Генерація сигналів електрорушійної сили в сплавах з вибуховою кінетикою мартенситного перетворення

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ МЕТАЛОФІЗИКИ ім. Г.В. КУРДЮМОВА

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Спеціальність 01.04.13 - фізика металів

ГЕНЕРАЦІЯ СИГНАЛІВ ЕЛЕКТРОРУШІЙНОЇ СИЛИ В СПЛАВАХ З ВИБУХОВОЮ КІНЕТИКОЮ МАРТЕНСИТНОГО ПЕРЕТВОРЕННЯ

ГОЛОВКО ВІТАЛІЙ ПЕТРОВИЧ

КИЇВ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у відділі фазових перетворень

Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України

Науковий керівник:	член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук, професор Коваль Юрій Миколайович, Інститут металофізики НАН України, завідувач відділу фазових перетворень.
Офіційні опоненти:	доктор фізико-математичних наук, професор Данільченко Віталій Юхимович, Інститут металофізики НАН України, завідувач відділу індукованих мартенситних перетворень доктор технічних наук, професор Макогон Юрій Миколайович Національний технічний університет “Київський політехнічний інститут”, професор кафедри фізики металів

Захист відбудеться „ 22 ” грудня 2010 р. о 14 годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д.26.168.01 Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України за адресою 03142, ГСП, м. Київ-142, бульв. Вернадського, 36.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України за адресою:

03142, ГСП, м. Київ-142, бульв. Вернадського, 36.

Автореферат розісланий „ 18 ” листопада 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор фізико-математичних наук	В.К. Піщак

ЗАГАЛЬНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ РОБОТИ

Актуальність роботи. Мартенситне перетворення (МП) - одне з найбільш широко досліджуваних явищ матеріалознавства. Історично поняття “МП“ виникло при вивченні процесів, які протікають при швидкому охолодженні (загартуванні) сталей, попередньо нагрітих вище певної температури, та приводять до отримання високих міцністних характеристик і певної структури. Цій структурі було присвоєно назву мартенсит, а процесу, що приводить до її утворення - МП.

Дещо пізніше з'ясувалося, що перетворення мартенситного типу не є унікальною особливістю сталей і спостерігається в багатьох інших матеріалах. По мірі того, як отримувалися нові дані, зміст поняття “МП” зазнавав і продовжує зазнавати змін.

В ході дослідження природи МП стало відомо, що вони характеризуються цілим рядом незвичайних властивостей (термопружність, надпружність, ефект пам'яті форми (ЕПФ), висока демпфуюча здатність, низькі значення пружних сталей і таке інше). Всі ці відкриття виявилися важливими для вирішення різних технічних проблем.

Основними критеріями, за якими відбувається вивчення МП, є кінетика перетворення, орієнтаційні співвідношення, морфологія, температурний інтервал перетворення, термодинамічні умови.

Проте, у незначній кількості робіт показано, що МП супроводжується іншими, раніше не відомими, мало дослідженими процесами. До таких нетрадиційних проявів слід віднести звукову емісію та генерацію електричних сигналів.

Появу електричних сигналів при протіканні прямого МП зареєстрували у різних сплавах Ti-Ni, Fe-Ni, Cu-Zn. Але не було єдиного трактування причин їх появи. Джонсон А.Д. та Катц П.І. [1] появу сигналів у сплавах системи Ti-Ni пов'язували з МП, яке супроводжується ЕПФ. Натомість Робін М., Лорман Г. та Гобін П. [2-3] вважали, що причини цього явища наступні: 1) при фазовому перетворенні мартенситного типу в результаті скачкоподібної зміни об'єму частини зразка виникають ударні хвилі, які, взаємодіючи з границями, можуть приводити до появи електричних коливань; 2) рухомі міжфазні границі можуть прискорювати електрони провідності. Оскільки МП супроводжується деформаційними процесами, слід звернути увагу на роботи Бевза В.П. [4], яким експериментально було встановлено, що при ударному навантаженні металів, яке супроводжується швидкісною пластичною деформацією, виникає імпульс струму за відсутності зовнішнього джерела. Автором було зроблено припущення, що визначальним фактором появи сигналу є швидкість пластичної деформації. В ході експерименту було зареєстровано зменшення електричного ефекту з ростом степені деформації. В 80-х роках в Інституті металофізики Ковалем Ю.М. і Моліним А.І. [5-6] було зареєстровано появу сигналів електрорушійної сили (ЕРС) у сплавах Fe-Ni при прямому МП. При цьому ці автори припустили, що основна причина появи сигналів полягає у формуванні диференційної термопари аустеніт-мартенсит.

В даній роботі виконано дослідження електричних сигналів, які виникають при протіканні МП (прямого і зворотного) у сплавах з різною кінетикою МП, вивчено залежність появи сигналів від механізму виділення теплоти при МП, та особливостей взаємного розташування фаз мартенсит-аустеніт. Розроблено методику та проведено реєстрацію сигналів при зворотному МП.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконана у межах бюджетних тем відділу фазових перетворень Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України:

· “Структурні фазові перетворення в градієнтних функціональних матеріалах і наноструктурних сплавах на основі перехідних металів” (номер державної реєстрації 0105U000978);

· “Фазові перетворення, структурні особливості та функціональні властивості нових композиційних матеріалів на основі сплавів з пам'яттю форми” (номер державної реєстрації 0107U009633).

Мета роботи. Дослідити умови появи сигналів ЕРС при прямому і зворотному МП у сплавах системи Fe-Ni та встановити їх взаємозв'язок з кінетикою МП.

Задачі дисертаційної роботи:

1. Встановити закономірності появи сигналів термо-ЕРС при прямому МП, механізми їх виникнення.

2. Дослідити можливість появи сигналів термо-ЕРС при зворотному МП.

3. Встановити зв'язок між появою сигналів ЕРС та кінетикою МП.

4. Визначити швидкість прямого і зворотного МП із застосуванням властивості появи сигналів ЕРС у сплавах системи Fe-Ni.

