Содержание
ВВЕДЕНИЕ..................................................... 4
1. ФЕРРОМАГНИТНЫЕ СПЛАВЫ ГЕЙСЛЕРА С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ
1.1. Природа мартенситных превращений и эффект памяти формы 14
1.2. Свойства сплавов семейства М-Мп-ва..................... 24
2. ПРИГОТОВЛЕНИЕ ОЬРАЗЦОВ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
2.1. Приготовление поликристаллов........................... 36
2.2. Приготовление монокристаллов........................... 40
2.3. Экспериментальное исследование мартенситного перехода оптическим методом.......................................... 44
3. ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА СТРУКТУРНЫЙ ФАЗОВЫЙ ПЕРЕХОД В ПОЛИКРИСТАЛЛАХ ^хМпьхСЗа
3.1. Зависимость температур перехода от магнитного поля и разброс температур по объёму образца................................ 49
3.2. Обратимый по магнитному полю структу рный переход в образцах М2о<Мп,.хС,а, Х=0,16; 0,18; 0,19............................ 56
2
4. ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК Ре И Со НА СВОЙСТВА СПЛАВОВ Иі-Мп-Са
4.1. Структурные и магнитные свойства сплавов с добавками Бс и Со. .. 61
4.2. Влияние магнитного поля на структурный переход в образцах с добавками Бе и Со.............................................. 74
4.3. Псевдоупругость и эффект памяти формы в сплавах........... 78
4.4. Влияние мапнгтного поля на форму образца через структурный фазовый переход (память формы, управляемая магнитным полем) 85
4.5. Термодинамические оценки влияния магнитного поля и давления
на фазовый переход............................................. 88
5. СВОЙСТВА МОНОКРИСТАЛЛОВ
5.1. Структурные и магнитные характеристики монокристаллов..... 94
5.2. Движение границы раздела маргснситной и аустенитной фаз под
действием магнитного поля в монокристалле Ni2.19Mna.s1Ga....... 99
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................... 102
СГІИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ............................................ 104
3
Введение
Интерес к изучению материалов, проявляющих термоупругие свойства, сопровождающиеся памятью формы, связан с возможностью их применения как в обычных технических решениях, например, в качестве переключателей кондиционеров, регуляторов температуры бытовых смесителей, пожарной сигнализации и т.д., так и в высокотехнологичных областях, таких как уникальное приборостроение, робототехника, космическая техника, медицина [1-5]. Дальнейшие фундаментальные исследования материалов данного класса позволят улучшить термо,механические, структурные и другие свойства сплавов, что сможет расширить области их практического применения и позволит создать на их базе принципиально новые устройства и механизмы.
Эффект памяти формы, сверхупругость и сверхпластичность присущи сплавам, испытывающим термоупругие мартенситныс превращения, таким как №“П, Си2п и т.д. [6-10]. Особое место в их ряду занимает соединение ЫьМпОа и его модификации. В данном сплаве структурный фазовый переход происходит в ферромагнитном состоянии вещества (11-14]. В этом случае наблюдается сильное взаимное влияние структурной и магнитной подсистем [15-21], что позволяет управлять формой и размерами образца из
4
сплавов с эффектом памяти формы не только посредством изменения температуры и давления, но также и при помощи магнитного поля.
Следует, однако, различать изменение формы под действием магнитного поля вследствие структурного перехода и деформацию образца в магнитном поле по причине магнитострикции или процессов, обусловленных движением двойниковых границ и происходящих в пределах низкотемпературной мартенситной фазы. Изменение формы за счёт магнитострикции, как правило, незначительно (порядка 0,1%). Движение же двойниковых границ, хотя и даёт относительную деформацию около 5% [22-25], не обладает универсальностью эффекта памяти формы. Образец с эффектом памяти формы можно натренировать на любой вид деформации -изгиб, кручение, сжатие и т. д.
