Эффект памяти формы и сверхэластичность в состаренных [001]- монокристаллах сплава CoNiGa Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 669.539.371:548.55

DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1085-1088

ЭФФЕКТ ПАМЯТИ ФОРМЫ И СВЕРХЭЛАСТИЧНОСТЬ В СОСТАРЕННЫХ [001]- МОНОКРИСТАЛЛАХ СПЛАВА CoNiGa

© И.В. Куксгаузен1*, И.В. Киреева1*, Ю.И. Чумляков1*, Х. Майер2)

1) Национальный исследовательский Томский государственный университет, г. Томск, Российская Федерация,

e-mail: [email protected] 2) Институт материаловедения университета им. Г.В. Лейбница, г. Ганновер, Германия, e-mail: [email protected]

На [001]-монокристаллах сплава Co49Ni21Ga30 при деформации сжатием исследовано влияние наноразмерных дисперсных частиц у'-фазы на величину эффекта памяти формы (ЭПФ) и сверхэластичности (СЭ), температурный и механический гистерезисы и температурный интервал проявления СЭ. Установлено, что выделение частиц у'-фазы приводит к уменьшению величины ЭПФ и СЭ, к увеличению температурного и механического гистерезисов по сравнению с однофазным состоянием. Показано, что в кристаллах с частицами размером 3-5 нм температурный интервал наблюдения СЭ в 1,3 раза больше, чем в кристаллах без частиц. Ключевые слова: монокристаллы; эффект памяти формы; сверхэластичность; наноразмерные частицы у' -фазы.

В настоящей работе представлены результаты исследования влияния наноразмерных дисперсных частиц у'-фазы на развитие термоупругого B2-L10-мартенситного превращения (МП), ЭПФ и СЭ в [001]-монокристаллах сплава Co49Ni21Ga30 при деформации сжатием.

Монокристаллы сплава Co49Ni21Ga30 (ат. %) выращивали методом Бриджмена в атмосфере инертного газа. Образцы для испытаний на сжатие имели форму параллелепипедов с размерами (3x3x6) мм3. Для получения однофазного состояния образцы выдерживали при Т = 1573 К, 30 мин. с последующей закалкой в воду. Для выделения наноразмерных частиц у'-фазы выбрали старение при Т = 623 К в течение 15 мин. и 3 ч. Электронно-микроскопически установлено, что после старения в течение 15 мин. частицы у'-фазы имеют сферическую форму размером d = 3-5 нм, а после старения в течение 3 ч частицы имеют неравноосную форму: толщина и длина частиц равны w = 5-8 нм и d = 10-25 нм, соответственно.

На рис. 1 представлены е(Т) кривые, полученные в эксперименте при охлаждении/нагреве при минимальных внешних сжимающих напряжениях, при которых наблюдается первая петля ЭПФ, для однофазных и состаренных [001]-монокристаллов сплава Co49Ni21Ga30. Из рис. 1 видно, во-первых, выделение частиц у'-фазы приводит к значительному понижению температуры начала прямого МП при охлаждении под нагрузкой M° на 100-150 К относительно однофазного состояния, где Ms" = 263 К. При этом в однофазных кристаллах минимальные напряжения, необходимые для реализации МП, под нагрузкой равны 2,5 МПа, а при старении в течение 15 мин. и 3 ч эти напряжения оказываются больше в 4 и 35 раз, соответственно. Понижение температуры M° в кристаллах с частицами по сравнению с однофазным состоянием связано с повышением уровня напряжений высокотемпературной

Д2-фазы при выделении частиц и, как следствие этого, с увеличением сопротивления движению межвариантных и междвойниковых границ £10-мартенсита.

Во-вторых, в однофазных кристаллах при минимальных авнеш = 2,5 МПа величина ЭПФ еЭПФ = 3,5 %. Эта величина оказывается близкой к теоретически рассчитанному значению деформации решетки е0 = 4,5 % для [001]-ориентации при В2-£10-МП [1]. Следовательно, напряжения авнеш = 2,5 МПа оказываются достаточными для полного разрушения самоаккомади-рующей структуры ¿10-мартенсита и роста его ориентированного варианта под нагрузкой. Максимальное значение еЭПФ = 4,2 % достигается при авнеш = 30 МПа (рис. 2, кривая 1).

