Структурні механізми індукованих магнітним полем деформацій в мартенситі Nі-Mn-Ga

Проаналізовано аналогію в часовій залежності деформації під дією фіксованого магнітного поля з деформацією, що збільшується із плином часу під дією фіксованого механічного навантаження [28, 29]. Аналогія виявляється і у впливі на залежні від часу деформації величини магнітного поля чи навантажень [28, 29], а також температури [29]. Базуючись на знайденій аналогії нами було запропоновано називати явище залежної від часу деформації в фіксованому магнітному полі при постійній температурі “магнітний крип”. Показано, що довготривала еволюція деформацій може продовжуватись до року, не сягаючи насичення [30]. Одним з явищ, що супроводжує часову залежність деформацій, є [29] часова залежність намагніченості в фіксованому магнітному полі при постійній температурі. Як залежність деформації від часу, так і намагніченість виявляють при малому часі спостереження (секунди чи долі секунд) стрибкоподібний характер, якій свідчить про відкріплення заблокованих границь, чи їх фрагментів, від дефектів. З'ясовано загальну тенденцію щодо впливу величини магнітного поля чи механічних напружень на інтенсивність магнітного (чи механічного) крипу: якщо величина магнітного поля (чи напруження) близька за значенням до величини критичного магнітного поля, деформація в сталому полі розвивається інтенсивно, якщо величина поля (чи напружень) менша за критичне значення, чи значно перевищує його, приріст деформації за рахунок витримки у часі є незначним. Інтенсивність магнітного крипу при тій самій величині магнітного поля зменшується при зниженні температурі, що зумовлено температурною залежністю величини критичного магнітного поля, розглянутої в попередньому розділі. Вплив швидкості прикладання магнітного поля на кінетику деформації в сталому магнітному полі відображається в уповільнені деформації при часовій експозиції в разі зменшення швидкості розгортки поля. Загальній час перебування в магнітному полі суттєво впливає як на стабільність магнітоіндукованих деформацій, так і на кінетику деформації після дії магнітного поля (Рис.18). Збільшення часу намагнічування сприяє стабілізації розмірів зразку після дії магнітного поля.

Дослідження впливу напрямку магнітного поля показало, що деформація є більш стабільною і менш інтенсивною з плином часу у разі співпадіння напрямку магнітного поля з напрямком [001]_гцт в одному з двійникових варіантів. Відхилення напрямку магнітного поля від [001]_гцт супроводжується збільшенням критичних напружень магнітного поля, що викликає зменшення інтенсивності магнітного крипу, а з другого боку при певних кристалографічних орієнтаціях таких як [010]_гцт та {110}_гцт деформації розвиваються із часом досить інтенсивно на протязі годин та днів, сягаючи значних величин (відсотки) [27].

В Розділі 6 “Структурні механізми магнітного крипу” експериментально та теоретично досліджено структурні механізмі та фізичні причини довготривалої еволюції феромагнітних мартенситів і, відповідно, деформацій в магнітному полі фіксованої величини при постійній температурі. Для пояснення фізичних причин довготривалої еволюції деформацій в сталому магнітному полі та виявлених закономірностей магнітного крипу розроблено теоретичну модель [31], яка базується на запропонованій ідеї релаксації флуктуючих мікро напружень та розробленій статистичній моделі магнітопластичності [24], розглянутій в Розділі 3. Модель базується на уявленнях, викладених в [30, 24] (розділ 3). В означених моделях розглядався миттєвий динамічний відгук системи мікронапруженої системи на дію магнітного поля і часові ефекти не розглядались. Для урахування часової еволюції до картини магнітопластичності [24, 30] додано наступні основні вихідні положення:

- швидка релаксація напружень, індукованих магнітним полем, що приводить до переміщення двійникових границь не є повною, що обумовлено відхиленням кристалічної гратки та структури мартенситу від ідеального стану, дефектами, хімічною негомогенністю, а також некогерентним станом деяких часток границь;

- магнітомеханічний відгук системи здвійникованого мартенситу на дію магнітного поля має імовірнісний характер як наслідок пінінгу двійникових границь і обумовлений кількістю (об'ємною часткою) двійникових границь, що взяли участь в переорієнтації кристалу;

- термічні флуктуації залишкових мікронапружень приводять до повільної їх релаксації і обумовлюють довготривале зростання деформації під дією магнітного поля.

