Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

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.

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.

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 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  – радиус-вектор в кубической системе отсчета, определяемый из соотношения

,

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

,

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

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.

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} B2.

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.