АКУСТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ В
advertisement
ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В СПЛАВЕ Ti-Ni Студенты: С. Д. Васильков (5 курс, кафедра ФТТ, Физический факультет СПбГУ), Н. А. Саргаева (7 курс, кафедра ФТТ, Физический факультет СПбГУ) Сплав Ti-Ni широко используется в промышленности, приборостроении и медицине. В области концентраций, близких к эквиатомной, сплав титана с никелем претерпевает мартенситный фазовый переход. С физической точки зрения мартенситные превращения представляют собой частный случай структурных сегнетоэластических фазовых переходов, в результате которых в кристаллах возникает спонтанная деформация. Поскольку для мартенситных переходов параметром порядка, ответственным за фазовый переход, является либо определенная компонента тензора деформаций, либо комбинация компонент, то для их изучения целесообразно применять акустические методы. Наблюдаемые особенности распространения акустических волн, в частности, аномалии скорости и поглощения ультразвука различной поляризации, позволяют получать ценную информацию о природе и кинетике фазовых переходов, симметрии параметра порядка, температурах фазовых переходов, гистерезисных явлениях в области переходов. В настоящей работе представлены результаты измерений температурных зависимостей скорости и затухания продольных и сдвиговых акустических волн в области мартенситного фазового перехода в титан-никелевом сплаве. Исследовались поликристаллические образцы, закаленные в воде. Процентный состав сплава был равен 44.1% Ti и 55.9% Ni в массовых долях, что соответствует 49.2 и 50.8 атомным долям. Образцы имели цилиндрическую форму с диаметром основания 10.45 мм и высотой 16.77 мм. Продольные и сдвиговые акустические волны возбуждались вдоль оси цилиндра с помощью пьезопреобразователей из ниобата лития. Измерения проводились в температурном интервале 180 – 475 К в режиме непрерывного нагрева и охлаждения. Скорость изменения температуры не превышала 0.5 – 0.6 К/мин. Градиент температуры в образце не превышал 0.1 К. Измерялись температурные зависимости изменений скорости v/v и затухания ультразвуковых волн относительно значений при комнатной температуре T0 импульсным фазово-интерференционным методом. Результаты измерений температурной зависимости скорости продольного звука для нескольких циклов нагрев-охлаждение непосредственно в области фазового перехода представлены на Рис. Ниже комнатной температуры заметных аномалий скорости ультразвука не было обнаружено. На рисунке видны растянутые скачки скорости при нагреве и охлаждении, соответствующие температурным диапазонам фазовых переходов. Рис. Температурные зависимости скорости ультразвука для последовательных циклов на частоте 4.3 МГц (1-4) и 18 МГц (5) при нагреве и охлаждении. V/V, % 2 -1 -2 -3 -4 -5 0 -2 280 320 360 400 440 480 T, K Отметим, что при возрастании частоты ультразвуковой волны от 4.3 до 18 МГц характер изменения скорости не изменялся. Значения средних температур начала и конца сильного изменения скорости при нагреве и охлаждении приведены в Табл. В отличие от скорости, затухание продольного ультразвука не имело аномалий в исследованной области температур. Табл. Средние температуры начала Ta1 и конца Ta2 перехода в аустенитную фазу и начала Tm1 и конца Tm2 перехода в мартенситную фазу. Ta1, K Ta2, K Tm1, K Tm2, K 357 385 355 333 Для сдвиговых волн в области фазовых переходов наблюдались аномалии скорости с четко выраженным минимумом, а также релаксационные пики затухания. К настоящему времени установлено, что высокотемпературная фаза никелида титана имеет кубическую симметрию B2 с решеткой CsCl (пространственная группа Pm3m, точечная группа m3m). Для сплавов с составом, близким к составу с 50 % Ti и 50 % Ni в атомных долях, при охлаждении происходит фазовый переход с понижением симметрии до моноклинной по типу B2B19. Низкотемпературная фаза имеет пространственную группу симметрии P21/m (точечная группа 2/m). Согласно общей схеме фазовых переходов с изменением точечной группы симметрии, фазовый переход из симметрии m3m в симметрию 2/m является собственным сегнетоэластическим фазовым переходом 1 рода. При этом в никелиде титана ось второго порядка низкосимметричной фазы ориентируется в плоскости xy высокотемпературной фазы под углом 45 к кубической оси. Теоретико-групповой анализ перехода показывает, что он описывается двумя параметрами порядка: трехкомпонентным [4,5,6] и двухкомпонентным [0,1+2-23]. Здесь i–компоненты тензора деформации, i-индексы Фойгта. Один из этих параметров порядка является первичным и отвечает за фазовый переход, а второй является вторичным. До настоящего времени в литературе отсутствует информация, какой из параметров порядка первичен. Параметрам порядка для рассматриваемого фазового перехода соответствуют модуль упругости c44 и комбинация модулей упругости c11-c12. Таким образом, в области мартенситного фазового перехода либо модуль c44, либо комбинация модулей c11-c12 должны смягчаться, тогда как все остальные модули должны испытывать при переходе только скачок, поскольку соответствующие деформации связаны с первичным параметром порядка только за счет модулей упругости третьего порядка. Вследствие этого, скорости продольных акустических волн теоретически должны испытывать скачок при фазовом переходе, причем для перехода 1 рода должен наблюдаться температурный гистерезис со сдвигом аномалий в область низких температур при охлаждении. Для сдвиговых волн должен наблюдаться минимум скорости при фазовом переходе. Полученные в настоящей работе экспериментальные закономерности подтверждают теоретические соображения. Кроме того, следует предположить, что аномалии поглощения продольного ультразвука, которые обычно наблюдаются при структурных фазовых переходах, в данном случае затушевываются рассеянием на межзеренных границах в поликристаллическом образце и возможно на сегнетоэластических доменах. Руководители: Е. В. Чарная (профессор Физического факультета СПбГУ), А. К. Раджабов (докторант Физического факультета СПбГУ).
