Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,686

МИКРОСТРУКТУРА ТЕРМОУПРУГОГО МАРТЕНСИТА И ДИАГРАММА МАРТЕНСИТНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В СПЛАВАХ NI-MN-TI

Белослудцева Е.С. 1 Куранова Н.Н. 1 Марченкова Е.Б. 1 Стукалов В.Ю. 1 Уксусников А.Н.  1
1 ФГБУН «Институт физики металлов им. М.Н. Михеева» Уральского отделения РАН
В данной работе были изучены фазовые превращения и свойства сплавов состава Ni50Mn50–yTiy (y = 5, 10, 15, 25, 30) в широком интервале температур. Исследования проводили методами измерений электросопротивления, просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии, дифракции электронов и рентгеновских лучей. Обнаружено, что температура термоупругогомартенситного превращения легированных сплавов может стать значительно ниже температурного интервала превращения бинарных сплавов Ni50Mn50 и Ni49Mn51. В тройных сплавах наряду с тетрагональным L10–мартенситом выявлена сложная многослойная 10М кристаллическая решетка. Установлено, что мартенсит имеет преимущественную морфологию в виде иерархии пакетов тонких когерентных пластин нано- и субмикрокристаллических кристаллов с плоскими границами габитусов(близкими {011}B2), попарно двойникованных по одной из 24 систем двойникующего сдвига {011} <>B2.
Термоупругие мартенситные превращения
микроструктура
эффект памяти формы
микротвердость
1. Белослудцева Е.С., Куранова Н.Н., Коуров Н.И., Пушин В.Г., Уксусников А.Н. Влияние легирования титаном на структуру, фазовый состав и термоупругие мартенситные превращения в тройных сплавах Ni-Mn-Ti // ЖТФ. – 2015. Т. 85. – № 9. – С. 71–76.
2. Крейцберг А.Ю., Прокошкин С.Д., Браиловский В., Коротицкий А.В. Роль структуры и текстуры в реализации ресурса обратимой деформации наноструктурного сплава Ti-50.26 aт. %Ni // ФММ. – 2014. – Т. 115, № 9. – С. 986–1008.
3. Лободюк В.А., Коваль Ю.Н., Пушин В.Г., Кристаллоструктурные особенности предпереходных явлений и термоупругих мартенситных превращений в сплавах цветных металлов // ФММ. – 2011. – Т. 111. №2. – С. 169–194.
4. Ооцука К., Симидзу К., Судзуки Ю и др. // Сплавы в эффектом памяти формы / Под ред. Фунакубо Х.: пер. с японского. – М.: Металлургия, 1990. – 224 с.
5. Пушин В.Г., Белослудцева Е.С., Казанцев В.А., Коуров Н.И., Особенности мартенситного превращения и тонкая структура интерметаллического соединения Ni50Mn50 // Материаловедение. – 2012. – №11. – С. 3–10.
6. Пушин В.Г., Куранова Н.Н., Марченкова Е.Б, Белослудцева Е.С., Казанцев В.А., Коуров Н.И., Высокотемпературный эффект памяти формы и термоупругое мартенситное превращение B2–L10 в интерметаллическом соединении NiMn // ЖТФ. – 2013. – Т. 83. Вып. 6. – С. 104–113.
7. Пушин В.Г., Павлова С.П., Юрченко Л.И., Исследование предпереходных состояний и мартенситного превращения в В2-сплавах Ni-Al // ФММ. – 1989. – Т. 67. №1. – С. 164–174.
8. Пушин В.Г., Юрченко Л.И., Соколова А.Ю., Иванова Л.Ю., Электронно-микроскопическое и рентгенографическое исследования предмартенситных явлений в В2–сплавах системы Ni – Al // ФММ. – 1994. – Т. 78. №6. – С.104–113.
9. Adachi K., Wayman C.M., Transformation behavior of nearly stoichiometric Ni-Mn alloys // Met. Trans. A. 1985. – V. 16. – P. 1567–1579.
10. Kren E., Nagy E., Nagy I., Pal L., Szabo P., Structures and phase transformations in the Mn-Ni system nearequiatomic concentration // J. Physics and Chemistry of Solids. – 1968. – V. 29. – P. 101–108.

