Structure and properties of Ni47Mn42In11 alloy AFTER THERMOCYCLIC TREATMENT

Yu. V Kaletina; Калетина Ю. В; E. D Efimova; Ефимова Е. Д; E. G Gerasimov; Герасимов Е. Г; A. Yu Kaletin; Калетин А. Ю; E. A Fokina; Фокина Е. А

doi:10.15593/2224-9877/2016.3.02

Structure and properties of Ni47Mn42In11 alloy AFTER THERMOCYCLIC TREATMENT

Authors: Kaletina Y.V¹, Efimova E.D¹, Gerasimov E.G¹, Kaletin A.Y.¹, Fokina E.A¹
Affiliations:
1. M.N. Miheev Institute of Metal Physics
Issue: Vol 18, No 3 (2016)
Pages: 30-40
Section: ARTICLES
URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mm/article/view/3150
DOI: https://doi.org/10.15593/2224-9877/2016.3.02
Cite item

Abstract
Full Text
About the authors
References
Statistics

Abstract

The influence of different regimes of thermal cycling on the structure, microhardness and magnetic properties of the ternary Heusler alloy based on Ni-Mn-In was studied. The microstructure of Ni47Mn42In11 alloy was investigated in the annealed condition and after thermal cycling by optical metallography and scanning electron microscopy. Magnetic and structural transition (martensite) transformations were observed in the alloy during cooling. Martensite transformation was accompanied by the change in the crystal lattice and microstructure. The structure of the investigated alloy after annealing was biphasic consisting of a high-temperature L 21 phase and martensite crystals. After annealing the alloy has a polycrystalline state with a predominantly smooth boundaries of initial coarse grains. Thermocyclic treatment was performed after annealing in different regimes. The heating temperature was varied in the single-phase region of existence of L 21 phase (from 363 to 473 K), cooling temperature was varied in low temperatures (233-77 K) and the number of heating-cooling cycles was varied (up to 30). As a result of structural studies it was found that after thermal cycling there are changes in the structure, in some cases the shape of the grain boundaries were changed, distorted jagged grain boundaries were appeared. It was shown that after thermal cycling with increasing number of cycles of heating and cooling rate microhardness was increased as compared with the value of microhardness in the annealed condition. Temperature dependences of the amplitude magnetic susceptibility on cooling and heating were measured after annealing and after subsequent thermal cycling. It was shown that multiple thermocyclic treatment does not cause a significant change in the magnetic susceptibility of the studied alloy.

Keywords

ferromagnetic alloys, martensite, austenite, martensite transformation, grain boundaries, structure, magnetic transition, thermocyclic treatment, magnetic susceptibility, microhardness.

