Термодинамічна теорія процесів стабілізації та дестабілізації мартенситних фаз сплавів з ефектом пам’яті форми

ВИСНОВКИ

В результаті проведених у дисертації теоретичних досліджень була створена термодинамічна теорія процесів стабілізації та дестабілізації мартенситних сплавів. В рамках цієї теорії одержані такі нові результати.

1. Встановлено, що реконфігурація кристалографічних дефектів, зумовлена мартенситним перетворенням, описується багатокомпонентним реконфігураційним параметром, лінійно пов'язаним з тензором внутрішніх механічних напружень.

2. Показано, що до ефектів стабілізації та дестабілізації мартенситної фази дають внесок всі дефекти, реконфігурація яких супроводжується деформацією кристалічної гратки та зміною внутрішнього механічного напруження.

3. Мінімізація термодинамічного потенціалу мартенситного сплаву за компонентами тензора деформації та реконфігураційного параметра кількісно описує еволюцію фазових діаграм на площині напруження-температура, зумовлену старінням або термомеханічним циклуванням сплавів Au-Cd, Ti-Ni та Ni-Mn-Ga.

4. Дослідження фазової діаграми з урахуванням повільно змінних механічних напружень дозволило кількісно описати експериментально спостережені фізичні ефекти, а саме:

а) зростання характерних температур мартенситного перетворення під час старіння сплаву та зменшення цих температур внаслідок його термомеханічного циклування;

б) підвищення порогових напружень, з яких починаються переорієнтація мартенситних варіантів або мартенситне перетворення механічно навантаженого сплаву;

в) збільшення спонтанної деформації та пружного модуля сплаву під час його старіння або зменшення цих величин внаслідок його термомеханічного циклування.

5. Продемонстровано, що одержані теоретичні результати узгоджуються з експериментальними даними, коли:

-старіння сплаву Au-Cd за стандартних умов зумовлює виникнення внутрішнього тиску величиною близько 3 ГПа та аксіального напруження порядку 10 МПа;

-термомеханічне циклування через інтервал мартенситного перетворення сплаву Ni-Mn-Ga спричиняє внутрішні тиски величиною від -1.5 ГПа до - 6 ГПа, в залежності від способу циклування.

R1. Ren X. Origin of rubber-like behaviour in metal alloys / X. Ren, K. Otsuka // Nature - 1997. - Vol. 389. P. 579-582.

R2. Murakami Y. Martensitic and superconducting transitions in In-Ti alloy / Y. Murakami // J. Phys. Soc. Japan - 1975. - Vol. 38. - P. 404.

R3. Gomonaj E.V. Martensitic phase transition with two-component order parameter in stressed cubic crystal / E.V. Gomonaj, V.A. L'vov // Phase Trans. - 1994. -Vol. 47. - P. 9-21.

R4. Murakami Y. Characteristics and mechanism of martensite ageing effect in Au?Cd alloys / Y. Murakami, Y. Nakajima, K. Otsuka, T. Ohba, R. Matsuo, K. Ohshima // Mater Sci Eng A - 1997. - Vol. 237. - P. 87-101.

R5. Chernenko V.A. Giant two-way shape memory effect in high-temperature Ni-Mn-Ga single crystal / V.A. Chernenko, E. Villa, S. Besseghini, J.M Barandiaran // Physics Procedia - 2010. -Vol. 10. - P. 94-98.

СПИСОК ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Kosogor A. Stabilizing internal stress as the thermodynamic factor of martensite aging effects / A. Kosogor, V.A. L'vov, O. Sцderberg, S.-P. Hannula // Acta Materialia - 2011. - Vol. 59. - P. 3593-3601.

2. L'vov V.A. The Symmetry-Conforming Theory of Martensite Aging / V.A. L'vov, A. Kosogor, O. Sцderberg, S.-P. Hannula // Mater. Sci. Forum - 2010. - Vol. 635 -P. 13-19.

