Тип работы:
Предмет:
Язык работы:


Закономерности формирования функциональных свойств в состаренных под нагрузкой в мартенсите монокристаллах ферромагнитного сплава NiFeGaCo

Работа №192864

Тип работы

Магистерская диссертация

Предмет

физика

Объем работы58
Год сдачи2020
Стоимость5580 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено
9
Не подходит работа?

Узнай цену на написание


Реферат 2
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Термоупругие мартенситные превращения в ферромагнитных сплавах 8
1.1 Основные закономерности мартенситных превращений в ферромагнитных сплавах 8
1.2 Кристаллография термоупругих мартенситных превращений в сплавах NiFeGaCo 11
1.3 Основы термодинамического описания мартенситных превращений 14
1.4 Особенности проявления неупругой обратимой деформации в сплавах с термоупругими
мартенситными превращениями 17
1.4.1 Механизм одностороннего и двустороннего эффекта памяти формы в циклах
охлаждение/нагрев 18
1.4.2 Функциональные свойства сплавов с термоупругими мартенситными
превращениями в циклах нагрузка/разгрузка 20
1.5 Влияние термических и термомеханических обработок на термоупругие мартенситные
превращения 23
2 Методика эксперимента 28
3 Закономерности формирования функциональных свойств в состаренных под нагрузкой в
мартенсите монокристаллах ферромагнитного сплава Ni49Fe18Ga27Co6 33
3.1 Влияние режима старения в мартенситном состоянии под сжимающей нагрузкой вдоль [110]в2-направления на двусторонний эффект памяти формы в закаленных монокристаллах сплава Ni49Fe18Ga27Co6 33
3.2 Эффект ферроэластичности и его циклическая стабильность в состаренных в
мартенситном состоянии под нагрузкой закаленных монокристаллах сплава
Ni49Fe18Ga27Co6, ориентированных вдоль [СОЦс-направления 40
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 50
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 52