Применение сплавов М-Мп-ва достаточно эффективно во всех областях, где уже используются другие материалы с памятью формы. Однако наряду с перечисленными существует ряд областей применений, которые требуют строго определённой температуры, например, медицина, биология, химия и другие. Именно в таких областях наиболее целесообразно использование материала М-Мп-Са, так как управлять формой образца из данного сплава при помощи магнитного поля можно при фиксированной температуре.
Теоретически и экспериментально возможность одностороннего управления структурным фазовым переходом при помощи магнитного поля на образцах №-Мп-Са была показана в [26-29, Л1 ]. В работах [Л2, ЛЗ] экспериментально продемонстрировано управление обратимым фазовым переходом с помощью магнитного поля.
5
Цель работы заключается в исследовании структурных и магнитных свойств сплавов системы №-Мп-Са, в том числе моно- и поликристашшческих, а также с добавками їїс и Со, выяснении влияния магнитного поля на температуру структурного фазового перехода и возможности управления этим переходом для получения эффекта памяти формы, индуцируемою полем.
Положения, выносимые на защиту.
1. Выявлены и исследованы зависимости температур структурного перехода от величины магнитного ноля в сплавах Міг+хМпі-хСа (Х~0,16; 0,18; 0,19).
2. Продемонстрирован обратимый структурный фазовый переход, управляемый магнитным полем, при постоянных температуре и давлении.
3. Синтезированы поликристаллические образцы с добавками железа №2>2Мпо.81‘-е,Са (2=0,04; 0,08; 0,12; 0,16) и кобальта Кіі.іб-уМіЧі.^СоуСа (У=0,03; 0,06; 0,09). Построена экспериментальная фазовая диаграмма сплавов в координатах концентрация - температура.
4. Выполнен термодинамический расчёт, позволяющий оценить смещение температуры перехода пол действием магнитного поля в трех различных случаях: 1) в ферромагнитном состоянии, 2) в парамагнитном состоянии, 3) при переходе из ферромагнитного мартенситного состояния в парамагнитное аустенитное. Приведены экспериментальные результаты для 1 и 3 случая, подтверждающие предсказанный харакгер зависимостей.
5. Исследованы механические свойства сплавов с добавками іїс и Со. Показано наличие в них эффектов памяти формы, сверхпластичности и сверхупругости.
6
6. Получен эффект памяти формы, индуцированный выключением магнитного поля, сопровождающийся переходом из мартснситного состояния в аустеннтное при постоянной температу ре.
7. Выращены монокристаллы Ni2.15Mny.g5Ga и Мг.гэМполСа методом Чохральского. Исследованы их структурные и магнитные свойства. Обнаружено движение границы раздела аусгени гной и мартенситноп фат под действием магнитного поля в образце Ni2.1vMno.8iGa.
Научная новизна работы состоит в реализации управления эффектом памяти формы путём изменения магнитного поля. Получены экспериментальные результаты, свидетельствующие о прямом влиянии магнитного ноля на температурный гистерезис образования и перестройки мартенситных доменов при структурном переходе. Оптическим методом, предложенным в настоящей работе, исследованы полевые зависимости температур структурного перехода в сплавах Ni2.xMn1.xGa (Х=0,16; 0,18; 0,19) в сильных магнитных полях 1-12 Тл. Показано, что эти зависимости приблизительно линейны и наибольшее влияние поля наблюдается при такой избыточной концентрации N1 (Х=0,19), когда температуры структурного и магнитного фазовых переходов совпадают. При постоянных температуре и давлении продемонстрирован обратимый структурный фазовый переход, управляемый магнитным полем. Посгроена экспериментальная фазовая диаграмма сплавов с добавками железа и кобальта в координатах концентрация - температура, на основании которой показана возможность получения материалов с совпадающими структурным и магнитным фазовыми переходами в широком интервале температур.