Математичний апарат моделі базується на теорії викидів випадкових функцій (M. R. Leadbetter, G. Lindgren, H. Rootsen. N. В., Springer, 1983). Флуктуації напруження спричиняють стрибки в переміщенні деяких границь двійників в мартенситі коли повне напруження перевищує критичні значення (індекс нумерує сили пінінгу, які діють на різні двійникові границі). Ймовірності стрибків двійникових границь статистично розподілені навколо характерної величини , яка відповідає найбільшій частоті стрибків. Випадкова функція час від часу перетинає рівні . Середній час необхідний для першого перетинання:

(7)

(де - момент прикладення магнітного поля.

З фізичної точки зору рівняння (7) означає, що середнє напруження, що індуковане магнітним полем, є достатньо великим, щоб здолати сили пінінгу з номерами від 1<n<и відразу після прикладення магнітного поля (що відповідає миттєвому росту деформації при дії поля критичної величини).

Номер знаходиться з нерівностей . Стрибки двійникових границь, що закріплені силами з обумовлені флуктуючим напруженням і відповідають за повільну в часі еволюцію деформації в стаціонарному магнітному полі. Формула, що описує трансформацію двійникової структури мартенситу під дією флуктуючого напруження певною мірою подібні до виразу (4); кількість двійникових границь, що відкріпились від центрів пінінгу за відрізок часу від до дорівнює

(8)

Деформація здвійникованого мартенситного зразку в перпендикулярному до вектора магнітного поля напрямку визначається з рівняння

(9)

де S - повздовжня (до поля) пружна жорсткість тетрагональної ґратки.

Для теоретичного моделювання використано експериментальні параметри, які отримано в дисертаційній роботі та, при необхідності, літературні дані. Комп'ютерне моделювання часової еволюції деформації за моделлю (Рис.19) показало високий ступінь відповідності експериментальним результатам. Розгляд флуктуацій дозволив проаналізувати експериментально досліджені вплив температури та величини магнітного поля (Розділ 5) на часову залежність магнітопластичності.

Для теоретичного обґрунтування залежних від часу деформацій в сталому магнітному полі в моделі [32] використано експериментальні значення параметрів надпружних кривих, морфології і ієрархії двійникування (Розділ 2, 3). Показано, що довгохвильові теплові фонони індукують флуктуації деформацій та напружень. Короткохвильові фонони не впливають на переорієнтацію двійників, тому що локальні деформації, які спричиняють такі фонони в двійнику, різні за знаком і компенсують одна одну. Хвильовий вектор фононів, що дає внесок в ефективні напруження і мікро деформації лімітується максимальним значенням, , де ₀ - порядок подвоєної ширини двійника . Напруження індуковані довгохвильовими термічними фононами та середня швидкість його зміни

, . (10)

Отримане співвідношення вказує на сильну залежність середнього значення флуктуацій від товщини двійника та температури. Формула (10) визначає дуже мале значення ефективного термічно індукованого напруження для . Базуючись на експериментальних результатах з визначення типових товщин двійників в 5М структурі на різних структурних рівнях , в моделі з рівняння (10) показано, що термічні фонони практично не впливають на двійники з товщиною . В той час як на двійники з з діє термічне напруження , яке можна порівняти з напруженнями, які спричиняють перерозподіл двійникових варіантів, що спостерігалось експериментально. З огляду на ієрархію двійникової структури в досліджених мартенситах саме мікродвійники відповідальні за деформацію з плином часу в стаціонарних умовах.

Запропоновані теоретичні моделі дають пояснення причини довготривалості деформацій в сталому магнітному полі, але не розкривають всіх особливостей в кінетиці деформації в сталому полі, особливо стосовно впливу напрямку магнітного поля. Тому головна увага в дослідженні структурних змін, які обумовлюють магнітний крип, була приділена дослідженню безпосередньо в магнітному полі дифракційними методами саме впливу кристалографічного напрямку.