3. Kosogor A. Phenomenological Theory of Martensite Aging / A. Kosogor, V.A. L'vov // Metallofiz. Noveishie Tekhnol. - 2010. - Vol. 32. - № 12. - P. 1001--1016.

4. Косогор А. Affect of internal stresses on cyclic martensitic transformations of Ti-Ni-Fe alloy / А. Косогор, В.А. Львов // Вісник Київського університету, Серія: Радіофізика та електроніка - 2010. - Том 14. - С. 43-45.

5. Косогор А. Моделирование мартенситного превращения сплава Ti-Ni под гидростатическим давлением / А. Косогор, В.А. Львов // Физика и техника высоких давлений - 2011. - Tом 21. - № 1. - C. 81-87.

6. L'vov V.A. Destabilization of Ni-Mn-Ga Martensite: Theory and Experiment / V.A. L'vov, A. Kosogor, V. Chernenko, J.M Barandiaran // Proceedings of ICFSMA - 2011.- P.117-118.

7. Kosogor A. Landau theory describing the martensite aging phenomenon / A. Kosogor, V.A. L'vov // International Conference “Functional Materials”, abstracts - 2009. - P. 265.

8. L'vov V.A. The Symmetry-Conforming Theory of Martensite Aging / V.A. L'vov, A. Kosogor, O. Sцderberg, S.-P. Hannula // International Conference on Ferromagnetic Shape Memory Alloys - 2009. - P.89.

9. Kosogor A. Landau theory describing slow reconfiguration of crystallographic defects after the martensitic phase transformation / A. Kosogor, V.A. L'vov // Junior Euromat - 2010. - Режим доступу до журн.: http://webdb.dgm.de/dgm_lit/prg/FMPro?-db=w_review&-recID=33866&-format=prog_kurzfassung.htm&-lay=Standard&-find.

10. L'vov V.A. Symmetry-conforming theory of martensite stabilization/destabilization: application to Au-Cd and Ni-Mn-Ga shape-memory alloys/ V.A. L'vov, A. Kosogor, V. Chernenko // Russia-Ukraine-Japan Joint Symposium on Advanced Structural and Functional Materials Design - 2010. - P. 5.

АНОТАЦІЯ

Косогор А.О. Термодинамічна теорія процесів стабілізації та дестабілізації мартенситних фаз сплавів з ефектом пам'яті форми. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.02 - теоретична фізика. Інститут НАН та МОН України, м. Київ, 2011.

У дисертації розроблена симетрійно-узгоджена термодинамічна теорія для опису взаємозв'язку між симетрією деформованої кристалічної гратки та конфігурацією дефектів у мартенситних сплавах. З цією метою в рамках теорії фазових переходів Ландау введений багатокомпонентний параметр порядку, що описує повільну реконфігурацію дефектів після деформації кристалічної гратки. Завдяки трансформаційній еквівалентності реконфігураційного праметру порядку і складових тензорів деформації та напруження сформульована концепція внутрішнього напруження, лінійно пов'язаного з цим параметром порядку. Виходячи з концепції внутрішнього механічного напруження, описані два різних процеси, а саме, а) стабілізація мартенситної фази протягом старіння мартенситу та б) дестабілізація мартенситної фази, зумовлена циклічними термічно та механічно індукованими мартенситними перетвореннями. Проведено послідовне теоретичне дослідження фізичних ефектів, зумовлених процесами стабілізації та дестабілізації мартенситних фаз сплавів Au-Cd, Ni-Mn-Ga та Ti-Ni.

Ключові слова: теорія фазових переходів Ландау, мартенситне перетворення, внутрішнє механічне напруження, стабілізація мартенситу, дестабілізація мартенситу, Au-Cd, Ni-Mn-Ga, Ti-Ni.

