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: lesoto@sibmail.com 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: lesoto@sibmail.com 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