На базі отриманих результатів експериментальних досліджень дифракційними методами в магнітному полі виявлено основні структурні закономірності, які в значній мірі розкривають природу деформацій в фіксованому магнітному полі. Так експериментально встановлено [1], що збільшення з часом долі мартенситного варіанту зорієнтованого віссю легкої намагніченості [0 0 1]_гцк до магнітного поля є незначним, сформований внаслідок переорієнтації двійникових варіантів структурний стан є відносно стабільним після дії магнітного поля. При напрямку магнітного поля [001]_гцт чи [100] _гцт деформація обумовлена перерозподілом об'ємної долі двійникових варіантів, які вже існували в кристалі до дії магнітного поля. Часова залежність деформації обумовлена доланням двійниковими границями сил пінінгу, обумовленими дефектами структури, неоднорідностями тощо. По зсуву дифракційних рефлексів типу (0 0 l) (l=2, 4, 6) при експозиції в магнітному полі встановлено, що магнітне поле спричиняє пружну деформацію в (0 0 l) орієнтованих доменах. Положення рефлексів типу (h 0 0)_гцк лишаються незмінними в межах похибки. Це підтверджує базову тезу про особливості мікронапруженного стану в магнітному полі, яке взято за основу в статистичній моделі [24].

Зовсім інша ситуація відбувається в разі напрямку магнітного поля паралельно [0 1 1]_гцк. В цьому випадку виникає (активується) нова двійникова система, доля якої зростає з плином часу (Т2 на [13]. Результати оптичної мікроскопії в магнітному полі [26, 27] (Рис.21) підтвердили такий механізм деформації для <011>_гцт напрямків, як і для деяких випадкових орієнтацій, в яких можуть активуватися нові системи двійникування, або виникати і розповсюджуватись новий мартенситний варіант (в випадках коли до магнітного поля додано механічні напруження). Новий двійниковий домен містить тонкі двійники, які розповсюджуються як цілісна система [27]. Стара система, що також містить тонкі двійники, являє собою бар'єри для нової на додаток до дефектів, які блокують границі в загальному випадку. Деформація при <110>_гцт напрямку магнітного поля розвивається дуже повільно з часом знаходження у полі, але швидко зникає після дії поля [26]. Перетинання нових та старих двійників може приводити до появи тріщин, які спостерігалися експериментально.

Мартенсит демонструє особливу поведінку в разі напрямку магнітного поля [010]_гцт.. Поверхня кристалу до дії магнітного поля відповідає майже моноваріантному стану з орієнтацією (040)_гцк.

Після прикладання магнітного поля інтенсивність (040)_гцк піку різко зменшується, але не за рахунок переорієнтації (040)_гцк та (004)_гцк варіантів. При такому напрямку магнітного поля не має двійників з віссю легкого намагнічення орієнтованих до магнітного поля. Натомість з'являються нові піки, які не можливо проіндексувати в гцт наближенні, яке прийнято в літературі з магнітної пам`яті форми. Нові рефлекси належать 5M модульованій кристалічній гратці і відповідають (2 8 0) _5M та (2 12 0) _5M орієнтаціям 5М структури. З плином часу інтенсивність цих орієнтацій повільно збільшується (Рис.20), в той час інтенсивність пику (2 10 0) _5M (якій відповідає (040) в гцт апроксимації) зменшується, що відображає зменшення цієї первинній орієнтації в поверхні кристалу з експозицією в сталому магнітному полі. Досліджено еволюцію (2 8 0) _5M + (2 12 0)_{5M +} (2 10 0) _5M орієнтацій мартенситної структури після дії магнітного поля. Встановлено, що після тривалої витримки в магнітному полі структура релаксує дуже повільно, демонструючи довготривале часткове повернення до вихідного стану. Це відображає специфічну довготривалу магнітопружну деформацію. Отриманий результат вказує на необхідність і важливість використання реальної 5М модульованої структури для розуміння процесів, які відбуваются в мартенситі під дією магнітного поля. ГЦТ апроксимація реальної 5М структури мартенситу задовільно описує магнітомеханічну поведінку тільки на макро рівні і для найпростішого випадку, якій відповідає першим модельним уявленням про природу МFIS. На базі висновків з структурних досліджень безпосередню в магнітному полі та після намагнічування, проаналізовано та пояснено експериментальні результати та закономірності довготривалої деформації в сталому полі та після його дії, які було викладено в Розділі 5. Отримані результаті і висновки з довготривалої еволюції феромагнітного мартенситу та впливу напрямку магнітного поля доцільно враховувати при розробці режимів експлуатації актуаторів, перш за все в магнітному полі, що обертається.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Вперше виявлено і досліджено нове явище: довготривала еволюція двійникової структури феромагнітного мартенситу Ni-Mn-Ga під дією магнітного поля фіксованої величини та напрямку при постійній температурі, яка спричиняє зміну лінійних розмірів мартенситних монокристалів в стаціонарних умовах із плином часу. Двійникова структура феромагнітного мартенситу з 5-ти шаровим модульованим типом кристалічної структури еволюціонує при експозиції в магнітному полі фіксованої величини при постійній температурі таким чином, що двійникові домени, орієнтовані короткою віссю кристалічної гратки паралельно вектору намагнічування, розповсюджуються в об'ємі кристалу з плином часу шляхом пересування двійникових границь за рахунок двійникових доменів, орієнтованих іншим чином. Це спричиняє зміну розмірів монокристалів з часом: кристал поступово скорочується в напрямку магнітного поля і подовжується в перпендикулярному напрямку. Ефект проявляється в часовій залежності деформацій в стаціонарних умовах зовнішнього магнітного поля фіксованої величини та постійної температури.