Об'єкт дослідження - електричні сигнали, які генеруються при прямому та зворотному МП.

Предмет дослідження - закономірності електромагнітних явищ при МП, мікроструктура сплаву; кінетичні та термодинамічні параметри сплавів.

Методи досліджень. Для досягнення поставленої в роботі мети були використані наступні методи дослідження: оптична мікроскопія та статистична металографія, резистометрія, дилатометрія, реєстрація різниці потенціалів.

Наукова новизна роботи. Експериментально встановлено зв'язок між появою сигналів ЕРС та кінетикою мартенситного перетворення. Аналіз результатів показав, що електричні сигнали реєструється лише у сплавах з вибуховим МП. Природа появи сигналів обумовлена термоелектричними процесами при протіканні МП (утворення диференційних термопар аустеніт-0мартенсит-аустеніт) . Накладання зовнішнього магнітного поля призводить до реєстрації додаткових сигналів обумовлених ефектом Фарадея.

Вперше, при зворотному МП, у сплавах системи Fe-Ni зареєстровано появу сигналів, та встановлено, що кінетика зворотного перетворення аналогічна прямому. На вигляд сигналів суттєво впливає швидкість охолодження/нагрівання. Оптимальною швидкістю охолодження є 0,01-40 є/хв., нагрівання - 2-50 є/хв.

Визначено швидкість поширення перетворення при зворотному МП. Вона вдвічі менша у порівнянні з прямим МП.

Наукова і практична цінність отриманих результатів. Отримані у дисертаційній роботі експериментальні результати та методики можуть бути використані для наукових досліджень в області фізики твердого тіла, фізики металів та матеріалознавства. Використання отриманих результатів дає можливість більш повного розуміння процесів, які відбуваються при прямому та зворотному МП.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати одержані автором особисто або за його безпосередньої участі. Здобувач брав участь: у визначенні основних кінетичних параметрів досліджуваних сплавів; у підготовці та проведенні експериментів; у активному опрацюванні та аналізі отриманих експериментальних результатів; у написанні статей та підготовці матеріалів конференцій.

Апробація результатів дисертації.

Результати досліджень оприлюднені на: Міжнародній конференції студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “ЕВРИКА - 2007”, 22-24 травня, 2007, Львів, Україна; Міжнародній конференції студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “ЕВРИКА - 2008”, 19-21 травня, 2008, Львів, Україна; Міжнародній конференції “СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ФИЗИКИ МЕТАЛЛОВ”, 7-9 жовтня, 2008, Київ, Україна; Всеукраїнській конференції молодих вчених “СОВРЕМЕННОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ: МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ”, 12-14 листопада, 2008, Київ, Україна; Міжнародній конференції присвяченій пам'яті академіка Г.В. Курдюмова “ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ПРОЧНОСТЬ КРИСТАЛЛОВ”, 17-21 листопада, 2008, Черноголовка, Росія; XIII Міжнародному форумі по термоелектриці присвяченому відкриттю А. Вольта 10 лютого 1794 р., 10-13 лютого, 2009, Київ, Україна.

Публікації. За тематикою дисертаційної роботи оприлюднено 10 статей та повідомлень (2007-2009р.), основні положення викладено у 4 статтях фахових наукових журналах [1-4].

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків та списку цитованої літератури з 154 найменувань. Робота викладена на 122 сторінках машинописного тексту, включаючи 7 таблиць та 40 малюнків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність вибору теми дисертаційної роботи, сформульовано її цілі та задачі, визначено об'єкти дослідження та методи їх проведення, розкрито наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, визначена структура дисертації.

У першому розділі наведено огляд літератури за тематикою поставленої в дисертації задачі, розглянуто сучасний стан уявлень про генерацію електричних сигналів при МП та швидкості поширення перетворення. Розділ умовно можна поділити на три частини. Перша - стосується огляду експериментальних та теоретичних відомостей про кінетику та термодинаміку МП, впливу домішок на МП. У другій частині опрацьована література стосовно реєстрації електричних сигналів, які виникають у різних сплавах при МП та виконано аналіз раніше зроблених висновків. Третя частина присвячена аналізу літератури на предмет дослідження швидкості появи кристалів мартенситу та дослідженню швидкості поширення перетворення. Розглянуто використані методики, за якими досліджувалась швидкість поширення перетворення та утворення кристалу.

Аналіз літературних даних на зазначену тему показав, що систематичного дослідження виникнення електричних сигналів при прямому МП не проводилося. Зовсім відсутні відомості про генерацію сигналів при зворотному фазовому перетворенні мартенситного типу.

Беручи до уваги всі зазначені аспекти вивчення теми, у розділі сформовані основні задачі експериментального та теоретичного дослідження виникнення електричних сигналів при прямому та зворотному МП та визначення швидкості поширення МП з використанням сигналів ЕРС.

У другому розділі приведено опис використаних методик та матеріалів дослідження.

Основними матеріалами для дослідження слугували сплави системи Fe-Ni, Fe-Ni-Nb, склади яких наведено в таблиці 1.

Таблиця 1. Склади сплавів, що використовувались при дослідженні.

Тип зразків	Склад, ваг %	Характеристичні точки
	Fe	Ni	Nb	МП,єС	МК,єС	АП,єС	АК,єС
Дріт	69	31	-	-50	-95	275	340
	68	32	-	-80	-105	270	330
	69,2	29,8	0,98	-70	-105	290	355
	67	33	-	-125	-160	255	300
Пластинки	69	31	-	-45	-95	275	340
	68	32	-	-82	-116	270	330
Масивні	71,65	28,35	-	20	-65	280	360
	67,9	32,1	-	-93	-110	270	330
	69,1	30,9	-	-49	-92	275	340

Сплави виплавлялися з технічно чистих металів (99,9 % чистоти) - заліза, нікелю та ніобію у індукційній печі в середовищі аргону. Після чого зливки гомогенізувалися та піддавалися механічній обробці. Для дослідження впливу особливості формування потоків тепла на величину і форму сигналів, було виготовлено зразки різної форми: у вигляді дроту (діаметром 0,5 мм), пластинок (0,5Ч2Ч50 мм), та „масивних” (30Ч3Ч5 мм). Різна форма зразків дозволила регулювати кількість мартенситної фази, що з'являється, змінювати взаємне розташування мартенситної та аустенітної фаз та дослідити їх вплив на величини і форму електричних імпульсів.

