Интенсивная пластическая деформация НЕСТЕХИОМЕТРИЧЕСКОГО сплава гейслера на основе Ni-Mn-In

Аннотация


Проведено исследование сплава Гейслера на основе Ni-Mn-In нестехиометрического состава, в котором реализуется магнитный и структурный фазовые переходы в районе комнатной температуры. Исследовано влияние интенсивной пластической деформации при криогенных температурах на микрокристаллическую структуру, характер излома, микротвердость сплава Гейслера Ni47Mn42In11. Отожженный сплав был подвергнут деформации методом кручения под высоким давлением. Пластическую деформацию осуществляли в наковальнях Бриджмена под давлением 8 ГПа при температуре 77 К. Сдвиг под давлением проводили при вращении нижней наковальни со скоростью w = 0,3 об/мин, угол поворота φ варьировали от 0 до 5 об. Методами оптической и электронной микроскопии была изучена структура сплава после деформации. С помощью сканирующей электронной микроскопии были выявлены особенности поверхности изломов в исходном состоянии и после деформационных воздействий различной интенсивности. Структура отожженного сплава при комнатной температуре поликристаллическая двухфазная, состоящая из высокотемпературной L 21-фазы и мартенситных кристаллов, средний размер зерен составляет до 500 мкм, при разрушении этой структуры наблюдается хрупкий излом. Показано, что после деформации кручением под давлением при температуре жидкого азота поликристаллическая структура сплава измельчается до нанокристаллического состояния с размером зерен до ≈90 нм во всем объеме образца, при этом разрушение материала приобретает в основном вязкий характер и улучшаются пластические свойства материала. Деформация при криогенной температуре вызывает значительное повышение микротвердости, наблюдается упрочнение сплава практически в два раза по сравнению с исходным отожженным состоянием, при этом подавляется мартенситное превращение.