2. Вперше з'ясовано фактори, які визначають кінетику довготривалої еволюції мартенситної структури феромагнітного мартенситу з магнітною пам'яттю форми та відповідну часову залежність деформацій при дії магнітного поля фіксованої величини при постійній температурі. Основними факторами є наступні: напрямок магнітного поля, величина магнітного поля, швидкість намагнічування, температура і дефектна структура мартенситу. Проаналізовано вплив визначених факторів на поведінку двійникової мартенситної структури та кінетику і інтенсивність деформації в означених стаціонарних умовах. Експериментально показано, що деформації розвиваються з малою інтенсивністю в разі співпадання напрямку магнітного поля з віссю легкого намагнічування [001]_гцт в двійниковому варіанті, зниженні температури і величинах магнітного поля менших за критичні, чи близьких до величини поля насичення. При значному відхиленні напрямку магнітного поля від вісі легкого намагнічування та величинах магнітного поля близьких до критичної, деформація може сягати відсотків і продовжуватися кілька діб без насичення.

3. Вперше визначено фактори, які контролюють кінетику і стабільність індукованих магнітним полем деформацій після дії магнітного поля: кристалографічний напрямок, в якому діяло магнітне поле, величина магнітного поля, температура та час намагнічування. Індуковані магнітним полем деформації мають частково зворотній характер. У разі відхилення напрямку магнітного поля від [001]_гцт, зворотна деформація збільшується при величинах магнітного поля, близьких до критичного значення, швидкому намагніченні і підвищенні температури. На кінетику зворотної деформації після дії магнітного поля суттєво впливають напрямок магнітного поля, його величина і температура.

4. Вперше теоретично проаналізовано часову еволюцію деформації феромагнітного мартенситу в сталому магнітному полі і запропоновано теоретичні моделі, які пояснюють збільшення деформацій із плином часу релаксацією флуктуючих внутрішніх напружень, обумовлених тепловими фононами. Показано, що деформація в стаціонарних умовах може продовжуватись до року, не сягаючи насичення. Причиною довготривалої деформації в магнітному полі фіксованої величини при постійній температурі є флуктуації ефективних мікронапружень, які мають статистичний тип розподілу. Під дією такого роду мікронапружень відбувається стрибкоподібне вивільнення двійникових границь чи їх фрагментів від дефектів, що їх блокують. Показано, що довгохвильові теплові фонони індукують флуктуації деформацій та напружень. В ієрархічній двійниковій структурі мартенситу (макро-, мікро- та нанодвійники) саме мікродвійники відповідають за деформацію з плином часу в стаціонарних умовах магнітного поля та температури.

5. З'ясовано структурні механізми, які визначають кінетику індукованих магнітним полем деформацій під дією сталого магнітного поля в залежності від напрямку магнітного поля. Часова еволюція деформацій в сталому магнітному полі, що діє в напрямку [001]_гцт одного з двійниковх варіантів, спричиняється переміщенням двійникових границь, що вже існували в кристалі до дії магнітного поля. Деформація в магнітному полі і її наступна часова еволюція в полі фіксованої величини спричиняється рухом границь нових двійникових доменів, які виникли (активізувались) під дією магнітного поля, в разі суттєвого відхилення напрямку магнітного поля від кристалографічного напрямку легкого намагнічування.

6. Вперше безпосередньо в магнітному полі в температурному інтервалі від початку мартенситного перетворення до 4К з'ясовано вплив температури на переорієнтацію двійникових варіантів під дією магнітного поля. Анізотропне термічне розширення п'ятишарового мартенситу корелює зі змінами в магнітній структурі і температурною залежністю деформацій, спричиненою переорієнтацією двійникових варіантів під дією магнітного поля.