Рис. 1. е(!)-кривые для однофазных и состаренных при 623 К, 15 мин. и 3 ч [001]-монокристаллов сплава Co49№21Gaз0, полученные в эксперименте при охлаждении/нагреве при минимальных внешних сжимающих напряжениях

Выделение частиц у'-фазы приводит к уменьшению величины ЭПФ по сравнению с кристаллами без частиц: при старении в течение 15 мин. при минимальных авнеш = 10 МПа 8ЭпФ = 2,1 % и с ростом авнеш остается постоянной (рис. 2, кривая 2), при старении в течение 3 ч - 8ЭПФ = 1,3 % (рис. 2, кривая 3). Частицы у'-фазы сами не испытывают превращение, а деформируются только упруго [3]. Следовательно, уменьшение величины 8ЭПФ в кристаллах с частицами по сравнению с однофазным состоянием определяется уменьшением объема матрицы, испытывающей МП. Электронно-микроскопически установлено, что объемная доля / частиц у'-фазы в состаренных кристаллах изменяется в пределах от 15 до 20 %. Оценка величины ЭПФ по соотношению:

ЁЭПФ = s<r(1 - f

(1)

показывает, что величина 8ЭПФ в состаренных кристаллах с учетом объема, занимаемого частицами, должна быть равна 3,6-3,8 %. Однако экспериментально полученные значения оказываются в 2-3 раза меньше рассчитанных. Следовательно, уменьшение величины 8ЭПФ в кристаллах с частицами по сравнению с однофазным состоянием связано с несколькими факторами: 1) с уменьшением объема матрицы, испытывающей МП, 2) с влиянием частиц на зарождение мартенсита под нагрузкой: а) образование ориентированного варианта мартенсита под нагрузкой с максимальным фактором Шмида и б) образование неориентированного мартенсита из-за внутренних напряжений у частиц и 3) с влиянием уровня внешних напряжений на параметры решеток высокотемпературной Д2-фазы и L10-мартенсита, как это ранее было показано на [123]-монокристаллах сплава Со49№21Оа30 [2].

В-третьих, величина температурного гистерезиса ДТа, характеризующая рассеяние энергии, в однофазных кристаллах при минимальных авнеш равна 25 К (рис. 2, кривая 4). В состаренных кристаллах величина ДТ увеличивается: при старении в течение 15 мин. при авнеш = 10 МПа ДГ = 100 К (рис. 2, кривая 5), при старении в течение 3 ч при авнеш = 86 МПа ДТ = 150 К (рис. 2, кривая 6). Увеличение величины ДТ° в кристаллах с частицами связано с 1) увеличением сопротивления движению межвариантных и междвойниковых границ ¿10-мартенсита, 2) взаимодействием двух вариантов мартенсита: ориентированного, образованного под нагрузкой и неориентированного от частиц [2-3].

На рис. 3 представлены кривые СЭ при деформации сжатием для однофазных и состаренных при Т = 623 К в течение 15 мин. и 3 ч [001]-монокристаллов сплава Со49№21Оа30 в температурном интервале Т = 203^573 К. Видно, что как в однофазных, так и состаренных кристаллах СЭ наблюдается в широком температурном интервале ДТСЭ и при высоких температурах при Т > 573 К: в однофазных кристаллах ДТСЭ = 290 К, при старении в течение 15 мин. ДТСЭ = = 370 К; при старении в течение 3 ч ДТСЭ = 254 К. Наблюдение СЭ в широком интервале температур и при высоких температурах в однофазных и состаренных кристаллах связано с высоким уровнем напряжений Д2-фазы в [001]-ориентации из-за равных нулю факторов Шмида для действующих систем скольжения а<100>{110} и дополнительным упрочнением Д2-фазы за счет выделения частиц у'-фазы [2; 4].

