Введение к работе
Актуальность работы. Сплавы Гейслера системы Ni-Mn-Ga являются уникальными объектами исследований, поскольку в этих сплавах наблюдаются такие эффекты как эффект памяти формы (ЭПФ), гигантские магнитоуправляемые деформации, гигантский магнитокалорический эффект (МКЭ) и др. Наличие этих эффектов обусловлено происходящими мартенситным и магнитным фазовыми превращениями, температурный интервал которых в ряде составов совпадает. Благодаря этим эффектам для сплавов открываются широкие перспективы их применения в новых высокотехнологичных устройствах. В частности, значительная величина МКЭ позволяет использовать в качестве хладагента твердотельный элемент на основе сплавов системы Ni-Mn-Ga в технологиях альтернативной энергетики. Преимущество этих материалов заключается в том, что, во-первых, по сравнению с газообразными теплоносителями, применение этого материала не наносит вреда экологии. Во-вторых, потенциально возможно уменьшение размеров, снижение стоимости и повышение технологичности охлаждающих устройств на основе твердотельного элемента.
Эффект гигантских магнитодеформапий позволяет создавать актюаторы, в которых энергия магнитного поля преобразуется в механическую работу. Устройства с таким функциональным элементом могут применяться в микроэлектронике, медицине и других отраслях науки и производства. На сегодняшний день максимальное значение необратимой магнитодеформапий в сплаве системы Ni2MnGa, которая индуцируется магнитным полем напряженностью около 800 кА/м, составляет 10%. Обратимая величина магнитодеформапий меньше и имеет значение около 6%. Это много больше, чем эффекты магнитострикции и пьезоэффекта на других материалах. Однако стоит отметить, что такие величины магнитодеформапий достижимы только на монокристаллических образцах. Весьма перспективным является получение магнитодеформапий порядка хотя бы 1% на поликристаллических материалах, которые являются более дешевыми по сравнению с монокристаллами. Для этого необходимо углубленное изучение магнитных и структурных фазовых превращений в поликристаллических сплавах системы ISfiaMnGa.
Цель работы: Установить влияние параметров магнитного поля на структуру мартенсита и деформацию образца в литом поликристаллическом сплаве Ni2jogMnoj96Gaoj96 в исходном и отожженном состояниях.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Создать экспериментальную установку для оптической прицельной съемки образцов в переменном тепловом и магнитном полях.
-
Сравнить кристаллографическую текстуру и особенности мартенсита в сплаве в исходном и отожженном состояниях.
-
Выявить влияние магнитного поля на ориентировку мартенситных двойников и процесс их формирования в сплаве в исходном и отожженном состояниях.
-
Создать экспериментальную установку для исследования термического расширения и магнитодеформапий материалов.
-
Установить связь между ориентировкой мартенситных двойников и изменением геометрических размеров образца в процессе мартенситного превращения.
6) Установить влияние параметров магнитного поля на вид кривой термического расширения сплава в исходном и отожженном состояниях в области температур включающих мартенситное превращение.
Научная новизна.
Экспериментально показано, что формирование преимущественной ориентации мартенситных кристаллов приводит к анизотропии скачкообразного изменения геометрических размеров поликристаллических образцов сплава JS^ogMno^Gao^ в ходе прямого мартенситного превращения.
Установлено, что в поликристаллическом сплаве JS^ogMno^Gao^ магнитное поле напряженностью до 600 кА/м оказывает влияние на формирование двойниковой структуры в процессе прямого мартенситного превращения. Магнитное поле такой напряженности не оказывает существенного влияния на полностью сформированную двойниковую структуру низкотемпературной фазы сплава.
Показано, что в образце поликристаллического сплава JS^ogMno^Gao^ в исходном литом состоянии величины магнитодеформации в процессе прямого мартенситного превращения достигают 0,75% в магнитных полях до 520 кА/м. Отжиг сплава, приводящий к снижению внутренних напряжений, снижает величину магнитодеформации до 0,15%.
Практическая значимость.
Разработана и внедрена в практику лабораторных исследований экспериментальная установка для изучения влияния тепловых и/или магнитных полей на микроструктурные изменения материалов методом оптической микроскопии, в том числе, с использованием прицельной съемки.
Разработана и внедрена в практику лабораторных исследований экспериментальная установка для исследований методами термического расширения влияния магнитного поля на геометрические размеры образца сплавов системы Ni-Mn-Ga.
Показано, что величина магнитодеформации литого сплава JS^ogMno^Gao^ достигает 0,75%. Следовательно, этот сплав может найти применение при конструировании сенсоров магнитного поля и температуры.
На защиту выносятся.
Результаты структурных и дилатометрических исследований поликристаллического сплава IS^ogMno^Gao^, показывающие влияние преимущественной ориентации двойников, формирующихся в процессе мартенситного превращения, на характер скачкообразного изменения геометрических размеров в ходе этого превращения.
Анализ влияния магнитного поля на формирование двойниковой структуры в процессе мартенситного превращения.
Анализ величины магнитодеформации в процессе прямого мартенситного превращения в поликристаллическом образце сплава IS^ogMno^Gao^ в исходном литом состоянии и на образце, подвергнутом отжигу.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: Международная конференция «Функциональные Материалы» (Партенит, Крым, Украина 2007, 2009); Международная конференция «HighMatTech» (Киев 2007); Международная
конференция «Moscow International Symposium on Magnetism» (Москва 2008,2011), IX и X Молодежная школа-семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества (Екатеринбург 2008, 2009); Открытая школа-конференция стран СНГ «Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы» (Уфа 2008,2010,2012), 52-ая Международная научная конференция "Актуальные проблемы прочности" (Уфа 2012), 8 Всероссийская зимняя школа-семинар аспирантов, студентов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (Уфа 2013); Всероссийская молодежная научно-практическая конференция «Актуальные вопросы науки и образования» (Уфа 2013).
Вклад автора. Соискатель самостоятельно проводил экспериментальные исследования, принимал непосредственное участие в интерпретации и обсуждении результатов экспериментов, подготовке и написании научных публикаций.
Значимым вкладом в достижение поставленной в работе цели было создание автором двух экспериментальных установок, которые впоследствии нашли применение в практике лабораторных исследований. Подробнее об этих установках сказано в диссертационной работе в главе о методике исследований.
Публикации. Основное содержание диссертации представлено в 9 научно-технических публикациях, из них 6 научных статей в рецензируемых журналах из перечня ВАК России, 1 статья в зарубежном научном журнале, 2 труда российских конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы из 183 наименований. Диссертационная работа изложена на 148 страницах, включая 49 рисунков и 2 таблицы.