7. Розроблено теоретичну модель магніто-пластичної деформації, яка базується на статистичному характері перерозподілу двійникових варіантів під дією мікронапружень, спричинених магнітним полем. Модель з хорошим ступенем відповідності узгоджується з експериментальними закономірностями магнітомеханічної поведінки двійникованих феромагнітних мартенситів під дією магнітного поля, а також при одночасній дії магнітного поля і механічних напружень, направлених паралельно чи перпендикулярно одне до одного.

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. N.I.Glavatska, K.Ullakko. “Isomagnetic martensitic transformation in Ni₂MnGa alloys”// J. of Magnetism and Magnetic Materials.- V. 218 (2000). - P.256-260.

2. V.T. Cherepin, N.I. Glavatska, I.N. Glavatskiy, V.G. Gavriljuk, “Dilatometer for measurements of linear dimension variation under effect of temperature, magnetic field and mechanical stress.”//Measurement Science and Technology. - V. 13 (2001). - P.174-178.

3. N. Glavatska, O. Sцderberg, K. Ullakko and V.K. Lindroos.// “Effect of thermal cycling on texture and microstructure in shape memory Ni-Mn-Ga alloys” Proceeding of SMST-99 Conference, Antwerpen Zoo, Belgium, 5 - 9 Sept. 1999. P. 451-461.

4. Ворощенко А.Т., Главацька Н.І. Петряков В.О., Фомін О.В Патент „Електролит для електрохімічного струнного різання сплавів Ni-Mn-Ga”.// № 5828/20 бюлетень Промислова власність №8 (2006).

5. Y. Ezer, A. Sozinov, G. Kimmel, V. Etelдniemi, N.I. Glavatskaya, A. D'Anci, V. Podgursky, V.K. Lindroos, and K. Ullakko. “Magnetic shape memory (MSM) effect in textured polycrystalline Ni₂MnGa”.// Proceeding of SPIE Conference on Smart Materials Technologies, Newport Beach, California, March, (1999).- P. 244-251.

6. Soderberg O., Glavatska N., Yakovenko P., Bersudsky E., Glavatskiy I., Ezer Y., Ullakko K. and Lindroos V.K. “Effect of thermo-mechanical treatment on magnetic shape memory effect in polycrystalline Ni-Mn-Ga” // Proceeding of SMST-99 Conference in Antwerp 5 - 9 Sept. 1999.- P.38-45.

7. G. Mogylnyy , I. Glavatskyy, N. Glavatska, O. Sцderberg , Y. Ge , V. K. Lindroos. „Crystal structure and twinning in Ni₂MnGa magnetic shape memory”.// Scripta Materialia. V.-48/10 (2003).-P. 1427 - 1432.

8. N. Glavatska, G. Mogilniy, S.Danilkin, D.Hohlwein.” Temperature dependence of lattice parameters in martensite and effect of the external magnetic field on martensite structure in Ni₂MnGa studied in situ with neutron diffraction”., Material Science Forum.- V.443-444 (2003).-P. 397-400.

9. Shanina B.D, Konchits A.A., Kolesnik S.P, Gavriljuk V.G., Glavatskij I.N., Glavatska N.I., Soderberg O., Lindroos V.K., Foct J. “Ferromagnetic resonance in non-stoichiometric Ni_1-x-yMn_xGa_y” // Journal of Magnetism and Magnetic Materials.- V.237 (2001).- P.309-326.

10. V.G.Gavriljuk, O.Sцderberg, V.V.Bliznuk, N.I.Glavatska and V.K. Lindroos .“Martensitic “Transformations and Mobility of Twin Boundaries in Ni₂MnGa Alloys Studied by using Internal Friction”.// Scripta Materialia.-V. 49 N8 (2003).- P.803-809.

11. І. Glavatskyy, N. Glavatska, O. Soderberg, S.-P. Hannula, J.-U. Hoffman.“Transformation temperatures and magnetoplasticity of the Ni-Mn-Ga alloyed with Si, In, Co or Fe”.//Scripta Materialia.- V.54 (2006).-P. 189-192.