Рис. 2. Зависимость величины эффекта памяти формы (кривые 1-3) и температурного гистерезиса (кривые 4-6) от приложенных внешних сжимающих напряжений для однофазных (кривые 1, 4) и состаренных при 623 К, 15 мин. (кривые 2, 5) и 3 ч (кривые 3, 6) [001]-монокристаллов сплава Со49М210а30

Деформация. %

Деформация, %

Рис. 3. Температурный интервал проявления сверхэластичности в однофазных (а) и состаренных при Т = 623 К в течение 15 мин. (б) и 3 ч (в) [001]-монокристаллах сплава Со49М210а30 при деформации сжатием

В кристаллах без частиц в температурном интервале Т = 283^373 К при а > а01 (а01 - напряжения, необходимые для начала МП под нагрузкой) В2-£10-МП под нагрузкой развивается с коэффициентом деформационного упрочнения в = равным нулю, и характеризуется узким механическим гистерезисом Да = = 30-35 МПа. С увеличением температуры испытания при а > а01 на «а-8» кривых стадия развития МП под

нагрузкой с в = 0 вырождается, и В2-£10-МП идет с высоким в, наблюдается рост механического гистерезиса. В состаренных кристаллах при а > а01 В2-£10-МП под нагрузкой с самого начала развивается с высоким в (рис. 3б, 3в), и величина механического гистерезиса Да увеличивается в 3-5 раз по сравнению с однофазным состоянием. Увеличение Да ив в кристаллах с частицами по сравнению с однофазным состоянием определяется влиянием частиц на процессы прямого и обратного МП под нагрузкой и вариант-вариант взаимодействием ¿10-мартенсита [3]. При соответствующей термообработке изменение величины механического гистерезиса с ростом температуры испытания коррелирует с изменением величины температурного гистерезиса с увеличением внешних напряжений (рис. 3 и рис. 2, кривые 4-6).

Максимальная величина СЭ еСЭ наблюдается в однофазных кристаллах при Т = 283 К и оказывается равной теоретическому значению деформации решетки е0 = 4,5 % для [001]-ориентации при £2-£10-МП. В кристаллах с частицами величина СЭ меньше, чем в однофазных кристаллах: при старении в течение 15 мин. еСЭ = 2,7 % и 3 ч - еСЭ = 1,8 %. Для соответствующей термообработки величина СЭ равна по величине значению ЭПФ (рис. 2, 3), и ее уменьшение при выделении частиц связано с уменьшением объема матрицы, испытывающей превращение, и влиянием частиц на процессы зарождения и роста ¿10-мартенсита [2].

Таким образом, на [001]-монокристаллах сплава Co49Ni21Ga30 установлено, что за счет вариации размера и объемной доли частиц у'-фазы можно управлять температурами мартенситного превращения, величиной обратимой деформации, величинами температурного и механического гистерезисов и интервалом проявления СЭ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Dadda J., Maier H.J., Niklasch D., Karaman I., Karaca H.E., Chum-lyakov Y.I. Pseudoelasticity and cyclic stability in Co49Ni21Ga30 shape memory alloy single crystals at ambient temperature // Physical metallurgy and materials science. 2008. Vol. 39. Is. 9. P. 2026-2039.

2. Kireeva I.V., Picornell C., Pons J., Kretinina I.V., Chumlyakov Yu.I., Cesari E. Effect of oriented y' precipitates on shape memory effect and superelasticity in Co-Ni-Ga single crystals // Acta Materialia. 2014. V. 68. P. 127-139.

3. Чумляков Ю.И., Киреева И.В., Панченко Е.Ю., Кириллов В.А., Тимофеева Е.Е., Кретинина И.В., Данильсон Ю.Н., Karaman I., Maier H., Cesari E. Термоупругие мартенситные превращения в монокристаллах, содержащих дисперсные частицы // Известия вузов. Физика. 2011. № 8. С. 96-108.

4. Чумляков Ю.И., Киреева И.В., Панченко Е.Ю., Тимофеева Е.Е., Победенная З.В., Чусов С.В., Karaman I., Maier H., Cesari E., Кириллов В.А. Высокотемпературная сверхэластичность в монокристаллах CoNiGa, CoNiAl, NiFeGa, TiNi // Известия вузов. Физика. 2008. T. 51. № 10. С. 19-38.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ № 16-38-00608 и 1408-91334 ННИО.

Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.