В сплавах Ni50Mn50 и Ni49Mn51 мартенситное превращение происходит при высоких температурах. Нами ранее были подробно изучены тонкая структура и физические свойства данных сплавов и сделан вывод о термоупругом механизме данного мартенситного превращения, установлены критические температуры термоупругого мартенситного превращения в них: Ms = 970 К, Mf = 920 К, As = 970 К, Af = 1020 К, Ms = 940 К, Mf = 930 К, As = 990 К, Af = 1000 К, соответственно [5, 6]. Как известно, высокотемпературное структурное фазовое превращение В2→L10 наблюдали во многих бинарных и многокомпонентных интерметаллических сплавах на основе никеля и титана: Ni-Mn, Ni-Al, Ni-Mn-Al, Ni-Al-Co, Ti-Rh, Ti-Ir, Ti-Rh-Ni, Ti-Ir-Ni и др. [7–10]. Можно было предположить, что данное превращение в сплавах на основе указанных интерметаллических соединений также имеет характер термоупругого мартенситного перехода и это должно обусловливать в них эффекты памяти формы [3, 4]. В настоящей работе изучены структура и фазовые превращения в квазибинарных сплавах Ni50Mn50–yTiy, исследовано влияние легирования титаном на особенности структуры и возможность термоупругих мартенситных превращений, их критические точки при прямых (Ms, Mf) и обратных (As, Af) переходах.

Цель исследования. Комплексное изучениекристаллоструктурных особенностей, фазовых превращений и свойств сплавов на основе системы Ni-Mn, бинарных и тройных, легированных Ti.

Материалы и методы исследования

Сплавы выплавляли методом электродуговой плавки в атмосфере очищенного аргона (табл. 1). Для гомогенизации их подвергали многократным переплавам (не менее трех раз) с последующим длительным отжигом в вакууме при температуре 1173 К. Исходными компонентами для изучаемых материалов служили высокочистые металлы (чистотой 99,99 %). Рентгеноструктурный анализ проводили на аппарате ДРОН-3М в медном излучении CuKa,монохроматизированном графитовым монокристаллом. Электросопротивление r(T) сплава измеряли потенциометрическим методом по схеме двойного моста в интервале температур от 100 до 1170 К.Электронно-микроскопические исследования на просвет в режимах светлого и темного полей выполняли на просвечивающих электронных микроскопах JEM-200CX и CM-30. Для идентификации фаз применяли метод микродифракции от выбранного участка. Аттестацию их химического состава и исследование структуры массивных образцов проводили на сканирующем электронном микроскопе Quanta-200 Pegasus, оборудованном системой EDS, а также системой EBSD-анализа, благодаря которой были построены карты разориентировок кристаллитов образцов. Использовали оборудование отдела электронной микроскопии ЦКП «Испытательный центр нанотехнологий и перспективных материалов» ИФМ УрО РАН

Результаты исследования и их обсуждение

В работе были проведены исследования мартенситных превращений квазибинарных сплавах системы Ni50Mn50–xTix. Критические температуры прямого и обратного мартенситных превращений определяли по кривым зависимостей электросопротивления от температуры для выбранных сплавов. Фазовый состав был определен методом ренгеноструктурного анализа, основываясь на микродифракции электронов.По результатам комплексных исследований электросопротивления и рентгенофазового анализа была построена полная фазовая диаграмма термоупругих мартенситных превращений, определяющая зависимость критических температур от химического состава и электронной концентрации сплава (рис. 1). В соответствии с расшифровкой рентгенограмм, был определен тип кристаллической решетки, который соответствует для сплава Ni50Mn50 и для сплава с 5 ат. % Ti тетрагональному L10 (2M) с параметрами a = 0.37 нм, c = 0.35 нм, а для сплава с 10 ат. % Tiорторомбическому 10М с параметрами, близкими: a = 0.44 нм, b = 0.27 нм, c = 2.11 нм. Вид кривых электросопротивления, как и рентгеноструктурный анализ показали, что сплав Ni50Mn35Ti15 при комнатной температуре находился в состоянии B2–аустенита с параметром решеткиа = 0.30 нм. В нем мартенситный переход реализуется ниже комнатной температуры [1]. Таким образом, легирование В2-сплавов NiMn титаном путем замещения атомов марганца приводит к их стабилизации по отношению к мартенситному превращению и к смене последовательности структурного типа мартенсита от обычного тетрагонального 2М к длиннопериодному орторомбическому 10М.

belo1.tiff

Рис. 1. Диаграмма фазовых мартенситных превращений квазибинарных сплавов системы Ni50Mn50–xTix

Для подтверждения заключения о длиннопериодности кристаллической решетки были выполнены электронномикроскопические исследования на просвет. Анализ микроэлектронограмм показал, что между основными отражениями мартенситной 10М фазы присутствуют экстрарефлексы, расположенные эквидистантно на расстоянии 1/5, что свидетельствует о многослойности ее решетки (рис. 2, с).

