ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2008, том 72, № 10, с. 1520-1522
УДК 669.2474295:620.186.1
ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ НА СТРУКТУРУ И ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СПЛАВАХ Ni-Mn, ЛЕГИРОВАННЫХ ТИТАНОМ
© 2008 г. К. А. Юрченко, Л. И. Юрченко, Н. И. Коуров, В. Г. Пушин
Институт физики металлов УрО РАН, Екатеринбург E-mail: pushin@imp.uran.ru
Методами измерения электросопротивления, просвечивающей электронной микроскопии, дифракции электронов и рентгеновских лучей исследована кристаллическая структура сплава NiMn, легированного титаном в широком интервале температур и составов. Обнаружено, что легирование титаном не только понижает температуру мартенситного превращения, но и изменяет кристаллическую структуру мартенсита. Определены температуры мартенситных переходов и построена диаграмма мартенситных переходов для сплавов системы Ni50Mn50 _ xTix.
Известно [1-4], что сплавы системы №Мп вблизи эквиатомного состава имеют два высокотемпературных фазовых перехода: у ^ в ^ 0 (где у -ГЦК-фаза с параметром решетки а = 0.365 нм). Диффузионный переход у ^ в осуществляется при температуре ~1180 К. Образующаяся в-фаза имеет ОЦК-решетку, атомно-упорядоченную по типу СвС1 (В2) с параметром решетки аВ2 = 0.298 нм. Второе превращение в ^ 0 происходит по мартен-ситному типу в интервале температур 950-1020 К. Упорядоченная 0-фаза имеет тетрагональную структуру типа СиАи1 (¿Л0) с параметрами а = = 0.373 нм; с/а = 0.95, которые меняются в зависимости от состава и термообработки сплавов. Точно такое же мартенситное превращение в ^ 0 (В2 ^ !Л0) наблюдалось в марганцевых сплавах МпРё, МпЯЪ, Мп1г, МпИ. По характеру протекания в ^ 0 мартенситное превращение, по-видимому, является термоупругим, что обусловливает возможность реализации в них эффекта памяти формы. Из-за высокой температуры мартенситного перехода изучение характера мартенситного превращения, его последовательности и структуры мартенситов довольно затруднено. Легирование сплавов №Мп позволяет снизить температуру мартенситного превращения. Такими легирующими элементами являются Сг, V, И, А1,
В данной работе было исследовано влияние легирования титаном сплавов №Мп (методом замещения марганца) на температуру и последовательность мартенситных превращений и на структуру мартенситных фаз. Были исследованы сплавы следующих составов: №50Мп50 _ хТ1х (х = 5, 10, 15, 20, 25, 30 ат. %). Исследования проводили методами измерения электросопротивления, просвечивающей электронной микроскопии, дифракции рентгеновских лучей и электронов в широком интервале температур и составов.
Установлено [5-8], что все сплавы при температуре 1100 К находились в 52-состоянии. Измерения электросопротивления позволили установить, что эти сплавы испытывают одно мартенситное превращение (рис. 1). На кривых электросопротивления наблюдались падение (при нагреве) и подъем (при охлаждении) значений электросопротивления при изменении температуры образца. Причем мартенситное превращение сопровождается узким температурным гистерезисом. Были определены температуры начала и конца прямых и обратных мартенситных превращений. Установлено, что с увеличением содержания титана в сплаве температура мартенситного превращения понижается. Наличие узкого температурного гистерезиса говорит о термоупругом характере мартенситных превращений.
Рентгеноструктурные исследования показали, что все исследованные сплавы после закалки были в мартенситном состоянии. Расчеты рентгенограмм позволили установить, что мартенсит имеет многослойную NR-структуру. Структура мартенситов изменялась как в зависимости от содержания титана в сплаве, так и от скорости охлаждения. Проведенные нами рентгеноструктурные исследования in situ позволили определить температуры мартенситных превращений. Совместно с данными измерения электросопротивления были уточнены температуры прямых и обратных мартенситных превращений и построена диаграмма мартенситных превращений для сплавов Ni50Mn50 - xTix (x = 5, 10, 15, 20, 25, 30 ат. %) (рис. 2). Определена последовательность мартенситных превращений в сплавах как при нагреве, так и при охлаждении. Установлено, что при медленном охлаждении мар-тенситные превращения происходят многоступенчато: первое мартенситное превращение B2 ^ 3R, а второе - 3R ^ NR. Мартенситные превращения
1520
ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ НА СТРУКТУРУ И ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ
1521
р, мкОм ■ см
150 100
150 100 200 150 100 300 250 200
300 250 200
300 250 200
К15сМП20Т1з0
X
№50МП25Т125
К15сМПз5Т115
К150МП40Т1Ш
_|_I_I__I I
200 400 600 800 10001200
т, к
Рис. 1. Температурные зависимости электросопротивления сплавов системы №-Мп-Т1.
сопровождаются широкими двухфазными областями.