12. O.Heczko, N.Glavatska, V.Gavriljuk, K.Ullakko. “Influence of Magnetic Field and Stress on Large Magnetic Shape Memory Effect in Single Crystalline Ni-Mn-Ga Ferromagnetic Alloy at Room Temperature”.// Material Science Forum.-V. 373-376 (2001).-P.341-344.

13. N.Glavatska. “Redistribution of twin martensitic domains in magnetic shape memory Ni₂MnGa alloys caused by external magnetic field”.// J. Ferroelectrics.- V.290-292 (2003).-P.93-102.

14. Glavatska N., Mogilniy G., Glavatskyy I., Danilkin S., Hohlwein D., Soderberg O., Lindroos V.K., Beskrovnij A. “Temperature dependence of martensite structure and its effect on magnetic field induced strain in Ni₂MnGa shape memory alloys” // Journal de Physique IV France.- 112 (2003).- P.963-967.

15. Glavatska N., Mogylny G., Glavatsky I., Gavriljuk V. “Temperature stability of martensite and magnetic field induced strain in Ni-Mn-Ga” // Scripta Materialia.- V46/8 (2002).- P.605-610.

16. Glavatska N., Mogylny G., Glavatsky I., Tyshchenko A., Soderberg O., Lindroos V.K. “Temperature Dependence of Magnetic Shape Memory Effect and Martensitic Structure in Ni-Mn-Ga Alloy” // Material Science Forum.- V.394-395 (2002).- P.537-540.

17. V.V.Runov, Ju.P. Chernenkov, M.K.Runova, V.G.Gavriljuk and N.I.Glavatska. “Spin Correlations in Ni-Mn-Ga”.// J. Experimental and Theoretical Physics Letters.-V74 N12 (2001).-P. 590-595.

18. V.V. Runov, Yu.P.Cherenkov, M.R.Runova, V.G.Gavriljuk, N.I.Glavatska. ” Study of phase transitions and mesoscopic magnetic structure in Ni-Mn-Ga by means of small-angle polarized neutron scattering”.// Physica B.- V.335 (2003).- P.109-113.

19. V. Runov, M. Runova, V. Gavriljuk, N. Glavatska. ”Observation of magnetic-nuclear cross-correlations in Ni-Mn-Ga”.// Physica B.-V. 350 (2004).-P. 87-89.

20. B.D. Shanina, A.A. Konchits, S.P. Kolesnik, V.G. Gavriljuk, I.N. Glavatskiy, N.I. Glavatska, O. Sцderberg, V.K. Lindroos, J. Foct. ”Magnetic and electronic structures of MSM alloys N_1-x-y Mn_x Ga_y”.// Journal de Physique IV France.-V. 112 (2003).-P. 989-892.

21. Glavatsky I., Ge Y., Glavatska N. “Kinetics of magnetic field induced strain and martensite structure evolution in NI₂MnGa shape memory alloys” // Вісник Львівського Університету, Серія Фізична, № 34b (2001).- P.333-337.

22. Glavatska N., Glavatsky I., Mogylny G., Gavriljuk V. “Magneto-thermal shape memory effect in Ni-Mn-Ga” // Applied Physics Letters. - V.80 (2002) № 19. - P.3533-3535.

23. І..Главацкий, Н.Главацька, Г. Могильній, В.Гаврилюк. “Метод обробки магнітних сплавів з памяттю форми” .Патент №7769, бюлетень „Промислова власність” №7 (2005).

24. Glavatska N.I, Rudenko A.A, Glavatskyy I.N., Lvov V.A.”Statistical model of magnetostrain effect in martensite Ni₂MnGa”. // J. Magnetism and Magnetic Materials.- V. 265/2 (2003).-P. 142-151.

25. N.Glavatska, K.Ullakko. “X-Ray Diffraction Study of the Effect of Magnetic Field on Martensitic Transformation in Ni₂MnGa Alloys”.// Material Science Forum.- V. 378- 381 (2001).-P. 420-424.

26. N. Glavatska, V. Gavriljuk, I. Glavatskiy, O. Sцderberg, Y.Ge , K. Ullakko ,V. Lindroos. “Time-dependent Evolution of Martensitic structure Caused by Magnetic field in Ni2MnGa Magnetic shape Memory Alloy.”// Material Science Forum.-V. 373-376 (2001).- P.357-361.

27. Glavatska N., Gavriljuk V., Glavatskiy I., Ge Y., Soderberg O., Jaaskelainen A., Ullakko K., Lindroos V. K., “The effect of time on the evolution of the martensitic structure and strain caused by magnetic field in Ni₂MnGa shape memory alloys” // Journal de Physique IV, 11 (2001), Pr.8, P.281-287.

