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:
- 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
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
Yu. V Kaletina
M.N. Miheev Institute of Metal Physics
Email: kaletina@imp.uran.ru
E. D Efimova
M.N. Miheev Institute of Metal Physics
Email: efimova@imp.uran.ru
E. G Gerasimov
M.N. Miheev Institute of Metal Physics
Email: gerasimov@imp.uran.ru
A. Yu Kaletin
M.N. Miheev Institute of Metal Physics
Email: akalet@imp.uran.ru
E. A Fokina
M.N. Miheev Institute of Metal Physics
Email: kaletina@imp.uran.ru
References
- Magnetic and martensitic transformations of NiMnX (X = In, Sn, Sb) ferromagnetic shape memory alloys / Y. Sutou, Y. Imano, N. Koeda, T. Omori, R. Kainuma, K. Ishida, K. Oikawa // Applied Physics Letters. - 2004. - Vol. 85, № 9. - P. 4358-4360.
- Inverse magnetocaloric effect in ferromagnetic Ni-Mn-Sn alloys / T. Krenke, E. Duman, M. Acet, E.F. Wassermann, X. Moya, L. Manosa, A. Planes // Nat. Mater. - 2005. - № 4. - Р. 450-454.
- Счастливцев В.М., Калетина Ю.В., Фокина Е.А. Мартенситное превращение в магнитном поле. - Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2007. - 322 с.
- Magnetic superelasticity and inverse magnetocaloric effect in Ni-Mn-In / Т. Krenke, E. Duman, M. Acet, E.F. Wassermann // Phys. Rev. B. - 2007. - Vol. 74. - Р. 104414.
- Magnetic-field-induced shape recovery by reverse phase transformation / R. Kainuma, Y. Imano, W. Ito, Y. Sutou, H. Morito, H. Okamato, S. Kitakami, O. Oikawa, A. Fujita, T. Kanomata // Nature. - 2006. - Vol. 439. - P. 957-960.
- Large reversible entropy change at the inverse magnetocaloric effect in Ni-Co-Mn-Ga-In magnetic shape memory alloys / B. Emre, S. Yuce, E. Stern-Taulats, A. Planes, S. Fabbrici, F. Albertini, L. Manosa // J. Appl. Phys. - 2013. - Vol. 113. - P. 213905.
- Giant magnetocaloric effect driven by structural transitions / J. Liu, T. Gottschall, K.P. Skokov, J.D. Moore, O. Gutfleisch // Nat. Mater. - 2012. - Vol. 11. - P. 620-626.
- Khan M., Naushad A., Stadler S. Inverse magnetocaloric effect in ferromagnetic Ni50Mn37+xSb13-x Heusler alloys // J. Appl. Phys. - 2007. - Vol. 101. - Р. 053919.
- Мартенситные и магнитные превращения в сплавах системы Ni-Mn-In / В.М. Счастливцев, Ю.В. Калетина, Е.А. Фокина, В.А. Казанцев // ФММ. - 2011. - Т. 112, № 1. - С. 64-74.
- Фазовые превращения в сплавах на основе Ni-Mn-In под влиянием магнитного поля / Ю.В. Калетина, В.М. Счастливцев, А.В. Королев, Е.А. Фокина // ФММ. - 2012. - Т. 113, № 11. - С. 1086-1092.
- Индуцированные магнитным полем мартенситные превращения в сплавах Ni47-xMn42+xIn11 (0 ≤ x ≤ 2) / Ю.В. Калетина, Е.Г. Герасимов, В.М. Счастливцев, Е.А. Фокина, П.Б. Терентьев // ФММ. - 2013. - Т. 114, вып. 10. - С. 911-918.
- Варлимонт Х., Дилей Л. Мартенситные превращения в сплавах на основе меди, серебра и золота: пер. с англ. - М.: Наука, 1980. - 208 с.
- Ферромагнетики с памятью формы / А.Н. Васильев, В.Д. Бучельников, Т. Такаги, В.В. Ховайло, Э.И. Эстрин // УФН. - 2003. - Т. 173, № 6. - С. 577-608.
- Planes A., Manosa L., Acet M. Magnetocaloric effect and its relation to shape-memory properties in ferromagnetic Heusler alloys // J. Phys.: Condens. Matter. - 2009. - Vol. 21. - Р. 233201-233229.
- Калетина Ю.В., Герасимов Е.Г. Мартенситные превращения и магнитные свойства нестехиометрических сплавов системы Ni-Mn-In // ФТТ. - 2014. - Т. 56, вып. 8. - С. 1583-1588.
Statistics
Views
Abstract - 41
PDF (Russian) - 19
Refbacks
- There are currently no refbacks.