Актуальность работы. Актуальность данной работы связана с научным и практическим интересом исследователей в изучении термоупругих мартенситных превращений (МП) на ферромагнитных сплавах Гейслера, которые в современных технологиях могут найти широкое применение в качестве преобразователей тепловой и магнитной энергии в механическую работу - генераторы, датчики, механизмы связи, манипуляторы, терморегуляторы, предохранители и т. д. Сплавы Гейслера на основе NiFeGa(Co) - одни из самых перспективных ферромагнитных материалов с термоупругим МП, в которых обратимые изменения размеров и формы монокристалла можно вызвать изменением температуры, воздействием внешних напряжений и магнитного поля [1]. Данные сплавы испытывают многостадийные B2(L21)-10M/14M-L10 МП, которые при деформации сжатием проявляют обратимую деформацию величиной до -6,2 %, при растяжении до +13,5 % [2]. Большинство исследований выполнено на монокристаллических образцах, т. к. исследования на поликристаллических образцах показали, что развитие термоупругих МП под нагрузкой сопровождается их разрушением по границам зерен [1].
Известно, что для управления функциональными и механическими свойствами материалов используются различные термомеханические обработки [3]. Для улучшения функциональных свойств монокристаллов сплавов Гейслера CoNiGa, CoNiAl, NiFeGaCo в последнее время используют термомеханическую обработку - старение в мартенситном состоянии под сжимающей нагрузкой (СМН), которая базируется на эффекте стабилизации кристаллов мартенсита [4 - 7]. СМН приводит к повышению характеристических температур МП (Ms, Mf, As, Af), созданию необходимых условий для проявления двустороннего эффекта памяти формы (ДЭПФ) за счет ориентированного роста мартенсита при охлаждении/нагреве без приложения внешних напряжений и ферроэластичности (ФЭ) за счет переориентации стабилизированного варианта мартенсита в циклах нагрузка/разгрузка. Физическая причина стабилизации мартенсита при выдержке под нагрузкой состоит в происходящих в материале диффузионных процессах, которые связаны с перераспределением точечных дефектов и атомов разного сорта в соответствии с симметрией и внутренней двойниковой структурой мартенсита. Увеличить эффективность СМН возможно за счет увеличения времени выдержки и скорости протекания диффузионных процессов посредством повышения температуры и внешнего напряжения при старении. Поэтому актуальным вопросом является исследование влияния различных режимов СМН на закономерности проявления функциональных свойств в монокристаллах ферромагнитного сплава Ni49Fe18Ga27Co6 (ат. %), что является целью настоящей работы.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
- Поиск и отработка режимов старения в мартенситном состоянии под сжимающей нагрузкой вдоль [110]в2-направления в условиях сверхэластичности на монокристаллах сплава Ni49Fe18Ga27Co6;
- Выяснение условий проявления двустороннего эффекта памяти формы вдоль различных кристаллографических направлений после проведения старения в мартенситном состоянии под сжимающей нагрузкой вдоль [110] ^-направления на монокристаллах сплава Ni49Fei8Ga27Co6;
- Исследование эффекта ферроэластичностив зависимости от температуры испытания в циклах нагрузка/разгрузка вдоль [001]В2-направления при сжатии и циклической стабильности ферроэластичности в состаренных в мартенситном состоянии монокристаллах сплава Ni49Fe18Ga27Co6.
Для решения поставленных в работе задач выбраны закаленные от T = 1448 K, 1 час монокристаллы сплава Ni49Fe18Ga27Co6 с последующим СМН вдоль [110^2-направления. Для изучения ДЭПФ и ФЭ в монокристаллах Ni49Fe18Ga27Co6 была выбрана [001^2-ориентация с максимальным теоретическим значением деформации решетки в0 = -6,2 % при деформации сжатием и в0 = +13,5 % при деформации растяжением.
Научная новизна работы
1. Впервые на монокристаллах сплава Ni49Fe18Ga27Co6 разработан режим старения в мартенситном состоянии под сжимающей нагрузкой вдоль [110]В2-направления в циклах нагрузка/разгрузка, который приводит к развитию двустороннего эффекта памяти формы с величиной обратимой деформации в = +(9,0 ± 0,3) %.
2. Выяснено, что в монокристаллах сплава Ni49Fe18Ga27Co6 повышение температуры и величины сжимающих напряжений старения в мартенсите приводит к увеличению обратимой деформации при проявлении двустороннего эффекта памяти формы от +7,0 до +9,0 %, наблюдению взрывоподобного превращения, сдвигу характеристических температур МП в область высоких, повышению работы W, которую может совершить образец в циклах охлаждение/нагрев при проявлении двустороннего эффекта памяти формы, от 0,004 до 0,14 Дж/г.
3. Впервые на монокристаллах сплава Ni49Fe18Ga27Co6, состаренных под нагрузкой в мартенситном состоянии, получена большая обратимая деформация в = -(14,8 ± 0,3) % вдоль [001]В2-направления при проявлении эффекта ферроэластичности. Показано, что закаленные монокристаллы демонстрируют достаточно высокую циклическую стабильность ферроэластичности при нагрузке/разгрузке.
4. Исследована температурная зависимость ферроэластичности в состаренных в мартенситном состоянии при T = 423 K под нагрузкой о = 450 МПа монокристаллах сплава Ni49Fe18Ga27Co6. Показано, что ферроэластичность наблюдается в широком температурном интервале от 300 до 343 K с максимальной величиной обратимой деформации.
Научно-практическая значимость работы. Научная значимость данных исследований заключается в возможности использования результатов работы для развития теории МП и для дальнейших исследований влияния СМН на характеристические температуры и функциональные свойства материалов. Практическая значимость связана с возможностью применения ферромагнитных материалов при изготовлении различных исполнительных устройств (актуаторов), датчиков, микроклапанов, генераторов и т. д. При разработке данных материалов важное внимание имеют такие параметры как величина обратимой деформации, термического и механического гистерезиса, уровень критических напряжений образования мартенсита, температурный интервал наблюдения сверхэластичности и ФЭ, и их циклической стабильности.
В работе использованы результаты, полученные в ходе выполнения проекта в рамках Программы повышения конкурентоспособности Томского государственного университета и гранта Российского научного фонда № 20-19-00153.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Закономерности влияния режима старения в мартенситном состоянии под сжимающей нагрузкой вдоль [110]в2-направления в течение 1 часа на характеристики двустороннего эффекта памяти формы вдоль [001] ^-направления в монокристаллах Ni49Fe18Ga27Co6. С ростом температуры старения от ТСМН1 = 373 K до ТСМН2 = 423 K и напряжений от оСМН1 = 300 МПа до оСМН2 = 450 МПа в циклах охлаждение/нагрев наблюдается: увеличение величины обратимой деформации до +9,0 %, уменьшение температурных интервалов прямого и обратного превращения до Д1 = Д2 ^ 0, повышение характеристических температур термоупругих B2-L10 мартенситных превращений на 55 - 60 K и работы, которую может совершать монокристалл при проявлении двустороннего эффекта памяти формы, почти в 30 раз.
2. Экспериментально установленные условия для наведения больших обратимых деформаций вобр = -(14,8 ± 0,3) % вдоль [001^2-направления при сжатии в широком температурном интервале от 203 до 373 K в циклах нагрузка/разгрузка с последующим нагревом за счет старения закаленных монокристаллов сплава Ni49Fe18Ga27Co6 в мартенситном состоянии при температуре ^МН2 = 423 K, 1 час под действием сжимающих напряжений оСМН2 = 450 МПа вдоль [110^2-направления.
3. Экспериментально установленная зависимость ферроэластичности с величиной обратимой деформации (-13,0 ^ -14,8) % вдоль [001] ^-направления при деформации сжатием от температуры испытания в интервале от 300 до 343 K, наблюдение двухстадийных кривых течения в температурном интервале развития МП (343 - 373 K) с обратным эластокалорическим эффектом на первой стадии в состаренных в мартенситном состоянии под нагрузкой (ТСМН2 = 423 K, 1 час, оСМН2 = 450 МПа) монокристаллах сплава Ni49Fei8Ga27Co6.
Апробация работы. По результатам магистерской диссертации опубликовано 14 научных работ: 2 статьи, входящих в базы данных Web of Science и ВАК, 12 публикаций в сборниках научных трудов и материалов всероссийских и международных научных конференций:
Международная конференция «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций», (г. Томск, 2017); XVI Российская научная студенческая конференция «Физика твердого тела», (г. Томск, 2018); 11¬й Европейский симпозиум по мартенситным превращениям ESOMAT 2018, (г. Метц,
Франция, 2018); III Международная конференция «Сплавы с эффектом памяти формы», (г. Челябинск, 2018); Международная конференция «Перспективные материалы конструкционного и медицинского назначения», (г. Томск, 2018); XVI Международная конференция студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (г. Томск, 2019); Международная научно-техническая молодежная конференция «Перспективные материалы конструкционного и медицинского назначения», (г. Томск, 2019); Международная конференция по ферромагнитным сплавам с памятью формы, (г. Прага, Чехия, 2019); Международная конференция «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций», (г. Томск, 2019); XVI Российская научная студенческая конференция «Физика твердого тела», (г. Томск, 2020).


Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь в написании работ!


1. На [001]В2-монокристаллах сплава Ni49Fei9Ga27Co6 выяснено влияние режима старения в мартенситном состоянии под нагрузкой вдоль [110]В2-направления на закономерности развития мартенситных превращений и величину двустороннего эффекта памяти формы. Экспериментально показано, что повышение температуры старения от ТСМН = 373 K до ТсмН = 423 K и соответственно внешних сжимающих напряжений от оСМН = 300 МПа до оСМН = 450 МПа приводит к:
- увеличению обратимой деформации при проявлении двустороннего эффекта памяти формы вдоль [001]В2-направления от +7,0 до +9,0 %;
- уменьшению температурных интервалов развития мартенситных превращений, т. е. наблюдению взрывоподобного превращения;
- сдвигу температур начала и конца прямого и обратного мартенситного превращения в область высоких температур на 54 K;
- увеличению внутренних напряжений от 8,5 МПа до 37,5 МПа и повышению работы выхода с 0,004 до 0,14 Дж/г, которую может совершить образец в циклах охлаждение/нагрев при проявлении двустороннего эффекта памяти формы.
2. Экспериментально показано, что эффективным режимом старения в мартенситном состоянии под нагрузкой является старение при температуре ^МН = 423 K в течение 1 часа под действием сжимающих напряжений оСМН = 450 МПа при заданной деформации вз = -7,5 %.
3. В монокристаллах сплава Ni49Fe18Ga27Co6, состаренных в мартенситном состоянии при ТСМН = 423 K под сжимающей нагрузкой оСМН = 450 МПа созданы условия для проявления больших обратимых деформаций 8обр = -(14,8 ± 0,3) % в циклах нагрузка/разгрузка с последующим нагревом в широком температурном интервале от 300 до 373 K.
4. Впервые в монокристаллах сплава Ni49Fe18Ga27Co6 при комнатной температуре (Т = 300 K) получена большая обратимая деформация при проявлении ферроэластичности до вобр = -(14,8 ± 0,3) % в циклах нагрузка/разгрузка за счет переориентации мартенситных вариантов под действием сжимающей нагрузки. Исследованные кристаллы демонстрируют достаточно высокую стабильность ферроэластичности в циклах нагрузка/разгрузка с максимальной величиной обратимой деформации: при увеличении числа циклов до 100 величина обратимой деформации вобр уменьшается на 1,6 %.
5. Исследование температурной зависимости обратимой деформации в циклах нагрузка/разгрузка вдоль [001] ^-направления при сжатии в состаренных в мартенситном состоянии при ^МН = 423 K, оСМН = 450 МПа закаленных кристаллах сплава Ni49Fe18Ga27Co6