28. Glavatska N., Glavatsky I. “Creep in Magnetic Shape Memory Ni₂MnGa Alloy under Constant Magnetic Field” // Functional Materials.- V.9 (2002) N1.- P.37-40.

29. Glavatska N., Glavatskiy I. “Dynamic Response of Martensite in Ni₂MnGa Magnetic Shape Memory Alloys to Stress Caused by Constant Magnetic Field” // Material Science Forum.-V.404-407 (2002).- P.841-848.

30. Glavatska N.I, Rudenko A.A, Lvov V.A. “Time-dependent magnetostrain effect and stress relaxation in the martensitic alloy”. //J. Magnetism and Magnetic Materials.-V 241 (2001).-P.287-291.

31. V. L'vov, A.Rudenko, N. Glavatska. “Fluctuating stress as the origin of the time-dependent magnetostrain effect in Ni-Mn-Ga martensites”, Physical Rewiev B.-V. 71/024421 (2005).-P. 1-6.

32. V. A. L'vov , N. Glavatska , I. Glavatskiy , Y. Ge , O. Heczko, O. Sцderberg, S-P. Hannula. “Time-dependent magnetostrain and thermal phonons in the Ni-Mn-Ga magnetic shape-memory alloys”.// International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics.- V. 23 No 1-2 (2006). -P.75-79.

АНОТАЦІЇ

Главацька Н.І Структурні механізми індукованих магнітним полем деформацій в мартенситі Nі-Mn-Ga.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.13 - фізика металів - Інститут Металофізики НАН України, Київ, 2006.

В дисертації досліджено кристалічну структуру та закономірності магніто-пластичної поведінки в феромагнітних мартенситах Nі-Mn-Ga сплавів нестехіометричного складу під дією магнітного поля в широкому температурному інтервалі - від початку мартенситного перетворення до 4К. Знайдено та досліджено нове явище - довготривалої еволюції двійникової структури мартенситу під дією фіксованого магнітного поля при постійній температурі, яке спричиняє деформацію монокристалів при експозиції в означених стаціонарних умовах (магнітний крип). Визначено зовнішні та структурні фактори, які впливають на інтенсивність магнітопластичної деформації як в магнітному полі, що змінюється, так і в магнітному полі фіксованої величини. З'ясовано вплив напрямку та величини магнітного поля, швидкості намагнічування і температури на магнітоіндуковані деформації, кінетику деформацій у стаціонарних умовах фіксованого магнітного поля, а також на стабільність розмірів кристалу після дії магнітного поля. Визначено особливості структурних механізмів магнітопластичності, які обумовлені зміною кристалографічного напрямку магнітного поля. Розроблено теоретичні моделі магнітомеханічної поведінки феромагнітного мартенситу: модель, що базується на статистичному перерозподілі двійникових варіантів під дією мікронапружень, створюваних магнітним полем; модель флуктуючих мікронапружень як причини довготривалої еволюції здвійникованого мартенситу в сталому магнітному полі; модель, що визначає довгохвильові фонони як причину флуктуації мікронапружень та деформацій і розкриває, що при ієрархії двійникування довготривала еволюція мартенситної структури в стаціонарних умовах спричиняється мікродвійниками.

Розвинуто новий науковий напрям - „магнітний крип” - довготривалої еволюції здвійникованих феромагнітних мартенситів їх деформацій в стаціонарних умовах дії зовнішніх полів (температури, магнітного поля, механічного навантаження).

Отримані результати мають як фундаментальне, так і прикладне значення, оскільки є науковою базою для створення найбільш прийнятних технологічних режимів виготовлення монокристалічних магнітних актуаторів та їх експлуатації.

Ключові слова: мартенсит, двійникування, магнітна пам'ять форми, тетрагональність, магнітне поле, деформація, кристалічна структура, кінетика.

Главацкая Н.І Структурные механизмы индуцируемых магнитным полем деформаций в мартенсите Nі-Mn-Ga.-Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.13 - физика металлов - Институт Металлофизики НАН Украины, Киев, 2006.