UDC 669.539.371:548.55

DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1085-1088

SHAPE MEMORY EFFECT AND SUPERELASTICITY IN [001]-SINGLE CRYSTAL OF CoNiGa AGED ALLOY

© I.V. Kuksgauzen1*, I.V. Kireeva1*, Y.I. Chumlyakov1*, H. Maier2*

1) National Research Tomsk State University, Tomsk, Russian Federation, e-mail: [email protected] 2) Institute of Materials Science, Leibniz University, Hannover, Germany, e-mail: [email protected]

Effect of nanometric dispersed y'-phase particles on the value of the shape memory effect (SME) and supere-lasticity (SE), thermal and stress hysteresis, and temperature interval of SE was investigated under compression on [001]-single crystals of Co49Ni21Ga30 alloy. It is found that the precipitation of y'-phase particles results in a decrease of SME and SE values, an increase of the thermal and stress hysteresis compared to a single-phase state. It is shown that in crystals with particles of 3-5 nm size, an increase in the temperature interval of SE to 1.3 times is compared to the crystal without particles.

Key words: single crystals; shape memory effect; superelasticity; nanometric y'-phase particles.

REFERENCES

1. Dadda J., Maier H.J., Niklasch D., Karaman I., Karaca H.E., Chumlyakov Y.I. Pseudoelasticity and cyclic stability in Co49Ni2iGa30 shape memory alloy single crystals at ambient temperature. Physical metallurgy and materials science, 2008, vol. 39, issue 9, pp. 20262039.

2. Kireeva I.V., Picornell C., Pons J., Kretinina I.V., Chumlyakov Yu.I., Cesari E. Effect of oriented y' precipitates on shape memory effect and superelasticity in Co-Ni-Ga single crystals. ActaMaterialia, 2014, vol. 68, pp. 127-139.

3. Chumlyakov Yu.I., Kireeva I.V., Panchenko E.Yu., Kirillov V.A., Timofeeva E.E., Kretinina I.V., Danil'son Yu.N., Karaman I., Maier H., Cesari E. Termouprugie martensitnye prevrashcheniya v monokristallakh, soderzhashchikh dispersnye chastitsy. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Fizika — Russian Physics Journal, 2011, no. 8, pp. 96-108.

4. Chumlyakov Yu.I., Kireeva I.V., Panchenko E.Yu., Timofeeva E.E., Pobedennaya Z.V., Chusov S.V., Karaman I., Maler H., Cesari E., Kirillov V.A. Vysokotemperaturnaya sverkhelastichnost' v monokristallakh CoNiGa, CoNiAl, NiFeGa, TiNi. Izvestiya vysshikh ucheb-nykh zavedeniy. Fizika — Russian Physics Journal, 2008, vol. 51, no. 10, pp. 19-38.

GRATITUDE: The work is fulfilled under support of grants of Russian Fund of Fundamental Research no. 16-38-00608 and 14-08-91334 DFG.

Received 10 April 2016

Куксгаузен Ирина Владимировна, Национальный исследовательский Томский государственный университет, г. Томск, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник лаборатории физики высокопрочных кристаллов, e-mail: [email protected]

Kuksgauzen Irina Vladimirovna, National Research Tomsk State University, Tomsk, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Junior Research Worker of High-Strength Crystals Physics Laboratory, e-mail: [email protected]

Киреева Ирина Васильевна, Национальный исследовательский Томский государственный университет, г. Томск, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник лаборатории физики высокопрочных кристаллов, e-mail: [email protected]

Kireeva Irina Vasilevna, National Research Tomsk State University, Tomsk, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Main Research Worker of High-strength Crystals Physics Laboratory, e-mail: [email protected]

Чумляков Юрий Иванович, Национальный исследовательский Томский государственный университет, г. Томск, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, профессор, зав. лабораторией физики высокопрочных кристаллов, e-mail: [email protected]

Chumlyakov Yuriy Ivanovich, National Research Tomsk State University, Tomsk, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Head of High-strength Crystals Physics Laboratory, e-mail: [email protected]

Майер Ханс, Институт материаловедения университета им. Г.В. Лейбница, г. Ганновер, Германия, профессор, e-mail: [email protected]

Maier Hans, Institute of Materials Science, Leibniz University, Hannover, Germany, Professor, e-mail: [email protected]