При виготовлені зразків у вигляді дроту заготовка піддавалася волочінню з подальшим відпалом у вакуумі. Зразки у вигляді пластинок отримувалися шляхом механічної обробки зливків. Після процедури обробки пластинки піддавалися відпалу у вакуумі. Масивні зразки отримувалися аналогічним чином, що і зразки у вигляді пластинок. Всі зразки після виготовлення гомогенізувалися у вакуумі (10^-6 мм. рт. ст.) при різних температурах (зразок у вигляді дроту 800 (єC), ф=30 хв., пластинки 800 (єC), ф=60 хв., масивні зразки 1050 (єC), ф=600 хв.). Після чого температура печі разом зі зразками доводилася до 1000 (єC) та проводилося їх гартування у воді. Безпосередньо перед дослідженнями, методом рентгеноспектрального аналізу, було уточнено склад кожного із зразків. Крім того, дилатометричним та резистометричним шляхом було встановлено характеристичні температури початку та кінця прямого і зворотного МП.

Відповідно для кожного типу зразків, досліджуючи сигнали при прямому МП, використовувалися різні схеми розміщення та під'єднання термопари та провідників. Усі вони приведені на рис.1. Розмістивши зразок відповідно до його типу, при охолодженні з дотриманням необхідної швидкості, проводилась реєстрація сигналів при прямому МП з використанням чутливого обладнання (двокоординатний самописець Н-307, модуль АЦП “Triton2402U”, осцилограф С8-13 та запам'ятовуючий осцилограф С1-93).

Методика реєстрації сигналів при зворотному МП дещо відрізняється від вище запропонованої. Незважаючи на те, що геометричні розміри зразків, спосіб під'єднання термопари та потенціометричних провідників залишалися незмінними, для забезпечення необхідної швидкості нагрівання доводилося розробляти різні пристрої для різного типу зразків.

Схеми розміщення та під'єднання термопари та провідників при зворотному МП для зразків у вигляді дроту та пластинок наведено на рис. 2. Відповідно до методики зразки першого типу (у вигляді дроту) поміщалися до кварцової капсули. При дослідженні сигналів, які генеруються при зворотному МП, у зразках пластинчастої форми було виготовлено так званий „компакт”. Він являє собою мідну трубку, в якій наявні отвори для потенціометричних дротів та термопари. Для масивних зразків схема під'єднання та розміщення залишилася тією ж самою (рис. 1в).

а) б) в)

Рис. 1. Схема реєстрації сигналів при прямому МП для різного типу зразків: а) у вигляді дроту; б) у вигляді пластинок; в) масивні зразки 1 - реєструючий пристрій;2 - термопара; 3 - зразок

а) 1 - реєструючий пристрій; 2 - термопара, 3 - зразок, 4 - капсула	б) 1 - реєструючий пристрій; 2 - термопара, 3 - зразок, 4 - засипка, 5 - гвинтові пробки.

Рис. 2. Схема реєстрації сигналів при зворотному МП для зразків у вигляді дроту(А) та пластинок (В)

Зразки безпосередньо перед дослідженням витримувалися в рідкому азоті (для переведення їх до мартенситного стану). Після чого зразок поміщали у піч, яку попередньо розігрівали до різної температури (вище А_К), залежно від хімічного складу зразка. Піч безпосередньо перед завантаженням зразка відмикали від мережі, задля запобігання впливу магнітного поля струму.

Експериментальним шляхом було встановлено оптимальні швидкості охолодження (при прямому МП) та нагрівання (при зворотному МП). Вони становили відповідно 0,01-40 є/хв. та 2-50 є/хв. З'ясувалося, що за більших швидкостей сигнали зливаються і нечіткі.

В третьому розділі наведено основні експериментальні результати, отримані при дослідженні сигналів при прямому та зворотному МП.

В процесі охолодження зразків з дроту зареєстровано появу електричних сигналів величиною ~0,2 мВ. Типовий вигляд яких наведено на рис. 3.

Рис. 3. Характерний вигляд сигналів отриманий при охолодженні. Сплав Fe-31ваг. % Ni.

Сигнали змінної полярності. Реєстрація першого сигналу супроводжується появою акустичної хвилі. Температура реєстрації перших сигналів співпадає з температурою початку прямого МП. Причому, поява сигналу супроводжується незначним розігрівом ділянки з разка.

Співпадіння температури початку прямого МП з температурою реєстрації першого сигналу, поява акустичної хвилі, розігрів ділянки зразка дає можливість зробити висновок, що природа появи сигналів напряму пов'язана з протіканням МП.

Для сплаву Fe-31ваг. %Ni розігрів становить 3-7є, що становить ~5,3 кал/г. Якщо розглядати кристал мартенситу у вигляді еліпсоїду (лінзи), то, як виявилося, умови виділення тепла неоднакові - на краях кристала підвищення температури складає 12°, а в його плоскій частині - 7. В такому випадку з'являється градієнт температури між мартенситним кристалом і аустенітною матрицею, що його оточує. При з'єднанні матеріалів однакового складу, але з різними кристалічними структурами, за умови наявності градієнту температур спостерігається ефект Зеебека, що полягає в утворенні ЕРС в електричному колі, яке складається з послідовно з'єднаних різнорідних провідників, контакти між якими знаходяться за різних температур. Говорячи іншими словами утворюється термопара. Ми вважаємо, що основна причина появи сигналів - це утворення так званої диференційної термопари аустеніт-мартенсит-аустеніт. Диференційна термопара - це два провідника з різними коефіцієнтами термо-ЕРС, які спаяні в двох кінцях, а вимірювальний пристрій вмикається в розрив одного з провідників. Виділення тепла приводить до появи градієнта температури між матрицею, яка оточує кристал мартенситу і самим кристалом, тобто до появи диференційної термопари, ЕРС якої можна зареєструвати чутливим приладом.