Полный текст

Введение Сплавы Гейслера, особенно нестехиометрического состава, обладающие различными функциональными свойствами [1-21], такими как эффекты памяти формы, магнетокалорический эффект, гигантские магнетодеформации и магнетосопротивления, вызывают неослабевающий интерес исследователей благодаря потенциальным возможностям их практического использования в различных высокотехнологических устройствах [1, 13]. Однако зачастую хрупкость крупнозернистых поликристаллических сплавов Гейслера затрудняет их широкое практическое использование [1]. Получение мелкозернистой структуры является одним из немногих эффективных способов достижения высокопрочного состояния. Измельчить структуру сплавов до субмикрокристаллического и нанокристаллического состояний позволяют методы, основанные на воздействии интенсивных пластических деформаций [22-24]. Интенсивная пластическая деформация обычно осуществляется под высоким давлением, при котором возможно достижение значительных степеней деформации без разрушения материала. В наших работах [24, 25] изучено влияние различных видов пластической деформации на микроструктурные особенности и изменение физических и механических свойств сплава Гейслера Ni47Mn42In11. Целью настоящей работы являлось исследование влияния пластической деформации кручением под высоким давлением при криогенной температуре на структуру и свойства сплава Ni47Mn42In11. Материал и методика исследования Сплав Ni47Mn42In11 синтезировали методом электродуговой плавки в атмосфере аргона. После выплавки его подвергали гомогенизирующему отжигу в вакууме при температуре 1123 К в течение 24 ч с последующим охлаждением с печью. Затем осуществляли пластическую деформацию в наковальнях Бриджмена при давлении 8 ГПа и температуре 77 К. Угловая скорость вращения наковален при деформировании составляла 0,3 об/мин, угол поворота φ варьировали от 0 до 5 об. После деформации измеряли микротвердость на приборе ПМТ-3 по стандартной методике при нагрузке 0,5 Н, проводили электронно-микроскопические исследования изломов и структуры на сканирующем электронном микроскопе Quanta-200 и просвечивающем электронном микроскопе JEM-200CX. Результаты исследования и их обсуждение Исследования, проведенные нами ранее [15, 16, 18], показали, что сплав Ni47Mn42In11 при высокой температуре находится в однофазном состоянии и имеет кристаллическую структуру, упорядоченную по типу L21. При охлаждении до температуры 310 К в сплаве наблюдается магнитный переход из парамагнитного в ферромагнитное состояние, затем в ферромагнитном аустените при ТМ ≈ 300 К происходит мартенситное превращение [18]. Электронно-микроскопические исследования структуры (рис. 1, а) и кристаллографический анализ показали, что мартенситная структура модулированная и соответствует параметрам решетки 14М мартенсита [25, 26]. В недеформированных образцах сплава Ni47Mn42In11 после отжига (исходное состояние) излом хрупкий (рис. 1, б). Среднее значение микротвердости сплава в исходном состоянии составляет 3000 MПa. После осадки, когда угол поворота наковальни φ = 0°, поверхность разрушения также носит хрупкий характер. Разрушение явно проходит по границам мартенситных реек. После осадки значение микротвердости увеличилось до 4100 MПa. а б Рис. 1. Микроструктура (а) и поверхность излома (б) сплава Ni47Mn42In11 после отжига После деформации кручением под высоким давлением (КВД) с увеличением степени деформации вид излома существенно изменяется. Если в случае поворота наковальни на угол φ = 5° разрушение материала идет в основном либо поперек мартенситных кристаллов, образуя слоистую структуру, либо по стыкам мартенситных пакетов, то с ростом степени деформации излом изменяется от хрупкого к вязкоподобному (рис. 2). Отсутствует разрушение по границам самих кристаллов мартенсита, слоистость постепенно заменяется вязким разрушением. После деформации кручением на n = 5 об. структура становится близкой к аморфно-нанокристаллическому состоянию со средним размером зерен до ≈90 нм и менее (см. рис. 2, г). Пластическая деформация методом кручения под давлением приводит к формированию ячеистой структуры. С увеличением степени деформации ячеистая структура занимает все больший объем образца, разориентировка ячеек увеличивается, а размер ячеек уменьшается от сотен до десятков нанометров. При образовании такой структуры уменьшается упругая энергия системы. Границы зерен находятся в неравновесном состоянии. Вокруг границ существуют области сильных искажений кристаллической решетки, вызванные зернограничными дислокациями, которые обеспечивают относительное смещение зерен. На рис. 3 показано, как изменяется величина микротвердости сплава после деформации при криогенной температуре на разную степень. После осадки наблюдается прирост микротвердости с 3000 до 4100 MПa. С ростом числа оборотов деформация кручением под давлением приводит к росту микротвердости приблизительно на такую же величину, как при осадке, - на 1000 MПa. Максимальная микротвердость составила 5100 MПa после КВД от 1 до 5 об. После деформации на 1 об. микротвердость выходит на насыщение, что связано, по-видимому, с формированием деформационной нанокристаллической структуры. а б в г Рис. 2. Поверхность излома образцов сплава Ni47Mn42In11 после отжига и деформации кручением под давлением 8 ГПа при температуре 77 К, угол поворота: а - φ = 15°; б - n = 1 об.; в - n = 2,5 об.; г - n = 5 об. Рис. 3. Зависимость микротвердости сплава Ni47Mn42In11 от степени деформации при Т = 77 К Электронно-микроскопические исследования структуры сплава после деформации показали, что после сдвига под давлением на угол 90° наблюдается микрокристаллическая структура. Увеличение степени деформации до n = 2,5…5 об. приводит к существенному измельчению структуры (рис. 4). Рис. 4. Структура сплава Ni47Mn42In11 после деформации кручением под давлением 8 ГПа на n = 2,5 об. После деформации мартенсит в структуре не наблюдается, она становится однородной и имеет равномерное нанокристаллическое строение. Заключение Проведенное исследование изменения структуры и свойств сплава Ni47Mn42In11 после пластической деформации методом кручения под давлением 8 ГПа при температуре жидкого азота показало, что с увеличением числа оборотов наковальни до n = 5 можно получить нанокристаллическое состояние, при этом разрушение материала приобретает вязкий характер. С ростом степени деформации доля вязкой составляющей в изломе возрастает, наблюдается рост микротвердости сплава. После пластической деформации кручением под высоким давлением при криогенной температуре, наряду с измельчением структуры, подавляется мартенситное превращение.

