It has been experimentally shown that the internal tensile stress fields [sigma]G=65 MPa are created by stress-induced martensite aging of ferromagnetic Co35Ni35Al30 single crystals. Internal stress fields create twoway shape memory effect with a giant reversible tensile strain of up to +7.3(±0.3) % with high cyclic stability during stress-free cooling/heating cycles

Ефтифеева, А. С.

Янушоните, Э. И.

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University

XV ɆȿɀȾɍɇАɊɈȾɇАə ɄɈɇɎȿɊȿɇɐɂə ɋɌɍȾȿɇɌɈВ, АɋɉɂɊАɇɌɈВ ɂ ɆɈɅɈȾɕɏ ɍɑȿɇɕɏ «ɉȿɊɋɉȿɄɌɂВɕ ɊАɁВɂɌɂə ɎɍɇȾАɆȿɇɌАɅɖɇɕɏ ɇАɍɄ» 129  Ɋɨɫɫɢя, Ɍɨɦɫɤ, 24-27 ɚɩɪеɥя 2018 г. Ɍɨɦ 1. Ɏɢɡɢɤɚ    ОСОБЕННОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ В [001]-МОНОКРИСТАЛЛАХ CoNiAl, СОСТАРЕННЫХ В МАРТЕНСИТЕ А.С. Ефтифеева, Э.И. Янушоните Научный руководитель: профессор, д.ф.-м.н. Е.Ю. Панченко Национальный исследовательский Томский государственный университет,  Россия, г. Томск, пр. Ленина, 36, 634050 E-mail: anna_eftifeeva@rambler.ru  THE FUNCTIONAL PROPERTIES IN STRESS-ASSISTED MARTENSITE AGED CoNiAl [001]-ORIENTED SINGLE CRYSTALS  A.S. Eftifeeva, E.I. Yanushonite Scientific Supervisor: Prof., Dr. E.Yu. Panchenko National Research Tomsk State University, Russia, Tomsk, Lenin str., 36, 634050 E-mail: anna_eftifeeva@rambler.ru   Abstract. It has been experimentally shown that the internal tensile stress fields σG=65 MPa are created by stress-induced martensite aging of ferromagnetic Co35Ni35Al30 single crystals. Internal stress fields create two-way shape memory effect with a giant reversible tensile strain of up to +7.3(±0.3) % with high cyclic stability during stress-free cooling/heating cycles.  Введение. Ферромагнитные сплавы CoNiAl с термоупругими B2-L10 мартенситными превращениями (МП) активно исследуются последние годы. Интерес к сплавам CoNiAl вызван возможностью вариации температур МП в широких пределах, способностью материала к высокотемпературной сверхэластичнсти, отсутствием охрупчивания при выделении пластичной γ-фазы в B2-марице и к тому же, в их состав не входят дорогие легирующие элементы [1, 2]. Они имеют уникальную способность испытывать гигантские обратимые деформации до 3,3 % как под действием механических напряжений, так и магнитного поля [3]. Одними из основных факторов, сдерживающих широкое практическое применение этих материалов в качестве приводов и исполнительных устройств многократного действия, является низкая циклическая стабильность двустороннего эффекта памяти формы (ДЭПФ) и небольшая обратимая деформация при ДЭПФ (не более 1/2 от теоретически рассчитанной деформации превращения εДЭПФ=0,5·ε0). Целью данного исследования является  изучение ЭПФ, ДЭПФ и влияния термоциклирования на стабильность ДЭПФ в монокристаллах ферромагнитного сплава Co35Ni35Al30 после старения под нагрузкой в мартенситном состоянии. Материалы и методы исследования. В работе исследованы монокристаллы ферромагнитного сплава Co35Ni35Al30 (ат. %), выращенные методом Бриджмена. Образцы в форме прямоугольных параллелепипедов с площадью поперечного сечения 9 мм2 и высотой 6 мм, вырезаны так, чтобы направления кристаллографических осей [001]B2 и [110]B2 были взаимно перпендикулярны. Термомеханическая обработка образцов заключалась в гомогенизации при 1623 К, 8,5 ч с последующей закалкой в воду комнатной температуры и старении под нагрузкой в мартенсите – образец выдерживали при 400 К, 1,0 ч в мартенситном состоянии под сжимающей нагрузкой 500 МПа, приложенной вдоль [110]B2-направления. Затем проводили исследование функциональных свойств вдоль [001]B2-направления 130 XV ɆȿɀȾɍɇАɊɈȾɇАə ɄɈɇɎȿɊȿɇɐɂə ɋɌɍȾȿɇɌɈВ, АɋɉɂɊАɇɌɈВ ɂ ɆɈɅɈȾɕɏ ɍɑȿɇɕɏ «ɉȿɊɋɉȿɄɌɂВɕ ɊАɁВɂɌɂə ɎɍɇȾАɆȿɇɌАɅɖɇɕɏ ɇАɍɄ»  Ɋɨɫɫɢя, Ɍɨɦɫɤ, 24-27 ɚɩɪеɥя 2018 г. Ɍɨɦ 1. Ɏɢɡɢɤɚ    состаренных в мартенсите  монокристаллов на установке ИМРС – 1 для измерения деформации при растяжении/сжатии во время охлаждения/нагрева в интервале 77 – 573 К под постоянной нагрузкой с выводом кривых деформации от температуры на компьютер. Согласно [4], теоретическая деформация ε0 для исследуемого [001]B2-направления при B2-L10 МП при деформации сжатием равна -4.6 % и растяжением – +9,6 %. Результаты. На рис. 1 показаны результаты исследования ЭПФ и ДЭПФ в состаренных в мартенситном состоянии монокристаллах – зависимость обратимой деформации ε от величины внешних напряжений σвш, приложенных вдоль [001]B2-направления и кривые деформации от температуры ε(Т). При минимальном внешнем напряжении σвш=1 МПа, необходимом для закрепления образца в захватах установки, наблюдается ДЭПФ – образец самопроизвольно увеличивает размеры при охлаждении и восстанавливает исходный размер при нагреве (рис. 1). Видно, что кривая ε(Т) при σвш=1 МПа имеет стадийность. На первой стадии 280 К<T<333 К превращение имеет взрывоподобной характер, т.е. температуры начала и конца перехода равны и, соответственно, имеют значения Мs1=Мf1=280 К для прямого МП и Аs1=328 К и Аf1=333 К для обратного МП. Обратимая деформация на первой стадии равна εДЭПФ1=+4,9 % и превращение сопровождается рассеянием энергии с величиной температурного гистерезиса ∆T=50 К. Далее скорость превращения резко уменьшается и МП на второй стадии T<280 К развивается в широком температурном интервале 141 К. Суммарная обратимая растягивающая деформация ДЭПФ на двух стадиях равна εДЭПФ=+7,3(±0,3) %, что составляет εДЭПФ=0,8·ε0 при растяжении. При охлаждении/нагреве под нагрузкой наблюдается ЭПФ. C увеличением сжимающей нагрузки σвш стадийность на кривых ε(Т) исчезает и растягивающая обратимая деформация при ЭПФ линейно уменьшается (рис. 1). При σвш=65 МПа при охлаждении/нагреве кривая ε(Т) не наблюдается, т.к. образец не испытывает превращения εЭПФ=0. Дальнейшее увеличение напряжений σвш приводит к появлению обратимой деформации, которая увеличивается с ростом σвш. Обратимая деформация при σвш>65 МПа становится сжимающей – под нагрузкой при охлаждении образец уменьшается и обратимо восстанавливается при нагреве. Максимальная обратимая деформация при действии внешних напряжений равна εЭПФ=-3,1(±0,3) %, что составляет εДЭПФ=0,7·ε0 при сжатии. Наведение ДЭПФ и смена знака ЭПФ вызваны внутренними дальнодействующими полями напряжений σG, которые возникают в монокристаллах после старения в мартенситном состоянии. Из анализа зависимости ε(σвш) видно, что внутренние напряжения σG являются растягивающими, т.к. размер образца во время охлаждения при минимальном напряжении увеличивается. Приложение внешних сжимающих напряжений компенсирует действие внутренних растягивающих, поэтому обратимая растягивающая деформация уменьшается с ростом σвш. Отсутствие петли гистерезиса на кривой ε(Т) при σвш=65 МПа, говорит о том, что противоположно направленные внутренние и внешние напряжения уравновешивают друг друга. И наконец, под действием внешних сжимающих напряжений при σвш>65 МПа, превышающие внутренние σG, образец во время охлаждения уменьшается.  Циклическая стабильность ДЭПФ была исследована при минимальном напряжении σвш=1 МПа в циклах охлаждение/нагрев. Зависимость обратимой деформации εДЭПФ, температуры начала прямого МП Ms и температурного гистерезиса ∆T от числа циклов n представлены на рис. 2. Полученные при термоциклировании кривые ε(T) практически накладываются друг на друга. Сравнение кривых ε(T) в циклах n=1 и n=100 показало небольшую разницу. В 100 цикле деформация εДЭПФ увеличивается на 0,7 XV ɆȿɀȾɍɇАɊɈȾɇАə ɄɈɇɎȿɊȿɇɐɂə ɋɌɍȾȿɇɌɈВ, АɋɉɂɊАɇɌɈВ ɂ ɆɈɅɈȾɕɏ ɍɑȿɇɕɏ «ɉȿɊɋɉȿɄɌɂВɕ ɊАɁВɂɌɂə ɎɍɇȾАɆȿɇɌАɅɖɇɕɏ ɇАɍɄ» 131  Ɋɨɫɫɢя, Ɍɨɦɫɤ, 24-27 ɚɩɪеɥя 2018 г. Ɍɨɦ 1. Ɏɢɡɢɤɚ    %, температура Ms – на 7 К, а гистерезис уменьшается на 7 К по сравнению с 1 циклом. Таким образом, показано, что термоциклирование не разрушает внутренние напряжения, сформированные во время старения в мартенситном состоянии, поэтому количество циклов несущественно влияет ДЭПФ.    Рис. 1. Зависимость ε(σвш) и кривые ε(Т) при σвш=1 МПа и σвш=120 МПа для состаренных в мартинисте монокристаллов Co35Ni35Al30 с осью деформации вдоль [001]B2-направления Рис. 2. Зависимости εДЭПФ(n), Ms(n)и ∆T(n) для состаренных в мартинисте монокристаллов Co35Ni35Al30 с осью деформации вдоль [001]B2-направления  Заключение. Экспериментально показано, что с помощью старения в мартенситном состоянии в монокристаллах ферромагнитного сплава Co35Ni35Al30 созданы внутренние растягивающие напряжения σG=65 МПа, которые способствуют наведению гигантского ДЭПФ εДЭПФ=+7,3 % с высокой циклической стабильностью.  Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 16-08-00179.  СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ  1. Chumlyakov Yu.I., Panchenko E.Yu., Ovsyannikov A.V., Chusov S.A., Kirillov V.A., Karaman I., Maier H. High-temperature superelasticity and the shape-memory effect in [001] Co-Ni-Al single crystals // The Physics of Metals and Metallography. – 2009. – V. 107. – P. 194–205. 2. Tanaka Y., Oikawa K., Sutou Y., Omori T., Kainuma R., Ishida K. Martensitic transition and superelasticity of Co-Ni-Al ferromagnetic shape memory alloys with β+γ two-phase structure // Mater. Sci. Eng., A. – 2006. – V. 438–440. – P. 1054–1060. 3. Morito H.,  Oikawa K., Fujita A., Fukamichi K., Kainuma R., Ishida K. Large magnetic-field-induced strain in CoNiAl single-variant ferromagnetic shape memory alloy // Scripta Mater. – 2010. – V. 63. – P. 379–382. 4. Karaca H.E.,  Karaman I., Chumlyakov Y.I., Lagoudas D.C., Zhang X. Compressive response of a single crystalline CoNiAl shape memory alloy // Scripta Mater. – 2004. – V. 51. – P. 261–266.  

The functional properties in stress-assisted martensite aged CoNiAl [001]oriented single crystals

http://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/50957/1/conference_tpu-2018-C21_V1_p129-131.pdf

The functional properties in stress-assisted martensite aged CoNiAl [001]oriented single crystals

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University