Механические свойства сплава Гейслера Ni2MnGa

Механические свойства сплава Гейслера Ni2MnGa,
легированного железом и вольфрамом
Родионов Д.П., Степанова Н.Н., Филиппов Ю.И., Казанцев В.А.
Проведены исследования на двух сериях легированных образцов сплава Гейслера
Ni2MnGa (L21). Легирование приводит к упрочнению образцов, при испытаниях на
сжатие возросли значения σ0,2 и σВ. Пластичность образцов повышается от 2%
до 5,5% в сплаве с 1,6 ат. % Fe и до 6,0 % в сплаве с 0,5 ат. % W. При концентрации
0,5ат. % легирование вольфрамом упрочняет сплав в большей степени, чем легирование железом. При концентрации 0,8 ат. % полного растворения вольфрама в
соединении Ni2MnGa не происходит. Наблюдаются скопления частиц второй фазы:
твердого раствора на основе вольфрама. Определены температуры магнитного
и мартенситного превращения.
Работа посвящена изучению структуры и механических свойств сплавов Гейслера Ni2MnGa,
ферромагнетиков, обладающих эффектом памяти формы и допускающих управление этим
эффектом с помощью магнитного поля. Сплав
Ni2MnGa является хрупким материалом, что
препятствует его практическому применению.
В данной работе предпринята попытка изменения механических свойств сплава Ni2MnGa
с помощью легирования. Проведены исследования на двух сериях образцов Ni2MnGa, легированных железом (0,5 и 1,6 ат.%) и вольфрамом
(0,5 и 0,8 ат.%). Ранее сообщалось [Glavatskyy
I., Glavatska N., Soderberg O., et. al.// Scr. Mater.2006.-V. 54.- P. 1891-1895], что железо способно
улучшать механические свойства Ni2MnGa. Возможно образование сплава Гейслера на основе
железа Ni2FeGa. Вольфрам представляет собой
переходный элемент, не образующий соединений типа Ni2MnGa, но способный в значительной степени повлиять на электронную структуру сплава.
В данной работе использовано замещение
легирующим элементом (Fe или W) атомов марганца и в меньшей степени никеля.
При комнатной температуре все исследованные сплавы находятся в кубической фазе
L21 (ОЦК). Образцы, легированные железом (до
1,6 ат. %) и вольфрамом (0,5 ат. %), однофазны и
имеют дендритную структуру. Расстояние между ветвями дендритов второго рода составляет
а
б
Рис. 1
Фрактограммы:
а - Ni2MnGa (обр. 1);
б - Ni2MnGa + 1,6 ат. % Fe (обр. 3).
в среднем 20мкм. Параметр кристаллической
решетки а по мере увеличения концентрации
железа возрастает.
Легирование приводит к упрочнению: при
испытаниях на сжатие цилиндрических образцов длиной 9 мм и диаметром 6 мм возросли
значения условного предела текучести σ0,2 и
временного сопротивления σB, (табл. 1). Легирование повышает пластичность ε. Значения
механических свойств тем выше, чем выше содержание железа в сплаве. Легирование вольфрамом в большей степени повышает значение
σ0,2, легирование железом в большей степени
повышает σB. Механизм упрочнения твердорастворный. Увеличивается наклон линейного участка на диаграмме сжатия, т.е. модуль
нормальной упругости Е сплава возрастает, по
предварительной оценке, примерно от 90ГПа
до 115ГПа.
Упрочнение сплава при легировании проявляется в изменении характера его разрушения
(рис.1). Исходный образец разрушался хрупко
по телу зерна. Характер разрушения легированных образцов изменился. На поверхности разрушения присутствуют фасетки хрупкого скола по
телу дендрита. Но теперь появилась составляющая, соответствующая излому по междендритным промежуткам. По данным рентгеновского
микроанализа междендритные промежутки
обеднены никелем (примерно на 1%) и обогащены легирующим элементом (на 0,5%).
При концентрации 0,8 ат. % (обр.5) полного
растворения вольфрама в соединении Ni2MnGa
№
Состав, ат. %
Mn
25,0
22,50
24,86
24,63
Ga
25,1
25,11
25,17
25,2
Легир. эл.
1
2
3
4
Ni
49,9
51,90
48,34
49,64
5
50,10
24,53
24,54
0,83 (W)
0,49 (Fe)
1,62 (Fe)
0,52 (W)
а, нм
0,5817
0,5817
0,5826
0,5824
0,5827
0,5843
не происходит. Наблюдаются скопления частиц второй фазы: твердого раствора на основе
вольфрама, содержащего 70-78 ат. % W (до 90
масс. % W).
В образце Ni2MnGa+0,8 ат. % W наблюдается
тетрагональное искажение решетки: значение
параметра кристаллической решетки а, определяемого по рефлексам (220) и (440), несколько
выше, чем значения а, определяемые по другим
рефлексам: 0,5843нм и 0,5827нм, соответственно. Заметим, что направление [110] в Ni2MnGa
является основным направлением сдвига при
мартенситном превращении.
Появление второй фазы приводит к тому,
что при испытаниях на сжатие образец с 0,8%W
имеет значения механических свойств более высокие, чем у исходного нелегированного сплава
Ni2MnGa, но ниже, чем в образце с 0,5%W. Существенно уменьшается пластичность образцов.
Дилатометрические измерения позволили
по температурной зависимости коэффициента
термического расширения α определить температуры фазовых превращений: мартенситного Тm и магнитного ТC. Легирование приводит к
понижению значений температуры мартенситного превращения Тm по сравнению с исходным
сплавом, особенно для сплавов с вольфрамом.
Температура магнитного превращения ТC возрастает. Температура предмартенситного перехода Тпр увеличивается на 40К.
нагрев
σ0,2,
σВ,
ε,
МПа
640
680
880
940
МПа
870
960
1180
1125
%
2,3
3,6
5,5
6,0
Тпр
273
290
298
320
Тm
212
185
170
154
ТС
360
370
370
370
820
920
2,8
320
159
400
Таблица 1
Механические свойства легированных образцов сплава Ni2MnGa
(а – параметр кристаллической решетки, σ0,2 – среднее значение условного предела текучести, σB – временное сопротивление, ε – степень сжатия цилиндрического образца);
температуры фазовых превращений: мартенситного Тm , магнитного ТC и предмартенситного Тпр