Об авторах

Ю. В Калетина

Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН

А. Ю Калетин

Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН; Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина

В. П Пилюгин

Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН

Список литературы

  1. Ферромагнетики с памятью формы / А.Н. Васильев, В.Д. Бучельников, Т. Тагаки, В.В. Ховайло, Э.И. Эстрин // УФН. - 2003. - Т. 173. - С. 577-608.
  2. Магнитные сплавы с памятью формы: фазовые переходы и функциональные свойства / В.Д. Бучельников, А.Н. Васильев, В.В. Коледов, В.В. Ховайло, С.В. Таскаев, В.Г. Шавров // УФН. - 2006. - Т. 176, № 8 - С. 900-906.
  3. Счастливцев В.М., Калетина Ю.В., Фокина Е.А. Мартенситное превращение в магнитном поле. - Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2007. - 322 с.
  4. Ferromagnetism in the austenitic and martensitic states of Ni-Mn-In alloys / Т. Кrenkе, M. Acet, E. Wassermann, Х. Moya, L. Manosa, A. Planes // Phys. Rev. B. - 2006. - Vol. 73, iss. 17. - Р. 174413.
  5. Large magnetoresistance in single crystalline Ni50Mn50-xInx alloys (x = 14…16) upon martensitic transformation / S.Y. Yu, Z.H. Liu, G.D. Liu, J.L. Chen, Z.X. Cao, G.H. Wu, B. Zhang, X.X. Zhang // Appl. Phys. Lett. - 2006. - Vol. 89, iss. 16. - P. 162503.
  6. Magnetic field induced shape recovery by reverse phase transformation / R. Kainuma, Y. Imano, W. Ito, Y. Sutou, H. Morito, S. Okamoto, O. Kitakami, K. Oikawa, A. Fujita, T. Kanomata, K. Ishida // Nature. - 2006. - Vol. 439. - P. 957-960.
  7. Large magnetic entropy changes in the Ni45,4Mn41,5In13,1 Ferromagnetic Shape Memory Alloy / Z.D. Han, D.H. Wang, C.L. Zhang, S.L. Tang, B.X. Gu, Y.W. Du // Appl. Phys. Lett. - 2006. - Vol. 89, iss. 18. - P. 182507.
  8. Martensitic and magnetic transformation behaviors in heusler type NiMnIn and NiCoMnIn metamagnetic shape memory alloys / W. Ito, Y. Imano, R. Kainuma, Y. Sutou, K. Oikawa // Metal. Mater. Trans. A. - 2007. - Vol. 38. - P. 759-766.
  9. Magnetic superelasticity and inverse magnetocaloric effect in Ni-Mn-In / T. Krenke, E. Duman, M. Acet, E.F. Wassermann, X. Moya, L. Manosa, A. Planes, E. Suard, B. Ouladdiaf // Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. - 2007. - Vol. 75, iss. 10. - P. 104414.
  10. Inverse magnetocaloric effect in ferromagnetic Ni50Mn37+xIn13-x heusler alloys / M. Khan, A. Naushad, and S. Stadler // J. Appl. Phys. - 2007. - Vol. 101, iss. 5. - P. 053919.
  11. Low field inverse magnetocaloric effect in Ni50-xMn39+xIn11 heusler alloys / Z.D. Han, D.H. Wang, C.L. Zhang, H.C. Xuan, B.X. Gu, Y.W. Du // Appl. Phys. Lett. - 2007. - Vol. 90, iss. 4. - P. 042507.
  12. Martensitic transformation and the magnetocaloric effect in Ni50-xMn38-xIn12 alloys / Z.D. Han, D.H. Wang, C.L. Zhang, H.C. Xuan, J.R. Zhang, B.X. Gu, Y.W. Du // The solid state commun. - 2008. - Vol. 146. - P. 124-127.
