ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 98, № 2, с. 19-22
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ,
И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 669.2474 871: 669.112.227.346.2: 537.622
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МАРТЕНСИТНЫХ ФАЗ В СПЛАВЕ Ni-Mn-Ga
© 2004 г. В. В. Кокорин*, А. Е. Перекос**, Т. В. Ефимова**
*Институт магнетизма НАН Украины, 03680 Киев, бульвар Вернадского, 36А **Институт металлофизики НАН Украины, 03680 Киев, бульвар Вернадского, 36
Поступила в редакцию 01.12.2003 г.
Изучены низкотемпературные фазовые превращения в мартенситной фазе сплава Ni-Mn-Ga. Обнаружено, что превращение при охлаждении осуществляется в одну стадию, между тем как при нагреве наблюдается двухступенчатый переход.
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время можно видеть возрастание интереса к исследованию физических свойств мартенситных фаз с подвижной системой мартен-ситных двойников в ферромагнитных сплавах.
Характерным примером может служить система №-Мп-ва, которая является объектом пристального рассмотрения в связи с обнаружением значительных деформаций в мартенситной фазе, вызванных магнитным полем [1]. Переориентация двойников с высокой константой одноосной анизотропии в магнитном поле объясняет этот эффект. Мартенситные двойники, ось анизотропии и магнитный момент которых направлены вдоль поля, имеют меньшую магнитную энергию (Е = -МН), поэтому при достаточном поле эти двойники растут за счет других, обеспечивая маг-нитопластическую деформацию образца [2]. Мартенситная фаза в нестехиометрических сплавах №-Мп-ва обладает нестабильной кристаллической решеткой. Было обнаружено, что исходный мартенсит охлаждения с объемно-центрированной тетрагональной решеткой с 5-слойной модуляцией вдоль оси (110) при одноосном механическом нагружении превращается еще в две модификации: сначала с орторомбической решеткой и 7-слойной модуляцией, а затем с тетрагональной и без модуляции [3]. Соответствующее приготовление образцов сплавов №-Мп-ва обеспечило наблюдение последовательности фазовых переходов в мартенситной фазе в процессе охлаждения ненагруженных образцов (спонтанных межмартенситных превращений [4, 5]). В зависимости от состава сплава температуры межмартенситных превращений могут различаться. Наличие нескольких мартенситных фаз придает актуальность задаче по исследованию температурной зависимости магнитных свойств сплавов системы №-Мп-ва. В настоящей работе рассмотрены температурные зависимости магнитных свойств сплава №-Мп(23.6% ат.)-ва(24.9% ат.),
который имеет температуру начала мартенситно-го превращения М, - 278 К и температуру появления второй мартенситной фазы М\ - 120 К в отличие от сплава, изученного в работе [6], который имел М, - 300 К и М\ - 250 К. Ранее [7] уже изучалось влияние магнитного поля на превращение аустенит-мартенсит в рассматриваемой системе №-Мп-ва. Но влияние магнитного поля на превращения в мартенситном состоянии остается малоизученным.
Цель настоящего исследования - изучение влияния магнитного поля на спонтанные (при изменении температуры) низкотемпературные межмартенситные превращения.
Сплав №-Мп-ва после выплавки и индукционной печи в атмосфере аргона был переплавлен в печи с нагревателем электросопротивления и затем медленно охлажден вместе с печью.
Измерения намагниченности проводились баллистическим способом. Использовались поликристаллические крупнозернистые образцы.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 помещены температурные зависимости намагниченности, измеренные в температурном интервале 77-300 К при значении магнитного поля Н = 0.75; 1 и 5 кЭ. В процессе охлаждения аустенитная фаза превращается в мартенситную при М, = 278 К, этому событию соответствует резкое уменьшение намагниченности, причем величина скачка убывает с возрастанием поля. Такое поведение намагниченности соответствует установившимся представлениям, что магнито-кристаллическая анизотропия аустенитной фазы значительно меньше, чем анизотропия мартенсита. Отчетливо наблюдается при дальнейшем охлаждении скачкообразное возрастание намагни-
19
2*
о, А м2/кг
55
45
35
50
40
30
20
10
20
10
(б)
Г\
(а)
50
100
150
200 т, к
250
300
Рис. 1. Температурные зависимости намагниченности сплава №-Мп-Оа:
кривая 1 - охлаждение от температуры Т = 303 К; кривая 2 - нагрев от Т = 77 К до Т = 303 К; кривая 3 -охлаждение от Т = 268 К до Т = 77 К (предварительно образец был охлажден до Т = 77 К и затем нагрет до Т = 268 К); а - Н = 0.75 кЭ, б - Н = 1 кЭ; Н = 5 кЭ.
