"ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ"  N 4, 2001

оглавление

дискуссия

НАБЛЮДЕНИЕ ОДНОСТОРОННЕГО ЭФФЕКТА ПАМЯТИ ФОРМЫ, ОБУСЛОВЛЕННОГО МАГНИТОИНДУЦИРОВАННЫМ МАРТЕНСИТНЫМ ФАЗОВЫМ ПЕРЕХОДОМ В СПЛАВЕ Ni-Mn-Fe-Ga

 

В.Г. Шавров1, А.А. Глебов^1,2, И.Е. Дикштейн¹, В.В. Коледов^1,2,3, Д.А. Косолапов^1,2,
 Е.П. Красноперов², К. Такаги⁴, А.А. Тулайкова¹, А.А. Черечукин^1,2,3

 

¹Институт радиотехники и электроники РАН

²Институт физики твердого тела и низких температур, РНЦ "Курчатовский институт"

³Лаборатория сильных магнитных полей и низких температур, Вроцлав, Польша

⁴Университет Тохоку, Сендай, Япония

 

Получена 17 мая 2001 г.

 

            В сплаве Ni_2,15Mn_0,81Fe_0,04Ga  наблюдалось магнитное управление односторонним эффектом памяти формы, то есть восстановление формы предварительно деформированного образца в результате структурного фазового перехода мартенсит - аустенит, вызванного магнитным полем при постоянной температуре. Максимальная восстанавливаемая деформация образца  составила 3%. 

 

Сплав Ni₂MnGa вызывает большой интерес благодаря уникальной особенности - в нем термоупругое структурное (мартенситное) превращение протекает в ферромагнитном состоянии [1]. Этот сплав интенсивно изучают, с целью создания новых функциональных материалов, изменяющих свою форму и размеры под действием внешних полей.  В нем обнаружены гигантские (до 6%) обратимые деформации под действием магнитного поля  за счет перестройки различных вариантов (доменов) мартенсита (см., например,  [2,3]). Однако,  восстановление формы деформированного ("тренированного") образца в результате фазового структурного перехода по магнитному полю при постоянных температуре и внешнем давлении, то есть магнитное управление эффектом памяти формы (ЭПФ), до сих пор, по-видимому, не наблюдалось.

Эксперименты в этой области затруднены сравнительно слабой зависимостью температуры структурного перехода от величины внешнего магнитного поля в образцах Ni₂MnGa. В работе [4] были синтезированы сплавы с частичным замещением Mn на Ni Ni_2+xMn_1-xGa (x = 0 - 0,20), и показано, что температура структурного фазового перехода Т_M увеличивается, а магнитного перехода (точка Кюри) Т_C снижается при увеличении x, причем Т_M и Т_C сближаются и фазовые переходы сливаются в один фазовый переход 1-го рода вблизи x = 0,19.  Как и ожидалось, сближение фазовых переходов по температуре усилило смещение точки структурного перехода от магнитного поля  до значений порядка 1 K/T [5], причем в полях порядка 10 Т увеличение температуры структурного фазового перехода превышает температурный гистерезис. Это позволило наблюдать обратимый структурный фазовый переход по магнитному полю при постоянной температуре [6]. Изучение фазовой диаграммы сплавов Ni_2+xMn_1-xGa в координатах (Т-x) показало, что  слияние фазовых переходов (x=0,16-0,20) наблюдается вблизи комнатной температуры, что очень удобно для экспериментов. Однако полученные образцы оказались хрупкими и часто разрушались от термоциклирования даже без нагрузки. Оказалось, что добавка железа без существенного ухудшения магнитных и термоупругих свойств позволяет повысить пластичность образцов. Для экспериментов был взят за основу сплав Ni_2,19Mn_0,81Ga со сливающимися мартенситным и магнитным фазовыми переходами, и синтезированы сплавы с частичным замещением Ni на Fe.

Цель настоящей работы заключалась в экспериментальном исследовании фазовой диаграммы в координатах магнитное поле – температура (Н-Т) вновь синтезированного сплава Ni_2,15Mn_0,81Fe_0,04Ga и в демонстрации эффекта памяти формы в результате осуществления фазового перехода мартенсит – аустенит по магнитному полю при постоянной температуре.

            Поликристаллические образцы Ni_2,15Mn_0,81Fe_0,04Ga  приготавливались методом дуговой плавки в атмосфере аргона.  Затем из слитков вырезались пластинки толщиной 0,5 мм и полировались в высокотемпературном кубическом (аустенитном) состоянии, при температуре выше точки окончания перехода мартенсит - аустенит (Т_МА). При снижении температуры полированного образца ниже температуры перехода аустенит – мартенсит (Т_АМ), на его поверхности в отраженном свете легко наблюдать возникновение рельефа, связанного с появлением тетрагональной низкотемпературной фазы (мартенсита) и  с разбиением мартенсита на области (варианты или домены) с различной ориентацией кристаллографических осей. Фазовый переход аустенит – мартенсит сопровождается сжатием решетки по оси с на величину около 6% и растяжением по осям a и b на 2%. Используя микроскоп с подключенной видеокамерой, удается надежно зафиксировать температуру начала и конца мартенситного перехода в отдельных участках поликристаллического образца и получить, таким образом, информацию о степени его неоднородности.