Установлено, что поведение В2-решетки при охлаждении от 1100 К перед мартенситным превращением В2 ^ 3Я практически одинаково для всех сплавов. Интенсивность линии (110)В2 перед мартенситным превращением В2 ^ 3Я падает, что свидетельствует о потере устойчивости В2-решет-ки перед мартенситным превращением.
Электронно-микроскопические исследования сплавов №-Мп—Л проводили при комнатной температуре после закалки от 1073 К в течение 30 мин и после медленного охлаждения в рентгеновской камере на тех же образцах, что и рентгенострук-турный анализ. Медленно охлажденные сплавы при комнатной температуре (согласно расшифровке рентгеновских данных) имели следующие структуры: сплав №50Мп45Т15 - 27^-структуру; сплавы №50Мп40Т110 и №50Мп35Т115 - 18^-структуру; сплавы №50МП30Т120 и №50Мп25Т% - 15^-структуру; сплав №50Мп20Т130 - 4Я-структуру.
Электронно-микроскопические изображения мартенситных фаз представлены на рис. 3. 18^-мар-тенсит представляет собой крупные кристаллы мартенсита, которые состоят из большого числа микродвойников и дефектов упаковки. 4Я-мартенсит имеет вид линзовидных кристаллов, расположенных под углом ~90° друг к другу. Особенность электроно-грамм, полученных от мартенситных кристаллов, -наличие серии отражений, разбивающих отрезок между нулевым узлом и узлом (110) (в индексах ис-
Температура, К 1100 1000' 900 800 700 600 500 400 300
Мз-Б2-3Е
J_I
5 10 15 20 25 30 35 40 Т1, ат.%
Рис. 2. Диаграмма мартенситных превращений для медленно охлажденных (~100 град/ч) сплавов №50Мп50 - ХТ1Х (х = 5, 10, 15, 20, 25, 30 ат. %).
Рис. 3. Темнопольные изображения 18Л-мартенсита сплава №50Мп40Т110 (1) и 4Я-мартенсита сплава №50Мп20Т130 (2) (х20000) и их электронограммы.
ходной ОЦК-фазы) на N равных частей. Анализ микрофотографий позволяет установить, что NR-мартенсит состоит из пакетов параллельных пластин с плоскими разделами границ и тонкими двойниками внутри них. Электронно-микроскопи-чески эти фазы неразличимы, так как рефлексы этих фаз на электронограммах совпадают. Кристаллы мартенситов представляли собой пакеты двойникованных параллельных пластин. Иногда пакеты пластин расположены под углом друг к другу. Внутри кристаллов двойников наблюдали дефекты упаковки и микродвойники.
Таким образом, наши исследования методами измерения электросопротивления, высокотемпературного рентгеноструктурного анализа, просвечивающей электронной микроскопии и дифракции электронов показали, что легирование сплава №-Мп титаном методом замещения марганца
^Мд^; №50МП40Т1ю; №50^35^5; №5сМП30Т120;
1
2
10 ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 72 < 10 2008
1522
ЮРЧЕНКО и др.
Ni50Mn25Ti25; Ni50Mn20Ti30) приводит к понижению температуры мартенситного превращения. Построена диаграмма мартенситных превращений для сплавов Ni-Mn-Ti. Установлено, что увеличение содержания титана в сплаве сохраняет плотно-упакованные слои, но порядок их упаковки меняется. Структурные типы длиннопериодных мартенситов отличаются количеством плотноупакованных слоев N в элементарной ячейке. N зависит от количества титана в сплаве: чем меньше титана в сплаве, тем больше период решетки. Мартенситные превращения происходят ступенчато.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке по проектам РФФИ № 06-02-16695, 0703-96062.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Adachi Kenji, Wayman C.M. // Met. Trans. A. 1985.
V. 16a. P. 1567, 1581.
2. Kren E., Nagy E., Nagy I. et al. // J. Phys. Chem. Solids. 1968. V. 29. P. 101.
3. Пушин В.Г., Кондратьев ВВ., Хачин В Н. Пред-переходные явления и мартенситные превращения. Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 1998.
4. Винтайкин Е.З., Макушев С.Ю., Полякова НА. и др. // ФММ. 1990. № 6. С. 115.
5. Пушин В.Г., Юрченко Л.И., Юрченко К.А., Коуров Н И. // Проблемы нанокристаллических материалов: Сб. научных трудов / Под ред. Устинова В.В., Носковой Н.И. Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2002. С. 519.
6. Пушин В.Г., Юрченко Л.И., Юрченко К.А. // Там же. С. 160.
7. Пушин В.Г., Юрченко К.А., Юрченко Л.И., Коуров Н И. // ФММ. 2002. Т. 93. № 3. С. 75.
8. Пушин В.Г., Прокошкин С.Д., Валиев Р.З. и др. Сплавы никелида титана с памятью формы. Часть I. Структура, фазовые превращения и свойства / Под ред. Пушина В.Г. Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2006. 440 с.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 72 < 10 2008
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.