В диссертации исследована кристаллическая структура и закономерности магнито-пластического поведения и структурных изменений, его обуславливающих, в ферромагнитных мартенситах Nі-Mn-Ga сплавов нестехиометричного состава под действием магнитного поля в широком температурном интервале - от начала мартенситного превращения до 4К. Найдено и исследовано новое явление - долговременной эволюции двойниковой структуры мартенсита под действием фиксированного магнитного поля при постоянной температуре, которое вызывает деформацию монокристаллов при экспозиции в отмеченных стационарных условиях (магнитный крип). Определены внешние и структурные факторы, которые влияют на интенсивность магнитопластичной деформации как в изменяющемся по величине магнитном поле, так и в магнитном поле фиксированной величины. Выяснено влияние направления магнитного поля, его величины, скорости намагничивания и температуры на магнитоиндуцированные деформации, кинетику деформаций в стационарных условиях фиксированного магнитного поля, а также на стабильность размеров кристалла после действия магнитного поля. Определены особенности структурных механизмов магнитопластичности, которые обусловлены изменением направления кристаллографии магнитного поля. Разработаны теоретические модели магнитомеханического поведения ферромагнитного мартенсита: модель, базирующаяся на статистическом перераспределении двойниковых варіантов под действием микронапряжений, создаваемых магнитным полем; модель флуктуирующих микронапряжений, как причины долговременной эволюции сдвойникованого мартенсита в постоянном магнитном поле; модель, определяющая длинноволновые фононы как причину флуктуации микронапряжений и деформаций и показывающая, что при иерархии двойникования долговременная эволюция мартенситной структуры в стационарных условиях вызывается микродвойниками.

Полученные результаты имеют как фундаментальное, так и прикладное значение, поскольку являются основой для создания наиболее приемлемых технологических режимов изготовления магнитных монокристаллических актуаторов и их эксплуатации.

Развито новое научное направление - „магнитный крип" - долговременная эволюции структуры сдвойникованных ферромагнитных мартенситов и их деформаций в стационарных условиях действия внешних полей фиксированной величины (температуры, магнитного поля, механической нагрузки).

Ключевые слова: мартенсит, двойникование, эффект магнитная памяти формы, тетрагональность, магнитное поле, деформация, кристаллическая структура, кинетика.

Glavatska N.I. Structural mechanisms of the magnetic field induced strains in the Ni-Mn-Ga martensites. -Manuscript.

Thesis for the degree of Doctor of Sciences (Dr.Sc.) in Physics and Mathematics on specialty 01.04.13 - physics of metals. G.V. Kurdyumov Institute for Metal Physics, NAS of Ukraine, Kyiv, 2005.

The dissertation concerns a crystalline structure and conformities to the law of magneto-plastic behavior together with structural changes in ferromagnetic martensite phase of the Nі-Mn-Ga alloys under the action of magnetic fields in a wide temperature interval from the start of the martensite transformation down to 4К. The new effect of long duration evolution of twinned structure of the martensite under action of the constant magnetic field at a stationary temperature was found and described as magnetic creep. The effect causes deformation of single crystals with exposition to the mentioned stationary conditions. The structural and external factors affecting the intensity of magneto-plastic deformation in the changing and/or steady magnetic field were determined, such as: the influence of the magnetic field direction, magnitude and rate of the magnetization and temperature. The kinetics and magnitude of magnetic field induced deformations are cleared out in the stationary terms of the magnetic field as well as its influence on the stability of deformations after magnetic field action. The features of the structural mechanisms of magneto-plasticity conditioned by the change of crystallographic direction of the applied magnetic field are determined.

New theoretical models of the magneto-mechanical behavior of the ferromagnetic martensite were developed: the statistical model based on the redistribution of the twin variants with the action of the internal microstresses due to the external magnetic field action; the model of the fluctuating microstresses as the reasons for the long-time evolution of the twinned ferromagnetic martensite in the steady magnetic field; the model of the long-wave thermal phonons as the reason for the fluctuating microstresses and deformations taking into account the hierarchical twinning and microtwinning.

A new physical approach has been developed: the magnetic creep - long-lasting evolution of the deformation in the twinned ferromagnetic martensites under stationary conditions with steady external fields (mechanical stress, magnetic field, temperature) action.

The obtained results possess both fundamental and applied significance, since they are giving the grounds for the creation and development of the most optimal technological regimes for the manufacturing and exploitation of the single crystalline magnetic actuators.

Keywords: martensite, twinning, magnetic shape memory, deformation, crystal structure, kinetics, ferromagnetism.

Размещено на Allbest.ru