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

Особенности структуры и свойств сплава Ni47Mn42In11 после термоциклической обработки

Авторы: Калетина Ю.В¹, Ефимова Е.Д¹, Герасимов Е.Г¹, Калетин А.Ю¹, Фокина Е.А¹
Учреждения:
1. Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН
Выпуск: Том 18, № 3 (2016)
Страницы: 30-40
Раздел: СТАТЬИ
URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mm/article/view/3150
DOI: https://doi.org/10.15593/2224-9877/2016.3.02
Цитировать

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Статистика

Аннотация

Изучено влияние термоциклической обработки по разным режимам на структуру, микротвердость и магнитные свойства тройного сплава Гейслера на основе Ni-Mn-In. Методами оптической металлографии и сканирующей электронной микроскопии была исследована микроструктура сплава Ni47Mn42In11 в отожженном состоянии и после термоциклической обработки. При охлаждении в сплаве наблюдается магнитный переход и структурное (мартенситное) превращение. Мартенситное превращение сопровождается изменением кристаллической решетки и микроструктуры. Структура исследуемого сплава после отжига двухфазная, состоящая из высокотемпературной L 21-фазы и мартенситных кристаллов. После отжига сплав находился в поликристаллическом состоянии с преимущественно ровными границами исходных крупных зерен. Термоциклическую обработку проводили после отжига по разным режимам. Варьировали температуру нагрева в однофазную область существования L 21-фазы (от 363 до 473 К), температуру охлаждения в область низких температур (233-77 К), и количество циклов нагрев-охлаждение (до 30). В результате структурных исследований было обнаружено, что после термоциклической обработки наблюдаются изменения в структуре, в отдельных случаях меняется форма границ зерен, появляются деформированные зубчатые границы. Показано, что после термоциклической обработки с увеличением числа циклов нагрева и охлаждения повышается уровень микротвердости по сравнению с величиной микротвердости в отожженном состоянии. Температурные зависимости амплитудной магнитной восприимчивости при охлаждении и нагреве измеряли после отжига и после последующей термоциклической обработки. Показано, что многократная термоциклическая обработка не вызывает существенного изменения магнитной восприимчивости исследуемого сплава.

Ключевые слова

ферромагнитные сплавы, мартенсит, аустенит, мартенситное превращение, границы зерен, структура, магнитный переход, термоциклическая обработка, магнитная восприимчивость, микротвердость.

Полный текст

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.

Об авторах