  13. Actuators based on composite material with shape-memory effect / A.V. Irzhak, D.I. Zakharov, V.S. Kalashnikov, V.V. Koledov, D.S. Kuchin, G.A. Lebedev, P.V. Lega, E.P. Perov, N.A. Pikhtin, V.G. Pushin, I.S. Tarasov, V.V. Khovailo, V.G. Shavrov, A.V. Shelyakov // J. of Comm. Tech. and Electr. - 2010. - Vol. 55, iss. 7. - P. 818-830.
  14. Buchelnikov V.D., Sokolovskiy V.V. Magnetocaloric effect in Ni-Mn-X(X = Ga, In, Sn, Sb) Heusler alloys // The Physics of Metals and Metallography. - 2011. - Vol. 112, no. 7. - P. 633-665.
  15. Martensitic and magnetic transformations in Ni-Mn-In alloys / V.M. Schastlivtsev, Yu.V. Kaletina, E.A. Fokina, V.A. Kazantsev // Phys. Met. Metallogr. - 2011. - Vol. 112, no. 1. - P. 61-71.
  16. Калетина Ю.В., Счастливцев В.М., Фокина Е.А. Фазовые превращения и свойства сплава Гейслера системы Ni-Mn-In // ПЖТФ. - 2013. - Т. 39, вып. 11. - С. 71-79.
  17. Magnetocaloric effect (MCE) in melt-extracted Ni-Mn-Ga-Fe Heusler microwires / Y. Liu, X. Zhang, D. Xing, H. Shen, D. Chen, J. Liu, J. Sun // J. of All. and Comp. - 2014. - Vol. 616. - P. 184-188.
  18. 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.
  19. Giant magnetocaloric effect in a Heusler Mn50Ni40In10 unidirectional crystal / J. Ren, H. Li, S. Feng, Q. Zhai, J. Fu, Z. Luo, H. Zheng // Intermetallics. - 2015. - Vol. 65. - Р. 10-14.
  20. Прямой и обратный магнитокалорический эффект в сплавах Гейслера Ni1,81Mn1,64In0,55, Ni1,73Mn1,80In0,47, and Ni1,72Mn1,51In0,49Co0,28 / Р.Р. Файзуллин, А.В. Маширов, В.Д. Бучельников, В.В. Коледов, В.Г. Шавров, С.В. Таскаев, М.В. Жуков // Радиотехника и электроника. - 2016. - Т. 61, вып. 10. - С. 994-1003.
  21. The effects of substituting Ag for In on the magnetoresistance and magnetocaloric properties of Ni-Mn-In Heusler alloys / S. Pandey, A. Quetz, A. Aryal, T. Samanta, I. Dubenko, S. Stadler, N. Ali. // AIP Adv. - 2016. - Vol. 6. - Р. 056213.
  22. Влияние интенсивной пластической деформации на структуру и свойства сплава Ni2,16Mn0,84Ga / Н.И. Коуров, В.Г. Пушин, А.В. Королев, В.А. Казанцев, Е.Б. Марченкова, А.Н. Уксусников // ФММ. - 2007. - Т. 103. - С. 280-287.
  23. Мелкозернистая структура и свойства сплава системы Ni2MnIn после пластической деформации осадкой / И.И. Мусабиров, И.М. Сафаров, М.И. Нагимов, И.З. Шарипов, В.В. Коледов, А.В. Маширов, А.И. Рудской, Р.Р. Мулюков // ФТТ. - 2016. - Т. 58, вып. 8. - С. 1552-1557.
  24. Калетина Ю.В., Грешнова Е.Д., Калетин А.Ю. Эволюция структуры и свойств сплава Ni47Mn42In11 после пластической деформации // ФТТ. - 2019. - Т. 61, вып. 11. - С. 2204-2209.
  25. Фазовые превращения и структура сплавов Ni-Mn-In при изменении соотношения Ni/Mn / Ю.В. Калетина, Н.Ю. Фролова, В.М. Гундырев, А.Ю. Калетин // ФТТ. - 2016. - Т. 58, вып. 8. - С. 1606-1614.

Статистика

Просмотры

Аннотация - 66

PDF (Russian) - 27

Ссылки

  • Ссылки не определены.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах