76 влияние водорода на температуры мартенситного

VII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ
«ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»
76
ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА НА ТЕМПЕРАТУРЫ МАРТЕНСИТНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ В
МОНОКРИСТАЛЛАХ TI-NI-10CU
Ю.Н. Данильсон1
Научный руководитель: доцент, д. ф.-м. н. И.В. Киреева2
Томский политехнический университет, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30, 634050
1
ОСП «Сибирский физико-технический институт ТГУ», Россия, г. Томск, пл. Новособорная, 1, 634050
2
E-mail: [email protected]
THE INFLUENCE OF HYDROGEN ON TEMPERATURES OF MARTENSITIC
TRANSFORMATION IN TI-NI-10CU SINGLE CRYSTALS
Yu.N. Danilson1
Scientific supervisor: Dr. I.V. Kireeva2
1
Tomsk Polytechnic University, Russia, Tomsk, 30 Lenina Ave., 634050
2
Siberian Physical-Technical Institute at TSU, sq. Novosobornaya, 1, 634050, Tomsk, Russia
E-mail: [email protected]
On single crystals of alloy Ti-40Ni-10Cu the influence of hydrogen on temperatures martensitic
transformations is investigated. It is shown, that hydrogen in single crystals of alloy Ti-40Ni-10Cu does not
suppress thermoelastic martensitic transformations , lowers MS and increases a temperature hysteresis of
martensitic transformations.
В последние годы большое внимание теоретиков и экспериментаторов привлекает проблема
взаимодействия водорода с металлами.
Особый интерес представляет взаимодействие водорода со
сплавами, испытывающими термоупругие мартенситные превращения (МП) [1, 2]. Так, в [1] методом
рентгеновского анализа изучалось влияние водорода на фазовые превращения в никелиде титана TiNi, где
было показано, что водород может индуцировать термоупругие МП. В [2] в бинарных сплавах никелида
титана изучалось влияние водорода на температуру начала прямого МП при охлаждении MS, где было
отмечено, что повышение температуры MS при наводороживании может быть связано с понижением
энергии связи атомов металла. В настоящей
работе методом зависимости электросопротивления от
температуры (T) исследовано влияние водорода на температуры МП и термический гистерезис на
монокристаллах никелида титана, легированного медью, Ti-40Ni-10Cu (мас. %). В отличие от ранее
исследованных в [1, 2] бинарных сплавов TiNi, в которых наблюдается одностадийное В2-В19’ МП (В2аустенитная ОЦК фаза, В19’ – моноклинный мартенсит), в монокристаллах Ti-40Ni-10Cu имеет место
двухстадийное B2-B19-B19’ МП ( В19- орторомбический мартенсит), что позволяет выяснить влияние
водорода на стадийность МП и термический гистерезис. Кроме того, использование монокристаллов для
исследования влияния водорода на температуры МП позволят избежать осложнений, связанных с
наличием границ зерен, которые приводят к неоднородным распределениям водорода между телом зерна
и границей.
Монокристаллы Ti-40Ni-10Cu (масс. %) были выращены методом Бриджмена в среде инертного газа.
После роста кристаллы гомогенизировали при 1173 К в течение 24 часов. Образцы с размером рабочей части
10х1,5х1,5 мм вырезали на электроискровом станке. Наводороживание осуществлялось в 1М растворе H2SO4
при 300 К и плотности тока 700 А/м2. Температуры МП при охлаждении MS и Mf (Mf – температура конца
РОССИЯ, ТОМСК, 20 – 23 АПРЕЛЯ 2010 г.
ФИЗИКА
VII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ
«ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»
77
прямого МП при охлаждении) и AS, Af при нагреве (AS – температура начала обратного МП при нагреве, а Af –
температура конца обратного МП при нагреве) определяли по перегибам на кривой зависимости (T).
Исследование температур МП методом зависимости (T) показали, что в исходных кристаллах Ti40Ni-10Cu без водорода наблюдается двухстадийное B2-B19-B19’ МП. При легировании водородом на
зависимости (T)
обнаруживается только один мартенситный переход, что может быть связано с
одновременным началом превращения В2 фазы в B19 и B19’ мартенситы. Таким образом, при Т< MS в
кристаллах Ti-40Ni-10Cu после наводороживания имеет место композит. В связи с этим, в настоящей
работе анализируется влияние водорода только на второе B19-B19’ МП.
На рис. 1 представлены температурные гистерезисы в координатах «объемная доля мартенситатемпература» для кристаллов Ti-40Ni-10Cu в зависимости от времени насыщения водородом и от
времени вылеживания после наводороживания. Количественные изменения температур МП и величин,
характеризующих температурный гистерезис, представлены в таблице 1.
Рис. 1. Температурные гистерезисы для монокристаллов сплава Ti-40Ni-10Cu (мас. %) а) исходный кристалл
без водорода; б) +5ч Н2; в) +5ч Н2 с последующим вылеживанием в течение 7 сут.;
г) +11ч Н2; д) +11ч Н2 с последующим вылеживанием в течение 7 сут.
Из рисунка 1,а видно, что в исходном состоянии МП начинается при температуре MS =279 К.
Значительные значения переохлаждения Г1=Mf-MS и нагрева Г2= AS-Af, равные, соответственно, 109 К и
122 К, свидетельствуют о накоплении упругой энергии при прямом мартенситном переходе и ее снятии
при обратном переходе. Петля термического гистерезиса имеет несимметричный вид ∆ 1 = MS-Mf = 3K
<∆ 2 = AS-Af = 16K и ∆1
∆2
= 0.2 . Несимметричность термического гистерезиса свидетельствует о том,
что накопленная при прямом мартенситном превращении упругая энергия консервируется в кристалле, и
для ее расконсервирования требуется значительный перегрев Mf-AS. Низкие значения температурного
гистерезиса ∆ 1 , ∆ 2 и высокие значения Г1, Г2 свидетельствуют о термоупругой природе МП.
Интересно, что AS < MS и, следовательно, в кристаллах при прямом МП запасается значительная упругая
энергия, которая не диссипирует за счет образования дефектов кристаллического строения и
РОССИЯ, ТОМСК, 20 – 23 АПРЕЛЯ 2010 г.
ФИЗИКА
VII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ
«ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»
78
способствует началу обратного МП за счет запасенной упругой энергии при AS < T0. Здесь T0 –
температура химического равновесия фаз, которая определяется химическим составом сплава.
Таблица 1
Температуры мартенситного превращения для монокристаллов Ti-40Ni-10Cu (мас. %)
Исходный
+5ч Н2
+5ч Н2 + вылеживание 7сут.
+11ч Н2
+11ч Н2 + вылеживание 7сут.
Ms, К
Mf, К
As, К
Af, К
Г1, К
Г2, К
∆1 , К
∆2 , К
T0, К
279
267
274
273
277
170
171
163
171
174
173
181
185
181
195
295
300
302
307
304
109
96
111
102
103
122
119
117
126
109
3
10
22
10
21
16
33
28
34
27
287
283,5
288
290
290,5
При наводороживании кристаллов в течение 5 и 11 часов MS уменьшается, соответственно, на 12К и
6К по сравнению с исходным состоянием без водорода (рис.1, б, г). Ранее в [2] на бинарных сплавах TiNi
при близких режимах наводороживания было показано, что MS
при наводороживании, напротив,
возрастает. Такое различие в изменении MS в бинарных и тройных сплавах TiNi может быть связано с
различной природой влияния водорода на один тип мартенсита В19’ или на смесь двух типов мартенсита
В19 и В19’ в кристаллах Ti-40Ni-10Cu. Температурный гистерезис остается несимметричный ∆ 1 < ∆ 2 .
Однако происходит рост температурных гистерезисов ∆ 1 , ∆ 2 по сравнению с исходным состоянием за
счет увеличения температур AS, Af и понижения MS . Сохранение низких значений температурного
гистерезиса ∆ 1 , ∆ 2 и высоких значений Г1, Г2 при наводороживании свидетельствуют о том, что водород
не подавляет термоупругую природу МП.
При наводороживании кристаллов в течение 5 и 11часов с последующим вылеживанием в течение 7
суток MS повышается, соответственно, на 7 К и 4 К по сравнению с наводороженным состоянием и
приближается к MS в исходных кристаллах без водорода (табл. 1). Следовательно, водород не вызывает
необратимых изменений в структуре кристаллов сплава Ti-40Ni-10Cu. Петли температурного гистерезиса
за счет повышения температур AS и MS (рис. 1, в, д) приобретают симметричный вид ∆ 1 ≈ ∆ 2 , обычно
наблюдаемый при термоупругих мартенситных переходах.
Из таблицы 1 видно, что температура T0 =
Af + M s
2
при наводороживании изменяется. Так как
концентрация никеля, титана и меди в сплаве не меняется, то вариация T0 от времени наводороживания
свидетельствует об изменении концентрация водорода в кристаллах.
Таким образом, на монокристаллах сплава Ti-40Ni-10Cu показано, что водород не подавляет
термоупругие МП, понижает MS и увеличивает температурный гистерезис МП.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шоршоров М. Х., Степанов И. А., Фломенблит Ю. М., Травкин В. В. Фазовые и структурные
превращения, вызываемые водородом в сплавах на основе никелида титана // ФММ. – 1985. – Т. 60. –
вып. 2. – С. 326 – 333.
2. Степанов И. А., Фломенблит Ю. М., Займовский В. А. Влияние водорода на температуру
термоупругого мартенситного превращения в никелиде титана // ФММ– 1983. – Т. 55. – вып. 3. – С.
612 – 614.
РОССИЯ, ТОМСК, 20 – 23 АПРЕЛЯ 2010 г.
ФИЗИКА