ченности, которое связывается с переходом кристаллической решетки мартенсита охлаждения в другую модификацию. Причем температура этого перехода меняется от Т = 123 К при Н = 0.75 и 1 кЭ до Т = 136 К при Н = 5 кЭ (рис. 1а-1в). При нагреве можно видеть двухстадийное уменьше-
ние намагниченности, которое соответствует переходам низкотемпературной модификации мар-тенситной фазы сначала в промежуточную, а затем в высокотемпературную мартенситную фазу. Именно такой двухступенчатый переход при нагреве был отмечен ранее в работе [5] для сплава, близкого по составу к используемому в данной работе, при изучении температурной зависимости низкополевой магнитной восприимчивости. Кривая 3 на всех рисунках 1а-1в соответствует случаю, когда образец был охлажден от температуры 300 до 77 К, а затем был отогрет до 268 К и после этого была измерена температурная зависимость намагниченности при охлаждении от Т = = 268 до 77 К. Можно видеть (см. рис. 1), что в результате первичного охлаждения из аустенитной области образуется фаза с заметно большей намагниченностью при Т = 268 К по сравнению с состоянием, которое возникает при той же температуре после охлаждения до Т = 77 К и последующего нагрева до Т = 268 К. Причем различие в намагниченностях убывает при возрастании поля, так Ао/ох = 0.53; 0.33; 0.17, при полях соответственно Н = 0.75; 1; 5 кЭ, где Ао = ох - о3; ох и о3 намагниченности образца в соответствии с кривыми 1 и 3 на рис. 1 при Т = 268 К. Это свидетельствует в пользу того, что магнитокристалличес-кая анизотропия фазы, которая возникала в результате отогрева от Т = 77 до 268 К заметно больше по сравнению с фазой, образовавшейся при охлаждении из аустенитной области до Т = 268 К. Таким образом, в данном случае, по-видимому, можно реализовать при одной и той же температуре различные мартенситные фазы, меняя режим охлаждения. Как уже упоминалось ранее, при механическом нагружении монокристаллических образцов были получены три мартенситные фазы, причем фаза с тетрагональной решеткой с/а > 1 и без модуляции требовала наибольших механических напряжений. Поэтому можно полагать, что эта фаза, назовем ее Р3, в нашем случае реализуется при наибольшем переохлаждении относительно температуры И,. При нагреве Р3-фазы происходят переходы, сначала Р3 —Р2, а затем Р2 —- рх (см. рис. 1). О природе ргфазы можно судить, используя кривые намагниченности при Т = 268 К для обоих режимов охлаждения (1-й режим: охлаждение до 77 К и затем отогрев до 268 К, 11-й режим: охлаждение от 303 К до 268 К) рис. 2. Начиная с поля Н ~ 3 кЭ, наблюдается для первого режима аномальное возрастание намагниченности I (рис. 26), между тем, при уменьшении поля происходит обычное снижение намагниченности I, характерное для ферромагнитного состояния. Для второго режима кривая намагничивания рис. 2а имеет вид, типичный для ферромагнетиков. Аномалии на этой кривой связаны с индуцированными магнитным полем процессами передвойнико-
2
2
магнитные свойства мартенситных фаз
21
вания мартенситной фазы с пятислойной модуляцией (5М). Движение двойников в этой фазе отмечено при пороговом поле порядка 3 кЭ [8], как наблюдается в нашем случае рис. 26. Для передвойникова-ния мартенситной фазы с семислойной модуляцией требуется большее поле порядка 5 кЭ и предварительное одноосное сжатие монокристального образца, согласно работе [9]. Это обстоятельство позволяет сделать заключение, что в результате охлаждения по первому режиму при Т = 268 К образуется фаза с пятислойной модуляцией. В результате второго режима была получена фаза с семислойной модуляцией, о чем говорит вид кривой намагничивания без аномалий рис. 2а. Таким образом, обозначению Рх соответствует 5М-фаза, в Р2 - 7М-мартенсит. Охлаждение из аустенитной области в данном случае приводит к появлению при Т = И.-фазы с семислойной модуляцией. В соответствии с рис. 1 намагниченность Р2-фазы также зависит от режима охлаждения. Можно видеть, что в процессе нагрева (кривая 2) в результате перехода в3 —*- Р2 реализуется состояние с меньшей намагниченностью по сравнению со случаем, когда кристаллы Р2-мартенсита образуются в аустенитной фазе. Очевидно, что дефектная структура Р2-мартенсита различается в зависимости от вида исходной фазы - аустенит или Р3-мартенсит. Поэтому в ненасыщающих полях наблюдается различие в намагниченностях для двух различных состояний Р2-мартенсита. Для получения 5М-мар-
тенсита требуется охлаждение до Т < И, и последующий нагрев до Т < И,. Было проведено изучение температурной зависимости намагниченности Р2-фазы при охлаждении (кривые 3 на рис. 1). Переход рх —»- Р3 происходит при несколько большей температуре по сравнению с переходом Р2 —► Р3. В настоящей работе использованы образцы с большими зернами (порядка 2-3 мм), в каждом зерне при Т < И, имеются мартенситные варианты с тремя ориентациями тетрагональной кристаллической решетки с осями тетрагональ-ности вдоль направлений (100). Поэтому в магнитном поле, большем порогового, только для части мартенситных вариантов может реализоваться условие для роста благоприятно ориентированных двойников. Следует помнить, что легкие оси намагничивания для 5М фазы направлены вдоль осей тетрагональности. Частичная переориентация двойников и обуславливает вид кривой на рис. 26, описывающей изменение намагниченности при росте поля. Отсутствие аномалий на ветви кривой 26, соответствующей уменьшению намагничивающего поля, указывает на неупругий характер магнитопластической деформации в данном случае, при выключении поля отсутствует обратное перемещение двойниковых границ.
Рис. 2. Полевые зависимости намагниченности для двух состояний мартенситной фазы,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.