Закономерности термоупругих мартенситных превращений, эффекта памяти формы и сверхэластичности в монокристаллах ферромагнитных сплавов Ni-Fe-Ga-(Co)

• Автор: Тимофеева, Екатерина Евгеньевна
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 195 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1 Термоупругие мартенситные превращения в ферромагнитных сплавах

1.1 Общая характеристика мартенситных превращений

1.2 Кристаллография мартенситных превращений

1.3 Термодинамическое описание мартенситных превращений

1.4 Функциональные свойства сплавов с термоупругими мартенситными превращениями

1.5 Мартенситное превращение в магнитном поле

2 Постановка задачи, обоснование выбора материала для исследования. Методика эксперимента

2.1 Постановка задачи, обоснование выбора материала для исследования

2.2 Методика эксперимента

3 Термоупругие мартенситные превращения в монокристаллах №ЕеОа и ЕГОеСаСо
3.1 Закономерности развития термоупругих мартенситных превращений в монокристаллах ЕИРеСа и №ЕеСаСо при охлаждении/нагреве
3.2 Зависимость эффекта памяти формы от ориентации и способа деформации в монокристаллах №ЕеОа и №ЕеСаСо
3.2.1 Влияние температуры испытания и способа деформации (растяжение/сжатие) на эффект памяти формы в [001]-монокристаллах №РеОаСо
3.2.2 Влияние ориентации кристалла на эффект памяти формы при деформации растяжением и сжатием монокристаллов №ЕеОа
3.2.3 Асимметрия и ориентационная зависимость величины эффекта памяти формы в монокристаллах №ЕеСа и №ЕеСаСо
3.2.4 Многостадийные мартенситные превращения под нагрузкой при деформации сжатием в [011 [-монокристаллах ЕОЕеСа
3.2.5 Критические напряжения образования мартенсита под нагрузкой как основной механический параметр, необходимый для реализации магнитного эффекта памяти формы

3.3 Температурная зависимость критических напряжений мартенситного сдвига при изменении ориентации и способа деформации в монокристаллах Ni-Fe-Ga nNi-Fe-Ga-Co
3.4 Сверхэластичность в ферромагнитных монокристаллах NiFeGa и NiFeGaCo
3.4.1 Зависимость температурного интервала развития сверхэластичности от способа деформации и ориентации ферромагнитных монокристаллов NiFeGa и NiFeGaCo
3.4.2 Зависимость величины сверхэластичности ориентации, способа деформации и температуры испытаний в ферромагнитных монокристаллах NiFeGa и NiFeGaCo
3.4.3 Зависимость величины механического гистерезиса от ориентации, способа деформации и температуры испытания в ферромагнитных монокристаллах NiFeGa и NiFeGaCo
3.5 Влияние термических обработок на закономерности развития
мартенситных превращений при охлаждении и под нагрузкой
ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Ферромагнитные сплавы, испытывающие термоупругие мартенситные превращения, являются новыми многофункциональными материалами [1-12]. Обладая эффектами памяти формы и сверхэластичности, основанными на термоупругом характере мартенситных превращений, эти сплавы допускают управление размерами и формой не только при изменении температуры и приложении нагрузки, но и с помощью магнитного поля. Ферромагнитные материалы с памятью формы могут найти широкое применение в авиакосмической промышленности, атомной энергетике, механотронике и микросистемной технике [1-4,11,12]. Существуют задачи, в которых необходимо использовать функциональные свойства сплавов при высоких температурах, а значит, сверхэластичность должна наблюдаться при температурах выше 373 К (100 °С) (высокотемпературная сверхэластичность). В настоящее время в литературе не разработаны условия, необходимые для проявления высокотемпературной сверхэластичности [13-20]. Существует только один критерий Отцуки-Вэймана [13-15], из которого следует, что для получения высокотемпературной сверхэластичности необходимо достичь высокопрочного состояния в высокотемпературной фазе, когда накопленная при прямом мартенситном превращении упругая энергия не релаксирует за счет образования дислокаций в условиях высоких температур и способствует обратимому переходу при снятии нагрузки. Однако нет данных о влиянии характера изменения критических напряжений образования мартенсита в температурном интервале развития мартенситных превращений под нагрузкой на формирование высокотемпературной сверхэластичности. Таким образом, большой научный и практический интерес представляет выяснение закономерностей развития мартенситных превращений под нагрузкой в условиях высоких напряжений и температур выше 373 К и разработка физических принципов конструирования новых ферромагнитных сплавов, которые испытывают обратимые мартенситные превращения в широком интервале температур, обладают высокими механическими характеристиками и будут превращать магнитную энергию в механическую без деградации свойств.
В настоящее время в качестве ферромагнитных материалов с памятью формы рассматриваются сплавы Гейслера ММпСа, СоКЮа, СоКЧА! и упорядоченные сплавы РеРб, БеРр которые испытывают мартенситные превращения в ферромагнитном состоянии [1-12, 21]. Наиболее широко изучены сплавы ИМпСа, испытывающие Ь2]-10М-14М-Ыо МП и обладающие высокой константой магнитокристаллической анизотропии (Ки = 1,7-105 Дж/м3) [3, 4]. На монокристаллах МРМпСа впервые в 1996 г. получена деформация 0,2 %, индуцированная магнитным полем, за счет переориентации мартенситных вариантов [3].

1.5 Мартенситное превращение в магнитном поле
Все перечисленные выше эффекты образуют основу нижепроведенного рассмотрения МП и сопровождающих их эффектов в ферромагнетиках [20]. Исследователями достаточно давно было замечено, что три класса кристаллических твердых тел: ферромагнетики, сегнетоэлектрики и сегнетоэластики, несмотря на разную природу происходящих в них структурных фазовых переходов, демонстрируют целый ряд сходных свойств. В 1969 г. японский ученый Кетзиро Айзу предложил вышеназванные тела объединить в один класс веществ с общим названием «ферроики», что связано с наличием в их английском названии общей приставки «ферро». Мультиферроики — класс кристаллических твердых тел, в которых сосуществуют хотя бы два из трех параметров порядка: магнитного, электрического или механического [20, 83].
Присутствие магнитной подсистемы в веществах, испытывающих МП, открывает новые возможности для управления формой и размерами ферромагнетиков с термоупругими МП. Рассмотрим, как изменится термодинамическое описание МП при появлении вклада магнитной энергии. Работа внешних сил в таком случае [6]
X № = дв™ + дв™ - д. (1.40)

Тогда (1.33) запишется как
ДСА~М (Т, Н, ст) = -До£м + ДСы ~ д- дС™ + Д, (1.41)
где Д- энергия, возникающая благодаря разнице намагниченности насыщения конечной и исходной фаз, т.е. энергия Зеемана [6]:
АОл-м =н»хМ°м-Нм хМ°А, (1.42)
где МА м - намагниченность насыщения аустенита и мартенсита соответственно; Нм-
напряженность приложенного магнитного поля. В сплавах, в которых намагниченность аустенита выше, чем мартенсита, энергия Зеемана обеспечивает вклад, аналогичный механической работе по преодолению разницы в химических энергиях между фазами (рисунок 1.18) [6, 84-86]. Поэтому в уравнении (1.41) перед членом стоит минус, как
и перед ДС,:;Г При наведении обратимых деформаций воздействием магнитного поля различие между намагниченностью насыщения аустенитной и мартенситной фаз можно использовать как движущую силу МП (аналогично приложенным механическим напряжениям). Энергия Зеемана слабо зависит от ориентации кристалла и определяется в основном химическим составом сплава и температурой [5, 6, 86-88].