Светлопольное и темнопольное изображения сплава Ni50Mn45Ti5, полученные на просвет, приведены на рис. 2, a, b. Видно, что тонкая структура сплава представлена пакетами пластинчатых тонкодвойникованных кристаллов, которые являются следствием действия многозародышевого механизма превращения и результатом последующего аккомодационного двойникования, прогрессирующего по мере охлаждения мартенсита. Считается, что основной причиной образования хорошо организованной иерархии когерентных кристаллов-двойников в сплавах Ni-Mn являются упругие напряжения, возникающие и обычно накапливаемые в процессе термоупругих мартенситных превращений.

belo2.tif

Рис. 2. Светлопольное (a) и темнопольное (b) изображения структуры и микроэлектронограмма (c) сплава Ni50Mn45Ti5. Стрелками показаны экстрарефлексы

Теоретический (кристаллографический) ресурс обратимой деформации (ТРОД)в сплавах с термоупругими мартенситными превращениями определяется величиной максимальной деформации кристаллической решетки при превращении. Как известно, при этом с учетом различных особенностей структуры и ее изменений используют разные методы оценки ТРОД, принимая в качестве такого ресурса следующие величины: максимальную деформацию решетки при мартенситном превращении в приближении «монокристалл аустенита ↔ монокристалл мартенсита». Деформацию решетки bel003.wmf вдоль любого i-го направления из всего множества кристаллографических направлений <uvw> можно рассчитать как относительное изменение расстояния между узлами кристаллической решетки, лежащими в данном направлении, где bel004.wmf – радиус-вектор в кубической системе отсчета, определяемый из соотношения

bel005.wmf,

где a, b, с – параметры кубической решетки B2–аустенита, а bel006.wmf – радиус-вектор в моноклинной системе, определяемый из соотношения:

bel007.wmf,

где а, b, с α, β, γ – параметры моноклинной решетки B19’-мартенсита [2].

В работе был рассчитан ТРОД для каждого исследуемого сплава, который испытывает мартенситное превращение выше комнатной температуры. Расчеты производились с учетом смены выбора системы координат. Значения ТРОД приведены в таблице.

Теоретический ресурс обратимой деформации ( %) кристаллической решетки при мартенситном превращении квазибинарных сплавов системы Ni50Mn50–xTix

Направление

100

010

001

Сумма

Концентрация,

ат. %Ti

0

-8.18

-8.18

16.63

0.27

5

7.09

-7.08

2.76

2.77

10

8.33

-6.07

2.97

5.23

Для изучения влияния легирования на прочностные характеристики, в работе проведены измерения микротвердости сплавов системы Ni50Mn50–xTix (рис. 3). На рис. 3 представлена диаграмма зависимостимикротвердости от концентрации титана в сплаве. Видно, что микротвердость сплавов бинарного и легированного 5 ат. % Ti отличаются (HV (Ni50Mn50) = 4,15 ГПа и HV (Ni50Mn45Ti5) = 4,36 Гпа), что согласуется с фазовой диаграммой (рис. 2), поскольку данные сплавы обладают различной кристаллической решеткой мартенсита – L10 и 10M. По-видимому, при этом сказывается и влияние легирования, ввиду различия атомных радиусов марганца и титана (0,142 нм и 0,161 нм, соответственно). Микротвердость сплава с 15 ат. % Ti даже ниже, чем у бинарного сплава. Поскольку данный сплав при комнатной температуре находится в аустенитом состоянии и испытывает мартенситное превращение при более низких температурах, в нем возможно протекание деформационно индуцированного мартенситного превращения и за счет этого снижение твердости.

Таким образом, данные измерений микротвердости дополняют и коррелируют с результатами фазового анализа.

belo3.tiff

Рис. 3. Диаграмма микротвердости сплавов системы Ni50Mn50–xTix

Заключение

По результатам данного исследования была впервые определена и построена полная диаграмма фазовых мартенситных и переходов. Измерены твердость и температуры мартенситных переходов, установлены типы кристаллических решеток мартенситных фаз в широком диапазоне составов, вычислены параметры их решетки L10 и 10M и теоретический ресурс обратимой деформации.

Электронномикроскопически было показано, что мартенсит имеет преимущественную морфологию в виде иерархии пакетов тонких пластинчатых и внутренне двойникованных когерентных кристаллов с плоскими границами габитусов, близкими {110}B2. Системы двойникующего сдвига мартенсита близки к мягкой моде {011} bel008.wmfB2.

Поскольку температура мартенситного превращения данной группы сплавов изменяется в очень широком диапазоне, для применения в определенном интервале температур эксплуатации может быть подобран сплав требуемого химического состава.

Работа выполнена в рамках госзадания ИФМ УрО РАН по теме «Структура» и частично по проектамУрО РАН №15–9–2–17 и «Арктика» № 15–15–2–16.


Библиографическая ссылка

Белослудцева Е.С., Куранова Н.Н., Марченкова Е.Б., Стукалов В.Ю., Уксусников А.Н.  МИКРОСТРУКТУРА ТЕРМОУПРУГОГО МАРТЕНСИТА И ДИАГРАММА МАРТЕНСИТНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В СПЛАВАХ NI-MN-TI // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2016. – № 12-8. – С. 1397-1401;
URL: http://applied-research.ru/ru/article/view?id=11049 (дата обращения: 21.07.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252