а)

б)

Рис. 4. Спосіб переведення зразка у формі дроту у двофазний стан (а): 1 - мідний стержень; 2 - зразок у вигляді дроту; 3 - термопара. (б) схематичне розміщення аустенітної (А) та мартенситної (М) фаз.

Для дослідження впливу взаємного розташування мартенситних та аустенітних фаз на вигляд сигналів зразок було частково переведено до мартенситного стану (рис. 4.а) шляхом занурення частини зразка до рідкого азоту. Зразок з дроту було попередньо намотано на масивний мідний стержень діаметром 40 мм з подальшим зануренням на 1/3 в азот. За таким способом охолодження було отримано чергування областей з різними фазами (рис. 4.б).

а)

б)

Рис. 5. Сигнали ЕРС зареєстровані на кінцях дротового зразка (сплав Fe-29,8 Ni-0,98 Nb (ваг. %): a) зразок повністю в аустенітній фазі; б) зразок частково переведений до мартенситної фази

При аналізі результатів (рис. 5) стало зрозуміло, що у зразку зі змішаним фазовим складом температура початку реєстрації сигналів, їх величина та полярність така ж як і для зразків, які на початку експерименту знаходяться в аустенітному стані (рис. 5.а). Відміна в тому, що амплітуда сигналу для зразка зі змішаним фазовим станом (рис. 5.б), на початковому етапі більша за амплітуду сигналу в кінці перетворення. Тобто, утворення до початку експерименту в зразку певної кількості мартенситної фази зменшує область протікання МП. Що в свою чергу, призводить до утворення меншої кількості термопарних контактів аустеніт-мартенсит, що і веде до зменшення амплітуди реєстрованого сигналу.

У зразках у формі пластинки перший сигнал реєструється за температури М_П. Величина сигналу складає 0,18ч0,19 мВ (рис. 6). Слід зазначити, що для даного типу зразків (на відміну від зразків у формі дроту) сигнал реєструється лише у температурному діапазоні М_П-М_К, що пов'язано з одночасним протіканням МП у всьому об'ємі зразка. Амплітуда в кінці перетворення зменшується через затухання МП яке веде до появи меншої кількості термопарних контактів.

Рис. 6. Типовий вигляд сигналів зареєстрованих у зразках у формі пластинки. Сплав Fe-32 ваг. % Ni

При роботі з масивними зразками потенціометричні провідники та термопара приварювалися за схемою 1 (рис.7). Перший сигнал реєструється за температури М_П, та супроводжується появою акустичної хвилі. Сигнали змінної полярності та величиною 0,12-0,15 мВ. Температурний інтервал реєстрації сигналів М_П-М_К (рис.8). Зменшення величини сигналу пов'язане з розсіюванням тепла, що виділяється при МП у масивному зразку.

Для перевірки впливу формування потоків тепла, яке виділяється при МП, на вигляд сигналів було вирішено дещо змінити відносне розташування потенціометричних провідників та термопари у масивних зразках (рис. 7, схеми 2-3). Результати отримані при цьому представлено на рис. 8. В процесі охолодження величина сигналів зменшується (~0,02-0,05 мВ) та спостерігається відхилення по вісі У від лінійності. Зменшення величини сигналу і поява кривизни пов'язана різною кількістю тепла, яке виділяється при МП, по відношенню до потенціометричних провідників, та виникненням градієнту температури вздовж вертикальної вісі зразка. Так, при способі під'єднання за схемою 2 (рис. 7) різниця температур між потенціометричними провідниками складає ~40 градусів. Оскільки на схемі 3 потенціометричні кінці розташовані значно ближче один до одного, то градієнт температур на цій ділянці менший і кривизна по вісі У зменшується.

Спосіб охолодження Схема 1 Схема 2 Схема 3

Рис. 7. Схематичний спосіб під'єднання потенціометричних провідників та термопари до зразка. 1 - зразок; 2 - потенціометричні провідники; 3 - термопара.



Рис. 8. Залежність ЕРС, що виникає у масивному зразку

Fe-30,9 ваг % Ni від температури при різних схемах під'єднання.

Якщо перші сигнали ЕРС для зразків усіх типів реєструється при температурі М_П, то температура кінця реєстрації сигналів відрізняється. Розглянемо причину реєстрації сигналів у різних температурних областях для зразків кожного типу. Так для зразків у вигляді дроту (рис.3) викид сигналів спостерігається в температурному діапазоні від температури М_П до температури кипіння азоту. Основна причина полягає у методиці реєстрації сигналів відповідно до якої, охолодженню піддається лише центральна частина зразка, інші області знаходяться за умов кімнатної температури. В процесі охолодження відбувається перенесення тепла вздовж горизонтальної вісі зразка, що приводить до протікання МП у інших, крім центральної, ділянках зразка, і супроводжується викидом сигналів. Термопара, відповідно до методики, приварена до центральної частини зразка, і постійно відображатиме її температуру. Тому, реєстрація сигналів нижче температури А_К пов'язана з протіканням МП за межами центральної ділянки зразка. З результатів отриманих для зразків у вигляді пластинок (рис. 6) та масивних (рис. 8) видно, що сигнали реєструються лише в інтервалі температур М_П-М_К. Така відмінність пов'язана з протіканням МП практично у всьому об'ємі зразка одночасно.

Сигнали ЕРС, які реєструються для зразків усіх типів (у вигляді дроту, пластинок та масивних), змінної полярності. Додатково проведені експерименти показали, що полярність сигналів ЕРС залежить від типу зразка та методики дослідження. Так для зразка, який знаходиться у вигляді дроту, відповідно до методики центральна частина охолоджується більш інтенсивно. Охолоджені ділянки рухаються вправо і вліво від центральної частини зразка. Ріст кристалів мартенситу в правій ділянці, супроводжується викидом імпульсу, але крім цього супроводжується розігрівом ділянки зразка. Відповідно, імовірність появи кристалу в лівій ділянці відразу зростає, тому наступний імпульс буде мати іншу полярність.