Full Text

Новые сплавы Гейслера на основе тройных систем Ni-Mn-Z (Z = In, Sn, Sb) обладают рядом эффектов (памяти формы, магнетокалорическим, магнетосопротивлением и др.), которые делают их перспективными материалами для применения в различных устройствах современной техники. В сплавах Ni-Mn-Z стехиометрического состава при изменении температуры наблюдается только магнитный фазовый переход. В сплавах нестехиометрических составов изменение температуры или концентрации легирующих элементов приводит к более сложной последовательности фазовых переходов, которая включает в себя как магнитные, так и структурные (мартенситные) фазовые переходы [1, 2]. Разного рода внешние воздействия: температура, магнитное поле, давление оказывают влияние на мартенситное превращение и свойства ферромагнитных сплавов [3-8]. В работах [9-11] нами было показано существенное влияние внешнего магнитного поля на смещение температуры мартенситного превращения в сплавах Ni-Mn-In при замещении атомов никеля атомами марганца. Ферромагнитные сплавы в технологических устройствах часто подвергаются знакопеременным термическим воздействиям, поэтому целью настоящей работы являлось исследование влияния термоциклической обработки на структуру и свойства нестехиометрических сплавов Гейслера на основе системы Ni-Mn-In. Исследовали трехкомпонентный сплав Ni47Mn42In11, выплавленный методом электродуговой плавки в атмосфере аргона. После выплавки проводили гомогенизирующий отжиг при температуре 1123 К в течение 24 ч с последующим охлаждением с печью, затем вырезали образцы для термообработки. После отжига образцы подвергали разным вариантам термоциклической обработки. Часть образцов нагревали до Т = 473 К, выдержка 10 мин, затем охлаждали до температуры жидкого азота (Т = 77 К) с выдержкой в течение 30 мин. Количество циклов нагрев-охлаждение варьировалось от 1 до 20. Другую часть образцов нагревали на Т = 363 К с выдержкой 10 мин, после чего часть образцов охлаждали до Т = 233 К с выдержкой 10 мин. Часть образцов после отжига и нагрева до Т = 363 К охлаждали до температуры жидкого азота (Т = 77 К) с выдержкой 5 мин. Количество циклов нагрев (на 363 К) - охлаждение варьировалось в этом случае от 1 до 30 (для каждого варианта обработки). После термообработки исследовали структуру, измеряли микротвердость и проводили магнитные измерения. Структурные исследования выполнены на оптическом микроскопе Neophot-30 на шлифах после травления. Электронно-микроскопические исследования проводили на сканирующем электронном микроскопе Quanta-200 с локальным микрорентгеноспектральным анализом. Измерения микротвердости осуществляли на приборе ПМТ-3 при нагрузке 0,5 Н. Измерения амплитудной магнитной восприимчивости cас проводили в диапазоне температур 78-350 К в переменном магнитном поле, изменяющемся с частотой 80 Гц и амплитудой 8 Э. Исследуемый сплав при температурах выше 350 К имеет кубическую кристаллическую решетку типа L21 [12-14]. После отжига при 1123 К и последующего охлаждения до комнатной температуры микроструктура поликристаллическая, как правило, с ровными границами исходных крупных зерен. При охлаждении в сплаве наблюдается магнитный переход высокотемпературной L21-фазы из парамагнитного в ферромагнитное состояние, температура перехода не зависит от состава сплава [1, 15]. Были измерены температурные зависимости амплитудной магнитной восприимчивости cас(Т) при охлаждении и нагреве, представленные на рис. 1. При охлаждении сплава от 350 К на зависимости cас(Т) наблюдается резкое увеличение магнитной восприимчивости, соответствующее температуре Кюри аустенита ТСа » 310 К. При дальнейшем охлаждении наблюдается мартенситное превращение при температуре Тм, сопровождающееся резким снижением значения магнитной восприимчивости и существованием температурного гистерезиса. Мартенситное превращение сопровождается изменением кристаллической решетки и микроструктуры. Затем в области более низких температур при критической температуре ТСм на зависимости cас(Т) наблюдается аномалия, связанная с изменением магнитного состояния мартенсита. Рис. 1. Температурные зависимости магнитной восприимчивости (cас) для исследованного сплава Ni47Mn42In11, измеренные при охлаждении () и нагреве (®) Наши исследования показали, что температуры магнитного перехода в аустените (ТСа) и мартенсите (ТСм) практически не зависят от соотношения никеля и марганца, в то время как температура мартенситного превращения Тм повышается с ростом концентрации никеля в сплавах [15]. В исследуемом сплаве Ni47Mn42In11 температура Кюри аустенита близка к температуре мартенситной точки и к комнатной температуре. После отжига сплав имеет двухфазную структуру (рис. 2). На фоне высокотемпературной L21-фазы хорошо видны мартенситные кристаллы. Как правило, кристаллы мартенсита представляют собой пластины с плоскими границами разделов, которые располагаются чаще всего параллельно друг другу. Ширина мартенситных пластин варьируется от 300 нм до 2,0-2,7 мкм. Области, состоящие из таких параллельных пластинок, образуют своеобразные пакеты, ширина которых от 80 до 150 мкм. Отдельные пакеты разориентированы относительно друг друга на угол 60 или 120° (см. рис. 2). Также в структуре присутствуют кристаллы мартенсита клиновидной формы, что отчетливо видно на рис. 2, б. Отметим, что границы исходных зерен после отжига ровные и четкие. а б Рис. 2. Микроструктура сплава Ni47Mn42In11 после отжига После термоциклической обработки в сплаве Ni47Mn42In11 в результате многократных мартенситных превращений возрастает уровень напряжений. Это приводит к деформации границ, они приобретают зубчатую форму (рис. 3). В отдельных случаях образуются трещины, что вызывает охрупчивание сплава. Зубчатая форма границ хорошо выявляется при металлографическом исследовании (см. рис. 3, а, в) и исследовании поверхности шлифов в сканирующем микроскопе (см. рис. 3, б, г). Видно, что мартенситные кристаллы (разной формы - клиновидные и пластинчатые) либо растут от границы зерна, либо при своем росте упираются в границы и деформируют их. Микротвердость была измерена после отжига и термоциклической обработки. После отжига уровень микротвердости сплавов составил 3200-3300 МРа. После термоциклической обработки твердость сплава повышается до 4000-4600 МРа. Заметим, что разные варианты термоциклирования (рис. 4), не приводят к большим различиям в значениях уровня микротвердости. Однако с ростом числа циклов нагрева и охлаждения до температуры 77 К микротвердость повышается в большей степени. Так, например, после 20 циклов она составила 4600 МРа, в то время как после 20 циклов с охлаждением до Т = = 233 К - 4300 МРа. По-видимому, наблюдаемое повышение микротвердости при термоциклировании может быть связано с фазовым наклепом при многократном прямом и обратном мартенситном превращении. а б в г Рис. 3. Микроструктура сплава Ni47Mn42In11 после отжига и термоциклической обработки по режимам: а, б - нагрев до Т = 363 К (10 мин), охлаждение до Т = 233 К (10 мин) - 30 циклов; в, г - нагрев до Т = 363 К (5 мин), охлаждение до Т = 77 К (5 мин) - 30 и 20 циклов соответственно Рис. 4. Микротвердость сплава Ni47Mn42In11 после термоциклирования по разным режимам: 1 - нагрев до Т = 363 К (10 мин), охлаждение до Т = 233 К (10 мин); 2 - нагрев до Т = 363 К (5 мин), охлаждение до Т = 77 К (5 мин) Были измерены температурные зависимости амплитудной магнитной восприимчивости после 20 циклов нагрева до Т = 473 К и охлаждения до Т = 77 К. Термоциклическая обработка не привела к изменению уровня магнитной восприимчивости сплава. Сдвиг аномальных изменений магнитной восприимчивости по шкале температур составляет не более 1-3 К. Таким образом, исследование структуры, микротвердости и намагниченности после термоциклической обработки показало, что многократные циклы нагрева (в область существования парамагнитной L21-фазы) и охлаждения (до низких температур) влияют на структуру и свойства тройного сплава Ni47Mn42In11. Установлено, что с увеличением числа циклов нагрева и охлаждения уровень микротвердости сплава Ni47Mn42In11 повышается на 30-40 % по сравнению с отожженным состоянием. После термоциклической обработки наблюдали деформированные зубчатые границы зерен. Уровень намагниченности исследованного сплава после термоциклической обработки практически не изменяется.

About the authors