1. Сплавы с эффектом памяти формы / К. Отцука [и др.]. - М. : Металлургия, 1990. - 222 с.
2. Термоупругие мартенситные превращения в монокристаллах, содержащих дисперсные частицы / Ю. И. Чумляков [и др.] // Изв. Вузов. Физика. - 2011. - Т. 54. - № 8. - С. 96-108.
3. Кокорин В. В. Мартенситные превращения в неоднородных твердых растворах // В. В. Кокорин. - Киев: Наук. Думка, 1987. - 168 с.
4. Martensite aging - avenue to new high temperature shape memory alloys / T. Niendorf [et al.] // Acta Mater. - 2015. - V. 89. - P. 298-304.
5. Otsuka K. Mechanism of martensite aging effects and new aspects / K. Otsuka, X. Ren // Mater. Sci. Eng. A. - 2001. - V. 312. - P. 207-218.
6. Martensite stabilization in a high temperature Ni-Mn-Ga alloy / C. Segui [et al.] // Scripta Mater. - 2005. - V. 53. - P. 315-318.
7. Effect of annealing and heating/cooling rate on the transformation temperatures of NiFeGa alloy / Yu H. J. [et al.] // Journal of Alloys and Compounds. - 2009. - V. 470. - P. 237¬240.
8. Курдюмов Г. В. Превращения в железе и стали / Г. В. Курдюмов, Л. М. Утевский, Р. И. Энтин. - М. : Наука, 1977. - 238 с.
9. Хунджуа А. Г. Эффект памяти формы и сверхупругость // А. Г. Хунджуа. - М. : МГУ, 2010. - 32 с.
10. Бойко В. С. Обратимая пластичность кристаллов / В. С. Бойко, Р. И. Гарбер, А. М. Косевич - М. : Наука, 1991. - 280 с.
11. Лободюк В. А. Мартенситные превращения / В. А. Лободюк, Э. И. Эстрин. - М. : ФИЗМАТЛИТ, 2009. - 352 с.
12. Никелид титана. Медицинский материал нового поколения / В. Э. Гюнтер [и др.] // Томск: Изд-во МИЦ, 2006. - 296 с.
13. Phase transformations in Ni-Ga-Fe ferromagnetic shape memory alloys /
T. Omori [et al.] // Mater. Sci. Eng. A. - 2004. - V. 378. - P. 403-408.
14. Effect of atomic order on the martensitic transformation of Ni-Fe-Ga alloys /
R. Santamarta [et al.] // Scripta Mater. - 2006. - V. 54. - № 12. - P. 1985-1989.
15. Inter-martensitic transitions in Ni-Fe-Ga single crystals / R. F. Hamilton [et al.] // Acta Mater. - 2007. - V. 55. - № 14. - P. 4867-4876...53



Работу высылаем на протяжении 30 минут после оплаты.



Подобные работы


©2025 Cервис помощи студентам в выполнении работ