Для зразків у вигляді пластинок зміна полярності пов'язана з появою кристалів мартенситу у різних областях пластинки. У пластинці МП проходить від поверхневого шару до центральної ділянки зразка. Поява кристалів мартенситу на поверхні зразка призведе до викиду імпульсу ЕРС, та розігрівання ділянки в якій пройшло перетворення. Поява кристалів в наступному шарі призведе до викиду сигналу іншої полярності. Різнополярні імпульси спостерігаються до того моменту, доки не утвориться зв'язана область мартенситної фази між двома контактами, тобто весь зразок перейде до мартенситного стану. Затухання амплітуди сигналу пояснюється зменшенням кількості кристалів мартенситу, які виникають у зразку в процесі охолодження. Аналогічні причини зміни полярності сигналів у масивних зразках. електрорушійний кінетика мартенситний перетворення

При аналізі результатів виявилося, що у сплавах з вмістом Ni 28 ваг.%, в яких перетворення проходить за ізотермічною кінетикою, зареєструвати появу сигналів не вдалося. Тому, було поставлено задачу перевірити вплив кінетики МП на можливість реєстрації сигналів.

Для підтвердження відсутності сигналів при ізотермічному МП нами було досліджено групу сплавів з ізотермічною кінетикою: сплави різного складу систем Fe-Mn-C та Fe-Ni-Mn-C (табл. 2). Появи сигналів термо-ЕРС в усіх досліджуваних сплавах зареєстровано не було.

Для перевірки наявності сигналів ЕРС у сплавах з термопружною кінетикою МП було досліджено сплави системи Fe-Pt, де сплав Fe 26,1-Pt (ваг %) у невпорядкованому стані проявляє вибухову кінетику МП. В процесі охолодження спостерігалася поява сигналів ЕРС. Впорядкування цього сплаву (відпал 800 єС, ф 30 хв.) приводить до зміни кінетики МП з вибухової на термопружну. Сигнали ЕРС при цьому зареєстровано не було.

Таким чином, з експериментальних результатів випливає, що сигнали ЕРС спостерігаються лише у сплавах з вибуховою кінетикою МП. Що дозволяє використовувати методику реєстрації сигналів при визначення типу кінетики МП. Досліджуючи у такий спосіб Се, в якому було виявлено МП, але не встановлено тип кінетики МП, при застосуванні методики реєстрації сигналів ЕРС, нами було показано, що МП в ньому проходить за вибуховою кінетикою.

Отже, сигнали ЕРС реєструються лише у сплавах з вибуховою кінетикою МП. Для інших типів кінетики перетворення зареєструвати появу сигналів не вдалося. На характерний вигляд зареєстрованих сигналів впливає спосіб, геометричні розміри та форма зразка, швидкість охолодження.

Таблиця 2. Склад та характеристичні температури сплавів, які досліджувалися на предмет впливу кінетики на зареєстровані сигнали ЕРС

Склад, ваг %	МП, єС	МК, єС
Fe	Ni	Pt	Mn	C	Се
26,1	-	73,9	Невпорядкований	45	-110
26,1	-	73,9	Впорядкований	-65	-115
39	-	61	-	-	-	-60	-90
-	100	-	-	-	-	5	-
96,15	-	-	2,6	1,25	-	16	-40
85,82	13,2	-	-	0,98	-	18	-20
73,205	23	-	3,75	0,045	-	-50	-143
-	-	-	-	-	100	-165	Нижче -193

Оскільки, з літератури відомо, що зовнішнє магнітне поле, як статичне так і імпульсне, впливає на перебіг МП, тому була поставлена задача дослідити вплив наявності зовнішнього магнітного поля на характерний вигляд сигналів ЕРС. При накладанні статичного магнітного поля величиною ~600 Е поряд з вже звичними (0,12 мВ) сигналами (рис. 9) спостерігаються додаткові сигнали (умовно сигнали «другого типу») величиною 1,2 - 1,5 мВ.

Порівняння величини сигналу першого типу з сигналами отриманими для аналогічних зразків за умови відсутності поля показало, що їх вигляд та величина співпадає. Тобто їх поява пов'язана з виділенням теплоти в процесі утворення кристалів мартенситу та утворення диференційної термопари. Поява сигналів другого типу напряму пов'язана з накладанням магнітного поля.

Рис. 9. Сигнали ЕРС що виникають у сплаві Fe-30,9 ваг.% Ni при накладанні зовнішнього магнітного поля (Н = 600 Е)

Намагніченість мартенситу відрізняється від намагніченості аустенітної фази. У досліджуваних сплавах системи Fe-Ni МП протікає за вибуховою кінетикою. Відповідно, в процесі МП намагнічуваність зразка буде різко змінюватися, що призведе до зміни магнітного потоку та появи електричного струму за рахунок електромагнітної індукції.

Щоб підтвердити цю версію було поставлено додатково експеримент, який передбачав появу струму в котушці, яку було намотано на ізольований стержень з досліджуваного матеріалу (сплави системи Fe-Ni), в процесі протікання МП. Зареєстрований у котушці струм величиною 0,006-0,008 мВ підтвердив наше припущення.

Таким чином при накладанні зовнішнього статичного поля додатково реєструються сигнали пов'язані з рухом феромагнітного об'єкта (мартенситу) у зовнішньому магнітному полі.

Апріорі вважається, що зворотне МП проходить за тією ж самою кінетикою, що і пряме. Проте прямих експериментів по визначенню кінетики зворотного МП не проводилося. Використовуючи методики реєстрації сигналів ЕРС було визначено тип кінетики зворотного МП.

Експериментальним шляхом встановлено, що реєстрація сигналів при зворотному МП можлива за умови забезпечення необхідної швидкості нагрівання ~20 є/хв.

