high-temperature shape memory alloys / W. Cuiping, L. Yuding, Ya. Shuiyuan, L. Xingjun // Materials Sci. Forum. - 2015. - Vol. 833. - P. 63-66.
  24. Влияние легирования алюминием на структуру, фазовый состав и термоупругие мартенситные превращения в тройных сплавах Ni-Mn-Al / Е.С. Белослудцева, Н.Н. Куранова, Н.И. Коуров, В.Г. Пушин, В.Ю. Стукалов, А.Н. Уксусников // ЖТФ. - 2015. - Т. 85, вып. 7. - С. 55-59.
  25. Shape memory alloys: properties, technoloies, opportunities / ed. by N. Resnina, V. Rubanic. - Plafficon, Switzerland: Trans. Tech. Publications Ltd, 2015. - 642 p.
  26. Влияние легирования титаном на структуру, фазовый состав и термоупругие мартенситные превращения в тройных сплавах Ni-Mn-Ti / Е.С. Белослудцева, Н.Н. Куранова, Н.И. Коуров, В.Г. Пушин, А.Н. Уксусников // ЖТФ. - 2015. - Т. 85, № 9. - С. 71-76.
  27. Термоупругие мартенситные превращения в тройных сплавах Ni50Mn50-zGaz / Е.С. Белослудцева, Н.Н. Куранова, Е.Б. Марченкова, А.Г. Попов, В.Г. Пушин // Письма в ЖТФ. - 2016. - Т. 42, вып. 2. - С. 37-43.
  28. Влияние легирования галлием на структуру, фазовый состав и термоупругие мартенситные превращения в тройных сплавах Ni-Mn-Ga / Е.С. Белослудцева, Н.Н. Куранова, Е.Б. Марченкова, А.Г. Попов, В.Г. Пушин // ЖТФ. - 2016. - Т. 86, вып. 4 - С. 69-75.
  29. Анализ кристаллографических закономерностей формирования структуры мартенситного пакета интерметаллидного соединения NiMn / Ю.В. Хлебникова, Л.Ю. Егорова, Д.П. Родионов, Е.С. Белослудцева, В.А. Казанцев // ЖТФ. - 2016. - Т. 86, вып. 6. - С. 89-99.
  30. Kashchenko M.P., Latypov I.F., Chashchina V.G. Correlation of velocities of the waves сontrolling the thin-plate α-martensite formation and the modulation of the transformation twin structure // Lett. on Materials. - 2017. - Vol. 7, no. 2. - P. 146-150.
  31. Kashchenko M.P., Kashchenko N.M., Chashchina V.G. Dynamic options for forming transformation twins // Materials Today: proceedings. - 2017. - Vol. 4. - P. 4605-4610.
  32. Features of thermoelastic martensitic, structure and properties in ternary B2-alloys based on NiMn-NiTi, NiMn-NiAl, NiMn-NiGa, Ni2MnGa-Ni3Ga quasi-binary systems / E.S. Belosludtseva, N.N. Kuranova, E.B. Marchenkova, V.G. Pushin // Materials Today: proceedings - 2017. - Vol. 4. - P. 4717-4721.
  33. Investigation of Intermetallic Alloys Based on Ni-Mn with Controlled Shape Memory Effect Materials / E.S. Belosludtseva, V.G. Pushin, E.B. Marchenkova, A.E. Svirid, A.V. Pushin // Research Proceedings. - 2018. - Vol. 9. - P. 14-18.
  34. Пушин В.Г., Белослудцева Е.С., Марченкова Е.Б. Многокомпонентные интерметаллические сплавы на основе Ni-Mn с термо-, механо- и магнитоуправляемыми эффектами памяти формы // ФММ. - 2018. - Т. 119, № 12. - С. 1255-1259.
  35. Особенности структуры и фазового состава тройных сплавов квазибинарного разреза NiMn-NiTi / Е.С. Белослудцева, Е.Б. Марченкова, А.В. Пушин, В.Г. Пушин, А.Э. Свирид // Известия вузов. Физика. - 2018. - Т. 61. - P. 103-108.
  36. Кащенко М.П., Кащенко Н.М., Чащина В.Г. Влияние изменения длин волн коротковолновых смещений на формирование фрагмента двойниковой структуры кристаллов α-мартенсита // ФММ. - 2018. - Т. 119, № 1. - С. 3-8.

Statistics

Views

Abstract - 64

PDF (Russian) - 31

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies