ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2007, том 103, № 3, с. 280-287
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ^^^^^^^^^^ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 669.112 227346.2:537.3113:537.6224
ВЛИЯНИЕ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СПЛАВА №216Мп08^а
© 2007 г. Н. И. Коуров, В. Г. Пушин, А. В. Королев, В. А. Казанцев, Е. Б. Марченкова, А. Н. Уксусников
Институт физики металлов Уральского отделения РАН, 620219, Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 Поступила в редакцию 26.06.2006 г.; в окончательном варианте - 07.09.2006 г.
Исследовано влияние интенсивной пластической деформации кручением (ИПДК) на кристаллическую структуру и поведение электросопротивления, термоэдс, теплового расширения и магнитных свойств быстрозакаленного сплава №216Мп0 84Ga. Показано, что после обработки ИПДК субмикрокристаллического быстрозакаленного сплава образуется смесь аморфной и нанокристалличе-ской фаз. Электрические свойства сплава объясняются в двухзонной модели Мотта. Особенности магнитных свойств связываются с сосуществованием ферро- и антиферромагнитных взаимодействий в атомно-разупорядоченном состояния сплава.
PACS 81.30. К, 75.80+q
Ферромагнитные сплавы Гейслера на основе композиций №2+хМи1 _ хва обладают магнитно-управляемым эффектом памяти формы и в связи с этим привлекают пристальное внимание ученых, работающих как в фундаментальной, так и в прикладной науке. В последнее время эти сплавы широко исследуются, однако некоторые актуальные проблемы, как прикладного характера, так и физики этих сплавов остаются нерешенными. В частности, неясно, в какой мере условия приготовления сплавов могут повлиять на их кристаллическую и электронную структуры, а также на магнитное состояние. Остаются актуальными проблемы: выбора составов вблизи стехиометриче-ского №2Мпва, определения режимов обработки и влияния легирования элементами таблицы Менделеева на физические параметры образцов с целью нахождения материалов с необходимыми эксплуатационными характеристиками.
ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ
В настоящей работе проведены комплексные исследования по выяснению эволюции кристаллической структуры, изменений в поведении теплового расширения, электрических (электросопротивления, термоэдс) и магнитных (намагниченности, магнитной восприимчивости) свойств сплава №216Мп084Оа, который сначала подвергался сверхбыстрой закалке из расплава, а затем интенсивной пластической деформации кручением. Особенности получения и свойства быстрозакаленного сплава обсуждались в [1, 2]. Интенсивная пластическая деформация образцов осуществлялась
с использованием наковален Бриджмена путем вращения нижнего бойка диаметром 10 мм на определенное число оборотов n под высоким (несколько гигопаскаль, ГПа) давлением P [3]. При этом под воздействием приложенного давления и давления со стороны внешних слоев образца его основной объем деформировался практически в условиях квазигидростатического сжатия.
Нами исследовались 3 серии образцов, вырезанных из центральной части деформированного материала, которые были получены при условиях: n = 2, P = 3 ГПа; n = 5, P = 3 ГПа и n = 5, P = = 5 ГПа. Кристаллическая структура пластически деформированного сплава изучалась методами просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения на микроскопах JEM-200 CX и СМ-30, а также с помощью рентгеновского ди-фрактометра типа ДРОН. Электросопротивление р и термоэдс S измерялись потенциометриче-ским способом в интервале 2 < T < 800 К. Тепловое расширение исследовалось в диапазоне 80 < T < < 800 К на дилатометре фирмы "ULVAK-RIKO" (Япония). Магнитные свойства измерялись при температурах 2-400 К сквид-магнитометром MPMS-5XL фирмы Quantum Design.
Методами рентгеноструктурного анализа и просвечивающей электронной микроскопии в [1, 2] показано, что быстрозакаленные сплавы при высоких температурах имеют аустенитную субмикрокристаллическую структуру L21 со средним размером зерна ~0.5 мкм. Это практически на три порядка величины меньше, чем в исходном литом сплаве. Кроме того, в образцах, полученных в результате сверхбыстрой закалки из расплава, наблюдается
несколько повышенная плотность дислокации и вакансий. Метод сверхбыстрой закалки, исполь-зуемыИ в [1, 2], не приводит к формированию в образцах однородного аморфного состояния, подобного тому, о котором сообщается в [4]. При комнатной температуре быстрозакаленный сплав находится в двухфазном аустенитно-мартенсит-ном состоянии. При этом пластины тетрагонального мартенсита имеют пятислойную модулированную структуру (5М или 10М). Охлаждение быстрозакаленного сплава ниже комнатной температуры сопровождается переходом в семислой-ный модулированный (7М или 14М) тонко двой-никованный мартенсит. Кроме того, в образцах ниже температуры мартенситного превращения ТМ ~ 290 К наблюдаются недвойникованные пластинчатые кристаллы тетрагонального (с/а = 1.2) мартенсита (НМ). Рентгеноструктурный анализ в целом подтверждает последовательность мартен-ситных превращений по схеме: Ь21 —► 5М + + НМ —► 7М + НМ, характерную для литых и быстрозакаленных сплавов.
После воздействия ИПДК было обнаружено, что быстрозакаленный сплав М^Мп^^а при комнатной температуре переходит в аморфно-нанокри-сталлическое состояние с содержанием аморфной фазы около 10% и нанокристаллов размером зерна 10-20 нм. При этом кристаллическая структура нанозерен имеет аномально высокую степень тетрагональности с/а - 1.4. В нанозернах не наблюдается признаков микродвойникования и модуляции структуры, характерных для субмикрокристаллического мартенсита в быстрозакаленном сплаве. Это, по-видимому, связано с особенностями дефор-мационно-индуцированного мартенситного превращения под влиянием ИПДК. Отжиг пластически деформированного сплава, начиная с температур ~550 К, приводит к расстеклованию и к созданию однородной наноструктуры аустенита. Варьирование условий отжига (температуры и длительности) позволяет в широких пределах регулировать характеристики как наноструктурного состояния, так и последующих мартенситных превращений Ь21 -—- 5М -—^ 7М, происходящих в сплаве при дальнейшем охлаждении.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И РЕШЕТОЧНЫЕ СВОЙСТВА
Результаты измерений электросопротивления сплава №2Л6Мп08^а, приведенные на рис. 1, показывают, что после интенсивной пластической деформации кручением изменяется не только величина остаточного сопротивления р0, определенного при температурах жидкого гелия (Т = 4.2 К), но и вид зависимости р(Т). Все образцы, пластически деформированные в разных условиях, имеют р(Т) ~ (150-200) мкОм см вплоть до Т ~ 650 К и характеризуются наличием отрицательного темпе-
р, мкОм см
200 150 100 50 0 200 150 100 50 0 200 150 100 50 0 200 150 100 50 0 200 150 100 50
0
2
(д)
200
400
т, к
(г)
(в)
(б)
(а)
600 800
Рис. 1. Электросопротивление исходного сплава Ni2.16Mn0.84Ga (а); быстрозакаленного сплава (б); быстрозакаленного сплава после ИПДК при условиях: п = 2 и Р = 3 (в), п = 5 и Р = 3 (г) и п = 5 и Р = 5 (д). Цифры по мере их увеличения показывают порядок изменения температуры.
ратурного коэффициента сопротивления (ТКС). В результате пластической деформации р0 исследованных образцов возрастает в пять раз и более. Причем рост значений параметров, при которых осуществлялась деформация, особенно числа оборотов п, сопровождается более сильным увеличением р0. При этом отрицательный наклон кривых р(Т) при Т < 550 К изменяется незначительно. В пластически деформированных образцах на кри-
1
3
2
1
3
1
2
3
вых р(Т) не наблюдаются характерные аномалии, свидетельствующие о наличие точек мартенсит-ного или магнитного превращений.
В настоящее время для объяснения отрицательного ТКС в высокоомных разупорядоченных сплавах используется несколько моделей. При обсуждении отрицательного ТКС в аморфных сплавах наиболее часто применяют двухзонную модель Мотта [5] или дифракционную теорию Займана [6]. Последняя разработана для жидких металлов. Казалось бы, в частично аморфном пластически деформированном сплаве, который в первом приближении можно рассматривать как жидкокристаллическую структуру в "замороженном" состоянии, для описания кинетических свойств будет правильным использовать именно теорию Займана, согласно которой
Р =
2пт Ос
йв2 Ел
£( 2кр )| V (2кр )|2,
(1)
где кр - значение волнового вектора электрона на поверхности Ферми, Ер -энергия Ферми, V(2kр) -фурье-компонента потенциала взаимодействия электрона с отдельным атомом (псевдопотенциал), £(2кр) - статистический структурный фактор;
- атомный объем. Поскольку 2кр обычно находится недалеко от положения первого максимума структурного фактора кР, то зависимость р(Т) определяется относительными значениями величин 2кР и кР. При условии 2кр < кР повышение температуры сопровождается уменьшением по высоте и уширением основного максимума структурного фактора. Согласно (1), это приведет к отрицательному ТКС.
Выше Т ~ 550 К с ростом температуры происходит необратимое довольно резкое уменьшение р(Т) вследствие упорядочения сплава. В последующем, такие отожженные образцы имеют зависимость р(Т), обычную для исходного сплава №2.16Мп08^а с ТКС > 0. В теории Займана это соответствует условию 2кр > кР, когда с ростом температуры увеличивается высота первого максимума £(2кр). В образцах, отожженных после ИПДК, как и в быстрозакаленном сплаве, на кривых р(Т) наблюдаются особенности в виде изломов вблизи температур мартенситного ТМ ~ 290 К и магнитного ТС ~ 330 К переходов. Однако в точках фазовых превращений атомно-разупорядоченных образцов указанные особенности проявляются слабее, чем в обычном литом сплаве этого же состава (см. рис. 1). В отличие от исходного сплава №2.16Мп08^а, в исследованных нами отожженных (нагретых до Т ~ 800 К) после обработки ИПДК образцах, на зависимостях р(Т) при Т < ТМ наблюдается незначительный гистерезис. Следует отметить, что обработка сплава методом ИПДК не приводит к нарушению сплошности образцов.
Из рис. 1 видно, что в исходном сплаве, в отличие от пластически деформированных способом ИПДК и в последующем отожженных образцов, при прохождении точки мартенситного превращения ТМ сопротивление необратимо возрастает, дости
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.