Рис. 10. Типовий вигляд сигналів зареєстрований при зворотному МП у сплаві Fe-32 ваг. % Ni. Зразок у вигляді пластинки

У випадку зворотного МП відбувається ріст аустенітної фази в мартенситній матриці, при цьому спостерігається поглинання тепла. Утворення та подальший ріст кристалів аустеніту призводить до зміни температури ділянки зразка. За умови наявності градієнту температур, різних кристалічних структур та різних хімічних потенціалів двох фаз має виникати, згідно ефекту Зеебека, термопара, термо-ЕРС якої можна зареєструвати. Причому така термопара, як і у випадку прямого МП, буде диференційною.

Як видно з рис. 10 для сплаву Fe-32 ваг. % Ni з вибуховою кінетикою МП сигнали ЕРС реєструються в інтервалі температур А_П-А_К. Величина зареєстрованих сигналів ~0,12 мВ. Сигнали змінної полярності. Причина зміни полярності аналогічна до тієї, що і при прямому МП у аналогічних зразках.

У сплавах з ізотермічною кінетикою, як і при прямому, при зворотному МП зареєструвати генерацію сигналів не вдалося. Подібна ситуація спостерігається і у сплавах з термопружним МП.

Проаналізувавши всі результати стало зрозуміло, що сигнали ЕРС при зворотному МП реєструються лише у сплавах з вибуховою кінетикою. Таким чином, вперше прямим експериментом було показано, що зворотне МП проходить за тією ж кінетикою що і пряме.

У четвертому розділі визначено швидкості поширення МП та здійснено розрахунок термо-ЕРС термопари аустеніт-мартенсит-аустеніт.

Швидкість поширення МП намагалися визначити досить давно. Спроба визначити її фотографічним способом, показала, що процес відбувається набагато швидше, ніж його можливо зареєструвати. Були спроби дослідити швидкість прямого МП акустично, а також використовували і властивість зміни намагніченості під час МП. Але перші найбільш вагомі результати вдалося отримати резистивним методом.

Історично так склалося, що практично всі роботи по визначенню швидкості утворення кристалів мартенситу та поширення перетворення проводилась на сплавах на основі заліза. Перші вдалі результати були отриманні Буншом і Мейлом [7]. Всі подальші дослідження базувалися на запропонованій ними методиці. Згідно з нею для визначення швидкості поширення перетворення необхідно знати лише два параметри - тривалість реєстрації сигналу та геометричний розмір кристалів мартенситу (радіус кривизни кристала).

Оскільки тривалість сигналів ЕРС можна досить точно зареєструвати за допомогою чутливого обладнання (модуль АЦП “Triton2402U”, осцилограф С8-13 та запам'ятовуючий осцилограф С1-93), а геометричний розмір шляхом оптичної мікроскопії, то існує можливість визначення швидкості поширення перетворення із застосуванням методики реєстрації сигналів ЕРС.

Вся робота по визначенню швидкості поширення МП проводилася над сплавами з вибуховою кінетикою перетворення. Масивний зразок, який знаходився в аустенітному стані, піддавався охолодженню зі швидкістю 2 є/хв. Після реєстрації кількох сигналів подальше охолодження припинялося. Зразок піддавався шліфуванню, поліруванню та протравлюванню. Потім проводилося визначення радіусу кривизни певної кількості кристалів, які з'явилися в ході перетворення. Для статистики було відібрано 1000 зареєстрованих викидів сигналів та 1000 кристалів мартенситу. Виявилося, що середня тривалість реєстрації сигналів 2,5 мкс, а радіус кривизни кристалу мартенситу 3,26 мм. Провівши всі необхідні розрахунки стало відомо, що швидкість поширення перетворення при прямому МП становить 1300 ± 5 % м/с. Отриманий результат добре співпадає з раніше відомими.

Аналіз літератури показав, що визначення швидкості поширення перетворення при зворотному МП, незважаючи на сучасні високі технологічні можливості, не проводилося. Реєстрація сигналів при зворотному МП дає нам можливість визначити швидкість поширення перетворення при зворотному МП. Повторення аналогічної методики при зворотному перетворенні та визначення необхідних параметрів дало можливість провести розрахунки та встановити, що швидкість поширення перетворення при зворотному МП становить 670 ± 5 % м/с.

Хоча різниця між швидкостями поширення перетворення при прямому та зворотному МП потребує подальшого дослідження, але ми припускаємо, що основна причина полягає у різній величині енергетичного бар'єру, який необхідно подолати системі, а також з більш високим температурним інтервалом зворотного МП.

З використанням теорії ефекту Зеебека існує можливість теоретичного розрахунку термо-ЕРС термопари мартенсит-аустеніт. Створивши таку термопару можна визначити експериментально її термо-ЕРС.

В якості досліджуваного сплаву було обрано зразок зі сплаву Fe-31 ваг. %Ni. у формі дроту діаметром 0,5 мм та довжиною 100 см. Переконавшись у наявності МП в даному зразку, дріт було розділено на дві рівні частини. Одну частину було переведено до мартенситного стану шляхом витримки у рідкому азоті. Іншу частину дроту було нагріто та певний час витримано вище температури А_К. Після цієї процедури було створено термопару аустеніт-мартенсит. Було проведено градуювання такої термопари та визначено її загальну термо-ЕРС. Встановлено, що загальна термо-ЕРС даної термопари при температурі 20 єС становить 0,1 - 0,3 мкВ/град.

У відповідності з термодинамічними висновками Томсона з теорії ефекту Зеебека випливає, що:

, (1)

де _ загальна термо-ЕРС сплаву; _ кількість термопар аустеніт - мартенсит, які утворюються при МП; _ диференціальна термо-ЕРС термопари аустеніт-мартенсит; _ диференціальна термо-ЕРС термопари мартенсит-аустеніт; _ зміна температури.

Для абсолютної термо-ЕРС твердих розчинів простих металів можна використовувати правило Гортера - Нордгейма, причому записати його окремо для аустенітної і мартенситної фаз:

(2)

(3)

де - "характеристична" додаткова термо-ЕРС, що вноситься розчиненою домішкою (нікель) до термо-ЕРС розчинювача (заліза), мкВ/град; - електроопір металу основи (заліза), Ом·см; , - електроопори аустеніту і мартенситу, відповідно, Ом·см; - термо-ЕРС чистого металу основи (заліза) мкВ/град.

Додаткову термо-ЕРС, що вноситься нікелем, можна розрахувати за рівнянням Мотта і Джонса

(4)

де - залишковий електроопір, Ом·см.

Підставляючи рівняння (4) в (3) і (2), а потім у (1) з наступним приведенням подібних, отримаємо:

. (5)

Рівняння (5) являє собою грубе наближення, оскільки в ньому не враховано багато ускладнюючих особливостей, таких як: деформаційний вплив та силовий вклад.

Дані для ( Ом·см), ( Ом·см), (Ом·см), (Ом·см), (10,3 мкВ/град), ( К) та сталої Больцмана ( Дж/К). було взято з довідників.

Підставивши їх у рівняння 5 отримуємо значення :

(6)

Підставивши всі числові значення, отримаємо, що за температури 20 °С становитиме 5,404 мкВ/град. Отримані розрахунки дозволяють зробити висновок про можливість існування диференційної термопари аустеніт-мартенсит-аустеніт. Експериментально нами було показано, що викиди термо-ЕРС при МП для термопари виготовленої із сплаву Fe-32 % ваг. Ni становлять 0,1-0,3 мкВ/град. Відмінність між теоретичними та експериментальними результатами пов'язана з наближеними розрахунками.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Отримано експериментальні докази безпосереднього зв'язку між появою сигналів ЕРС та кінетикою МП. Сигнали спостерігаються лише у сплавах з вибуховим МП. При ізотермічній кінетиці та термопружному МП сигнали ЕРС не спостерігаються.

2. Вперше отримано експериментальні докази різної природи сигналів ЕРС при вибуховій кінетиці МП: один тип сигналів обумовлений термоелектричними процесами (ефект Зеебека); другий - рухом феромагнітного об'єкта (мартенситу) у зовнішньому магнітному полі (ефект Фарадея).

3. З використанням ефекту виникнення сигналів ЕРС при протіканні МП експериментально показано, що зворотне МП протікає за тією ж самою кінетикою, що і пряме МП.

4. Експериментально встановлено, що на характерний вигляд сигналів ЕРС впливає швидкість охолодження/нагрівання при прямому/зворотному МП. Оптимальна швидкість охолодження 0,01-40 є/хв., нагрівання - 2-50 є/хв. При більших швидкостях охолодження/нагрівання сигнали накладаються і стають не чіткими.

5. Вперше експериментально визначена швидкість поширення перетворення при зворотному МП. ЇЇ величина приблизно вдвічі менша у порівнянні з прямим МП. Така відмінність пов'язана з більш високим температурним інтервалом зворотного МП та структурним станом мартенситу.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНІ У ПУБЛІКАЦІЯХ

1. Коваль Ю.М., Сліпченко В.М., Головко В.П. Мартенситні перетворення. Особливості кінетики // Вісник Черкаського національного університету, 2007, №114. С. 39-46.

2. Головко В.П., Пономарьова С.О., Коваль Ю.М., Дроц Є.О. Явище виділення сигналів термо-ЕРС при прямому мартенситному перетворенні // Вісник Черкаського національного університету, 2008, №148. С. 37-40.

3. Головко В.П., Коваль Ю.М., Дроц Є.О. Поява термо-ЕРС при зворотному мартенситному перетворенні у системі Fe-Ni. // Металофізика та новітні технології, 2009, т. 31, № 8. С. 1155-1159.

4. Головко В.П., Коваль Ю.М., Щербань М.В. Використання сигналів ЕРС при дослідженні швидкості при мартенситному перетворенні у системі Fe-Nі // Металофізика та новітні технології, 2009, т. 31, № 12. С. 1631-1640.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Jonson A.D., Katz P.I Spontaneus emf associated with shate memory effect. // J. Appl. Phys., 1977, 48, р.73 - 74.

2. Robin M., Lormand G., Gobin P.F. Electrical emission linked to the martensitic burst of Fe-Ni alloy. // J. de Phys.(Fr)., 1982, 43, р. 4-485.

3. Robin M., Lormand G., Gobin P.F. Etyde amplification electronique rapid de la propagation de la martensite dans un alliage Fer-Nickel. // Scr. Metallurgica, 1977, 11, р. 669-674.

4. Бевз В.П., Мазанко В.Ф., Филатов А.В., Ворона С.П. Аномальный массоперенос и возникновение ЭДС в металлах при импульсном нагружении. // Металлофизика и новейшие технологи., 2006, 28, с.271-275.

5. Коваль Ю.Н., Молин А.И. Возникновение злектродвижущей силы в сплавах Fе - Ni при г-б превращений. // ФММ, 1980, 50, 2. c. 1099-1100.

6. Коваль Ю.Н., Молин А.И. Тонкая структура ЕДС, возникаящая при взрывном образовании мартенсита в сплавах Fe-Ni 31%.// ФММ., 1981, 51, c. 211-212.

7. Bunshah R.F., Mehl R.F. The rate of propagation of martensite.// Trans. Amer. Inst. Min. (Metall.) Engrs., 1953, 197, p. 1251.

АНОТАЦІЇ

Головко В.П. Генерація сигналів електрорушійної сили в сплавах з вибуховою кінетикою мартенситного перетворення. _ Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового степеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.13 - фізика металів. - Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, Київ, 2010 р.

Дисертація присвячена дослідженню сигналів термо-ЕРС при прямому та зворотному МП у сплавах системи Fe-Ni, встановленню впливу способу та швидкості охолодження, орієнтування зразка та його геометричних розмірів, взаємного розташування фаз на характерний вигляд зареєстрованого сигналу. В роботі також проведено визначення швидкості поширення перетворення із застосуванням властивості реєстрації сигналів ЕРС в процесі фазового перетворення. Крім того, вдосконалено методику реєстрації сигналів при прямому МП та розроблено методику реєстрації при зворотному МП.

Дослідження проводилося методами резистометрії, дилатометрії, оптичної мікроскопії, кількісної металографії та зняття різниці потенціалів.

Встановлено, що генерація сигналів термо-ЕРС спостерігається тільки у сплавах з вибуховою кінетикою МП. Їх величина, тривалість та вигляд суттєво залежить від способу охолодження, форми та розміру зразка, взаємного розташування фаз (аустенітної та мартенситної). Причина появи сигналів ЕРС пов'язана з утворенням диференційної термопари аустеніт-мартенсит-аустеніт. Накладання статичного магнітного поля (~600 Е) приводить до появи додаткових сигналів, які пов'язані з електромагнітної взаємодією між кристалом мартенситу (групою кристалів) та постійним зовнішнім магнітним полем.

У сплавах з ізотермічною кінетикою МП та термопружним МП поява сигналів ЕРС не спостерігається.

Застосувавши ідеї використані при прямому МП та забезпечивши необхідний режим нагрівання вперше вдалося зареєструвати появу сигналів ЕРС при зворотному ОЦК-ГЦК МП з вибуховою кінетикою.

Використовуючи генерацію сигналів ЕРС було визначено швидкість поширення перетворення для сплаву Fe-32 ваг.% Ni як при прямому так і при зворотному МП.

В роботі створено термопару аустеніт-мартенсит (Fe-32 ваг.% Ni), теоретично розраховано її термо-ЕРС.

Зроблено висновки про те, що генерація сигналів ЕРС в процесі фазового перетворення мартенситного типу має єдину природу з МП, а основна причина появи сигналів пов'язання з утворенням диференційної термопари аустеніт-мартенсит.

Ключові слова: мартенситне перетворення, термо-ЕРС, вибухова кінетика, диференційна термопара.

Головко В.П. Генерация сигналов электродвижущей силы в сплавах с взрывной кинетикой мартенситного превращения. _ Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.13 - физика металлов. - Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН Украины, Киев, 2010 г.

Диссертация посвящена исследованию сигналов термо-ЕДС при прямом и обратном МП в сплавах системы Fe-Ni. Определено влияние способа и скорости охлаждения, геометрических размеров, взаимного размещения фаз на характерный вид фиксированного сигнала. Используя свойство фиксации сигналов, определена скорость распространения превращения. Усовершенствованно методику фиксации сигналов при прямом превращении. Разработано методику регистрации при обратном МП.

Исследование проводилось методами резистометрии, дилатометрии, оптической микроскопии, количественной металлографии и снятия разности потенциалов.

Доказано, что генерация сигналов термо-ЕДС наблюдается лишь в сплавах с взрывной кинетикой МП. Величина и длительность сигнала зависят от способа охлаждения, формы и размера образца, взаимного размещения фаз. Причина появления сигналов ЕДС связана с образованием дифференциальной термопары аустенит-мартенсит-аустенит. Наложение статического магнитного поля (~600 Е) приводит к появлению дополнительных сигналов большей амплитуды, но меньшей длительности.

Обеспечив необходимый режим нагревания, впервые удалось зафиксировать появление сигналов ЕДС при обратном ОЦК-ГЦК МП с взрывной кинетикой.

Определена скорость распространения превращения для сплава Fe-32Ni (вес.%) как при прямом, так и обратном МП. Создано термопару аустенит-мартенсит (Fe-32 Ni), теоретически рассчитано её термо-ЕДС.

Сделано выводы о том, что генерация сигналов ЕДС в процессе фазового превращения мартенситного типа имеет одну природу с МП, а основная причина появления сигналов связана с образованием дифференциальной термопары аустенит-мартенсит.

Ключевые слова: мартенситное превращение, термо-ЕДС, взрывная кинетика, дифференциальная термопара.

Golovko V.P. Generation of signals of electro-motive force in alloys with explosive kinetic of martensitic transformation. Manuscript.

Thesis of candidate's degree on physical and mathematical sciences, speciality 01.04.13 - physics of metals, Kurdumov's Institute for Metal Physics, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2010.

The dissertation is devoted to the investigation of the signals of electro-motive force (e.m.f.) during the direct and reverse martensitic transformation (MT) in the alloys of the system Fe-Ni. The influence of the method and speed of cooling of the sample, its geometrical size, positional relationship of phases in the sample on the characteristic type of the fixed signal has been studied. Also in course of this work the determination of the speed of front propagation has been carried out using properties of signal fixation. The existing methodology for the signal fixation during the direct MT has been improved and the methodology for the registration during the reverse MT has been developed.

The investigation has been put into effect using such methods as resistometry, dilatometry, optical microscopy, quantitative metallography and removal of difference of potentials.

It has been found that generation of e.m.f. signals is observed only in alloys with explosive kinetic. A value and continuance of signal strongly depend upon the size and form of the sample, the method of its cooling and the positional relationship of phases in it. The appearance of e.m.f. signals is caused by the formation of differential thermocouple austenite-martensite-austenite. Imposition of a static magnetic field (~600 Oe) leads to the appearance of additional signals with greater amplitude but lesser continuance.

Providing the necessary heating mode the appearance of e.m.f. signals during the reverse bcc-fcc MT with explosive kinetic has been fixed for the first time.

The speed of front propagation for the alloy Fe - 32% weight Ni has been determined both for direct and reverse MT. The thermocouple austenite-martensite (Fe - 32% weight Ni) has been created and its termo-e.m.f. has been theoretically calculated.

It has been concluded that generation of e.m.f. signals during the phase transformation is caused by MT in the sample and the main reason of the appearance of the signals deals with the formation of differential thermocouple austenite-martensite.

Keywords: martensitic transformation, termo-e.m.f., explosive kinetic, differential thermocouple.

Размещено на Allbest.ru

...