Ультразвуковая неупругость мартенситной фазы B19' сплавов Ni-Ti и Ni-Ti-Cu Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.3

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ НЕУПРУГОСТЬ МАРТЕНСИТНОЙ ФАЗЫ B19’ СПЛАВОВ Ni-Ti И Ni-Ti-Cu

© К.В. Сапожников1*, С.Н. Голяндин1*, С.Б. Кустов2*

1) Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург, Россия, e-mail: k.sapozhnikov@mail.ioffe.ru 2) Университет Балеарских островов, г. Пальма, Испания

Ключевые слова: никелид титана; мартенситная фаза; ультразвук; неупругость; внутреннее трение.

Исследованы низкотемпературные неупругие свойства мартенситной фазы Б19' сплавов №-Ті и №-Ті-Си при частотах продольных колебаний около 100 кГц.

Внутреннее трение (ВТ) сплавов с мартенситными фазовыми превращениями на основе никелида титана продолжает привлекать значительное внимание исследователей (см., например, [1-3]). Это обусловлено практической важностью данных сплавов и большим количеством наблюдаемых неупругих эффектов. В работе [3] мы исследовали низкочастотную неупру-гость двух типичных сплавов из семейства никелида титана. В настоящей работе представлены результаты исследований тех же сплавов ультразвуковым методом.

Исследовались поликристаллические сплавы Ni-Ti околоэквиатомного состава и Ni-Ti-Cu (около 49 at.%Ti, 46 at.%Ni, and 5 at.%Cu). Температуры B2 ^ B19' превращений были определены методом сканирующей калориметрии: Ms = 325 K, Mf = 302 K, As = = 328 K, Af= 354 K для Ni-Ti и M, = 330 K, Mf = 305 K, As = 330 K, Af = 358 K для Ni-Ti-Cu. Образцы для акустических измерений вырезались электроискровым способом, отжигались 30 мин. при 973 К и закалялись в воду.

Компьютерно-управляемая система [4], основанная на резонансной методике составного пьезоэлектрического осциллятора, была использована для возбуждения продольных колебаний образцов в виде стержня и измерения ВТ и динамического модуля Юнга на частотах около 100 кГц. Система позволяла квазиодновременно регистрировать температурные зависимости декремента колебаний 5 и модуля Юнга образца E при двух различных значениях амплитуды колебательной деформации єm в диапазоне температур 7-300 К, а также при произвольных температурах проводить измерения зависимостей 5 и E от sm в диапазоне 10-7-10-4. Выбор фиксированных значений є,,,, соответствующих амплитудно-независимому и амплитудно-зависимому диапазонам, позволял получать в одном термоцикле температурные спектры амплитудно-независимого и амплитудно-зависимого ВТ, 5i и 5h, эффективного модуля Юнга и амплитудно-зависимого дефекта модуля Юнга (kE/E)h.

На рис. 1 представлены температурные зависимости 8/, и (АЕ/Е)к сплавов №-Ті (а) и №-Ті-Си (б) в области низких температур. Видно, что при Т < 50 К с понижением температуры наблюдается аномальное возрастание амплитудно-зависимой неупругости.

Поведение эффективного модуля Юнга исследованных сплавов при низких температурах показано на рис. 2. Можно отметить, что характер температурной зависимости модуля зависит от величины єш. Если при высокой єт наблюдается обычное поведение модуля с температурой, то при малой єт наблюдается усиление температурной зависимости модуля с понижением температуры, свидетельствующее о протекании релаксационного процесса.

Измерения амплитудной зависимости ВТ при различных температурах показали, что при низких температурах меняется функциональный вид зависимости (рис. 3). При Т > 50 К зависимость 8А(єт) близка к линейной (кривые хорошо аппроксимируются степенными функциями с показателями степени около 1). При Т < 50 К зависимость 8А(єт) не аппроксимируется степенными функциями. Отметим, что при этих температурах зависимость 8/г(Т) зависит от величины єт. При высокой амплитуде (єт = 10-4) влияние температуры на 8], практически исчезает.

Полученные результаты, в сочетании с данными [3], позволяют сделать следующие выводы.

1. Наблюдаемые низкотемпературные аномалии неупругости связаны с микропластическим деформированием мартенситной фазы под действием термических напряжений, обусловленных анизотропией теплового расширения.

2. Диффузионная подвижность точечных дефектов фиксируется акустической методикой при очень низких температурах. Такими высокоподвижными дефектами могут быть межузельные атомы водорода, ненамеренно введённого в сплавы при термообработке.

3. Взаимодействие подвижных точечных дефектов с линейными и планарными дефектами приводит к дополнительному амплитудно-зависимому релаксационному ВТ при температурах ниже 50 К.

Рис. 1. Температурные зависимости амплитудно-зависимого ВТ и дефекта модуля Юнга образцов N1-11 (а) и М-'П-Си (б), зарегистрированные в термоцикле охлаждение - нагрев

Рис. 2. Температурная зависимость модуля Юнга образцов №-Ті и №-Ті-Си, зарегистрированная в термоцикле охлаждение - нагрев при низкой (10-6) и высокой (6-10-5) амплитудах колебаний

Рис. 3. Амплитудно-зависимая часть декремента образца N1-11, измеренная при различных температурах в процессе нагрева. Кривая ’58 К’ аппроксимирована степенной функцией с показателем степени 1.005

ЛИТЕРАТУРА

1. Fan G., Zhou Y., Otsuka K., Ren X., Nakamura K., Ohba T., Suzuki T., Yoshida I., Yin F. // Acta Mater. 2006. V. 54. Р. 5221.

2. Mazzolai F.M., Biscarini A., Coluzzi B., Mazzolai G., Villa E., Tuissi A. // Acta Mater. 2007. V. 55. Р. 4243.

3. Sapozhnikov K., Golyandin S., Kustov S., Schaller R., Van Humbeeck J. // Mater. Sci. Eng. A. 2006. V. 442. Р. 398.

4. Gremaud G., Kustov S., Bremnes Q. // Mater. Sci. Forum. 2001. V. 366-368. Р. 652.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Sapozhnikov K.V., Golyandin S.N., Kustov S.B. Ultrasonic anelasticity of B19' martensitic phase in Ni-Ti and Ni-Ti-Cu alloys.

Low-temperature anelastic properties of the B19' martensitic phase have been studied in Ni-Ti and Ni-Ti-Cu alloys using longitudinal oscillations at frequencies of about 100 kHz.

Key words: nickel titanium; martensitic phase; ultrasonics; anelasticity; internal friction.