Практическая значимость работы обусловлена широким применением сплавов с эффектом памяти формы в современной технике. Полученные в диссертации экспериментальные результаты могут быть использованы при создании функциональных устройств, в основе которых лежит эффект
7
памяти формы, управляемый изменением величины магнитного поля. Также полезны они будут в технологическом аспекте: при решении проблем повышения пластичности, расширения температурного интервала управления и снижения полей управления.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на научных семинарах ИРЭ РАН, ИФП и МГУ, XVI и XVII Международных школах-семинарах “Новые магнитные материалы микроэлектроники’' (Москва, 1998, 2000), 10-ой Чешской и Словацкой конференции по магнетизму (Кошице, 1998), Международной конференции "Фазовые
переходы и критические явления в конденсированных средах" (Махачкала, 1998), 43-ей Международной конференции по магнетизму и магнитным материалам (Майями, 1998), Московском Международном симпозиуме по магнетизму (Москва, 1999), школе-семинаре "Актуальные проблемы
физической и функциональной электроники" (Ульяновск, 1999), 2-ой объединенной конференции по магннтоэлекгронике (Екатеринбург, 2000), 28-ой Международной зимней школе физиков-теоретиков "Коуровка-2000" (Екатеринбург, 2000), Международной конференции "Фазовые переходы и нелинейные явления в конденсированных средах" (Махачкала 2000), 3-ем Международном симпозиуме по сплавам с памятью формы и
сопутствующим технологиям (Сендай, 2000), Евро-Азиатском симпозиуме "Прогресс в магнетизме” (Екатеринбург, 2001).
Личное участие автора заключается в приготовлении образцов,
создании экспериментальной установки но исследованию структурных переходов оптическим методом, проведении комплексных экспериментов, в качественном и количественном объяснении полученных результатов в рамках термодинамических соотношений Клапейрона-Клаузиуса.
8
Публикации. По теме диссертации опубликованы следующие работа:
1. Васильев АН., Коледов В В., Тулайкова А.Л., Черечукин А.А., Шавров В.Г'. Экспериментальное исследование влияния магнитною поля на структурный фазовый переход в ферромагнитном сплаве с памятью формы Ni2.0M1V1.x1Ga // Тез. докл. XVI Международной школы-семинара "Новые магнитные материалы микроэлектроники". Москва. 1998, с. 352-353.
2. Cherechukin А.А., Kolcdov V.V., Shavrov V.G., Tulaikova A.A. The influence of a magnetic field on the martensite phase transition in Ni>xMii|.xGa 4 Abstracts of the 10°' Czech and Slovak Conf. on Magnetism. Kosice. 1998, p. 7P.94.
3. Cherechukin A.A., Koledov V.V., Shavrov V.G., Tulaikova A.A. Magnetic field influence on structural phase transition in ferromagnetic with shape memory effect Ni2MnGa // Abstracts of the 43rd Annual Conf. on Magnetism & Magnetic Materials. Miami. 1998, p. AR-16.
4. Коледов B.B., Тулайкова A.A., Черечукин A.A., Шавров В.Г. Струюурный фазовый переход в ферромагнетике с памятью формы Ni2.14MnD.8iGa в магнитном поле И Тез. докл. Международной конф. "Фазовые переходы и критические явления в конденсированных средах". Махачкала. 1998. с. 75.
5 Божко А.Д., Васильев А.Н., Ховайло В.В., Дикштейн И.Е., Коледов В В., Селецкий С.М., Тулайкова А.А., Черечукин А.А., Шавров В.Г., Бучелышков В.Д. Магнитные и структурные фазовые переходы в ферромагнитных сплавах Ni2i\Mni xGa с памятью формы // ЖЭТФ, 1999, т. 115, вып. 5, с. 1740-1755.
6. Cherechukin А.А., Dikshtein I.E., Glcbov A.V., Kolcdov V.V., Shavrov V.G., Tulaikova A.A. Magnetic field influence on phase transitions in intermetallic compounds Ni-Mn-Ga with shape memory effect // Book of Abstracts of Moscow Intern Synip. on Magnetism. Moscow. 1999, p. 178-179.
9
- Київ+380960830922