            Для изучения фазовой Т-H диаграммы образец в прозрачном термостате с микроскопом помещался в поле Биттеровского магнита 0 - 15 Т. Фазовую диаграмму с разрешением по поверхности образца получали после анализа видеофильма, снятого при различных магнитных полях в процессе снижения или повышения температуры через точку мартенситного перехода.

            Фазовая Т-Н диаграмма образца Ni_2,15Mn_0,81Fe_0,04Ga схематически представлена на рис.1.

 

 

 

Рис. 1

 

Температура прямого мартенситного перехода, Т_АМ (H=0) » 35 С и обратного Т_МА (H=0) » 42 С. Обе температуры с увеличением магнитного поля приближенно линейно возрастают. Коэффициент зависимости Т_M(Н) составляет примерно 0,7 К/Т. Ширина температурной петли гистерезиса мартенситного фазового перехода DТ_М=Т_МА-Т_АМ = 7±2К. .

В полях около 10 Тл смещение точки перехода превышает гистерезис перехода DТ_М. При температуре несколько превышающей Т_МА(0) возможно наблюдение обратимого фазового мартенситного перехода по магнитному полю при постоянной температуре [5]. Для этого температуру образца фиксируют в некотором зависящем от магнитного поля интервале Т_МА(Н=0) < Т < Т_АМ(Н=10 Тл), который можно назвать интервалом магнитного управления обратимым фазовым переходом. Включение и выключение магнитного поля вызывают изменение структурного фазового состояния образца при постоянной температуре. На рис.1 этот переход показан линией am. В нашем случае для поля 10 Тл интервал управления обратимым фазовым переходом составлял 1-2 К.

Опытам по демонстрации ЭПФ в магнитном поле предшествовала "тренировка" образцов, то есть процедура термоциклирования под нагрузкой. В наших опытах нагрузка была изгибной. При первом охлаждении через точку мартенситного перехода нагруженный образец сильно деформируется и затем при нагреве восстанавливает свою форму, совершая работу против внешней силы. В процессе прохождения нескольких циклов охлаждение – нагрев образец все сильнее деформируется, а петля гистерезиса по температуре несколько сужается и смещается в область более высоких температур. Такая картина совпадает с наблюдавшейся в сплаве Ni₂MnGa [6]. Этим способом для опытов в магнитном поле были получены образцы “натренированные” на односторонний эффект памяти формы за 1, 8 и 15 циклов. Восстанавливаемая деформация e в точке максимальной кривизны образца составляла 1-4 %.

Физическое объяснение состояния "восстанавливаемой деформации" можно понять из следующего рассуждения. Под действием достаточно сильного внешнего упругого напряжения температура структурного перехода аустенит – мартенсит повышается. В неоднородно напряженном образце охлаждение из аустенитного состояния через точку фазового перехода, сопровождается неоднородным зарождением мартенсита. Это зарождение начнется в первую очередь в областях максимального напряжения, причем в областях сжатия и растяжения будут появляться, главным образом, соответственно ориентированные варианты мартенсита.

Эксперимент по магнитному управлению ЭПФ поясняет рис.1, на котором вместе с фазовой диаграммой Ni_2,15Mn_0,81Fe_0,04Ga отмечена траектория АВСDE изменения термодинамического состояния системы в процессе опыта. Начальное состояние при комнатной температуре, ниже точки Т_МА(Н=0) в магнитном поле Н = 0 показано точкой А. Образец "натренирован" и деформация максимальна. При включении поля H=10 Tл система переходит в точку B. Затем, не выключая поля, образец нагревают до температуры Т₀: Т_МА(Н=0) < Т₀ < Т_МА(Н=10 Тл). После этого поле выключают и в системе происходит фазовый переход по полю в аустенитное состояние при постоянной температуре Т₀ (в точке D). В результате эксперимента предварительно деформированный (тренированный) образец восстанавливает свою форму (выпрямляется) при постоянной температуре. В этом и заключается магнитоиндуцированный "односторонний" эффект памяти формы.

 

Приведенный здесь фильм представляет фрагмент видеозаписи, снятой в процессе данного опыта на участке CDE при T=T₀ . Первый кадр относится к точке С траектории, когда Н=10 Тл, а деформация максимальна, e » 3%.  Затем поле начинают снижать, а образец начинает выпрямляться (после точки D). Процесс выпрямления продолжается еще 15 с после полного выключения поля. (Временной масштаб сжат примерно в 10 раз.) В результате, в аустенитной фазе образец полностью выпрямляется, e=0. Временная задержка процесса восстановления формы, очевидно, связана с необходимостью сообщить образцу скрытую теплоту фазового мартенситного перехода 1-го рода.

            Таким образом, в прямом эксперименте продемонстрировано магнитное управление эффектом памяти формы при постоянной температуре и отсутствии внешнего механического напряжения. Основное отличие эффекта магнитоиндуцированного ЭПФ от эффекта гигантской магнитоиндуцированной деформации монокристаллов Ni-Mn-Ga  вследствие перестройки мартенситных вариантов под действием магнитного поля, изучавшегося в работах [2,3], заключается в том, что последний относится к изменению формы образца в низкотемпературной мартенситной фазе и не связан непосредственно с фазовым переходом мартенсит – аустенит. Он обусловлен тем, что различные домены мартенситной фазы, имеющие по-разному ориентированные тетрагональные оси с и, соответственно, оси легкого намагничивания, во внешнем магнитном поле приобретают различную энергию. В результате, границы доменов мартенситной фазы приходят в движение. Невыгодные по магнитной энергии мартенситные домены уменьшаются, а выгодные увеличиваются. В соответствии с тем, что ось легкого намагничивания направлена по оси с, при приложении поля вдоль этой оси образец сжимается, а в перпендикулярном направлении - растягивается.

Магнитоиндуцированный ЭПФ объясняется влиянием магнитного поля на границу мартенсит – аустенит в образце, который находится в промежуточном состоянии в области гистерезиса мартенситного перехода. Намагниченность насыщения мартенсита выше, чем у аустенита, и в результате, в достаточно сильном магнитном поле, превышающем поле анизотропии мартенсита, температура мартенситного перехода повышается, а границы мартенсит – аустенит сдвигаются в сторону увеличения объема мартенсита (независимо от ориентации поля).

Можно выделить несколько следствий основного отличия эффекта гигантской магнитоиндуцированной деформации монокристаллов Ni-Mn-Ga при перестройке мартенситных доменов от магнитного управления ЭПФ.

            1. Магнитное управление ЭПФ - значительно более универсальный эффект, поскольку образец можно "натренировать" на любой вид деформации, например, сжатие, растяжение, кручение, сдвиг и т. д. В качестве образца можно использовать поликристалл.

            2. Опыты по управлению формой образца при помощи влияния магнитного поля на структурные домены в мартенситной фазе не всегда дают повторяющийся результат, поскольку отдельные домены могут быть термодинамически метастабильными объектами и один и тот же образец при циклическом изменении внешних условий может оказываться в состояниях  с различными формами.

            3. ЭПФ требует для управления магнитных полей на 1-2 порядка больших, чем перестройка структурных доменов.

            4. Образец с ЭПФ может совершать значительно большую механическую работу за один цикл воздействия поля и изменять свою форму при большей противодействующей силе.

            5. Магнитное управление ЭПФ - более инерционный эффект, так как его характерные времена связаны с характерными временами выделения и поглощения значительной скрытой теплоты структурного фазового перехода.

            Авторы благодарны А.Н.Васильеву, В.Д.Бучельникову и В.И.Нижанковскому за многочисленные обсуждения, а так же В.В.Ховайло за помощь в приготовлении образцов.

            Работа выполнена при поддержке РФФИ, гранты 99-02-18247 и 01-02-06053.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. P.J. Webster, K.R.A.Ziebeck, S.L. Town, M.S. Peak. Magnetic order and phase transformation in Ni₂MnGa. Philos. Mag. B. 49, No. 3, 295 (1984).

2. R.C. O'Handley, S.J. Murray, M. Marioni, H. Nembach, S.M. Allen. Phenomenology of giant magnetic-field-induced strain in ferromagnetic shape-memory materials. J. Appl. Phys. 87, No. 9, 4712 (2000).

3. R.Tickle, R.D.James. Magnetic and magnetomechanical properties of Ni₂MnGa. JMMM 195, 627 (1999).

4. A.N.Vasil’ev , A.D.Bozko, I.E. Dikshtein, V.V.Khovailo, V.D. Buchel'nikov, M. Matsumoto, S. Suzuki, V.G. Shavrov, T. Takagi, J. Tani. Structural and magnetic phase transitions in shape memory alloys Ni_2+XMn_XGa. Phys. Rev. B59(2), 1113 (1999).

5. И.Е.Дикштейн, Д.И.Ермаков, В.В.Коледов, Л.В.Коледов, Т.Такаги, А.А.Тулайкова, А.А.Черечукин, В.Г.Шавров. Обратимыйструктурный фазовыйпереход в сплаве Ni-Mn-Ga в магнитном поле.Письма в ЖЭТФ, 72, №. 7, 373 (2000).

6. В.В.Кокорин, В.А.Черненко. Мартенситное превращение в ферромагнитном сплаве Гейслера. ФММ, 68, 1157 (1989).

 

оглавление

дискуссия