АНОТАЦИЯ

Косогор А.А. Термодинамическая теория процессов стабилизации и дестабилизации мартенситных фаз сплавов с эффектом памяти формы. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.02 - теоретическая физика. Институт НАН и МОН Украины, г. Киев, 2011.

В диссертации разработана симметрийно-согласованная термодинамическая теория для описания взаимосвязи между симметрией деформированной кристаллической решетки и конфигурацией дефектов в мартенситных сплавах. Для этой цели в рамках теории фазовых переходов Ландау введен многокомпонентный параметр порядка, который описывает медленную реконфигурацию дефектов после деформации кристаллической решетки. Благодаря трансформационной эквивалентности реконфигурационного параметра порядка и компонент тензоров деформации и напряжения сформулирована концепция внутреннего напряжения, линейно связанного с этим параметром порядка. Выходя из концепции внутреннего механического напряжения, описаны два разных процесса, а именно, а) стабилизация мартенситной фазы на протяжении старения мартенсита и б) дестабилизация мартенситной фазы, обусловленная циклическими термично и механично индуцированными мартенситными превращениями. Проведено последовательное теоретическое исследование физических эффектов, обусловленных процессами стабилизации и дестабилизации мартенситных фаз сплавов Au-Cd, Ni-Mn-Ga и Ti-Ni.

Ключевые слова: теория фазовых переходов Ландау, мартенситное превращение, внутреннее механическое напряжение, стабилизация мартенсита, дестабилизация мартенсита, Au-Cd, Ni-Mn-Ga, Ti-Ni.

ABSTRACT

Kosogor A. The thermodynamic theory of stabilizing and destabilizing processes of martensitic phases in shape memory alloys. - The manuscript.

Thesis for a scientific degree of Candidate of Science in Physics and Mathematics in specialty 01.04.02 - theoretical physics. Institute of Magnetism NASU and MESU, Kyiv, 2011.

The symmetry-conforming thermodynamic theory has been developed for the description of interplay between the symmetry of the deformable crystal lattice and the configuration of crystallographic defects in martensitic alloys. For this purpose, the multi-component order parameter describing the slow reconfiguration of defects after the deformation of crystal lattice has been introduced within the framework of the Landau theory of martensitic transformations. Due to the transformational equivalence of the configurational order parameter and strain/stress tensor components, the conception of internal stress, which is linearly related to this parameter, has been formulated. Two different processes, namely i) the stabilization of martensitic phase during martensite aging and ii) the destabilization of martensitic phase caused by cyclic thermally-induced and stress-induced martensitic transformations have been described using the internal stress conception. A consistent theoretical study of the effects, which accompany martensite stabilization/destabilization processes, has been carried out.

The effect of stabilizing the product (martensitic) phase after aging has been described by considering the stress-temperature phase diagram, which was constructed by taking into account the time dependence of stabilizing internal stress. The applicability of the theory to the aging effects in the Au-Cd and Ni-Mn-Ga shape memory alloys has been demonstrated. To this end the coefficients of the Gibbs potential were evaluated using the values for the thermodynamic and elastic parameters which are inherent to Au-Cd and Ni-Mn-Ga alloys. The effects caused by the isotropic internal pressure, anisotropic axial stress and the sum of these factors were described quantitatively starting from the Landau expansions for Gibbs potential of these alloys. In particular, the time dependencies of the experimentally observed slow changes in the martensitic transformation temperatures, lattice parameters and yield stress values have been derived from the internal stress conception. The agreement between the theoretical results and the available experimental data was achieved for the reasonable values of internal stress.

The influence of mechanical, thermal and combined thermomechanical cycling on the transformational and deformational properties of the shape memory alloys has been analysed. The Ni-Mn-Ga alloys, which exhibit cubic-tetragonal transformations, and Ti-Ni alloys that undergo the phase transformations of cubic-rhombohedral type, have been considered. In particular, the affect of the cyclic thermally- and stress-induced martensitic transformations of Ni-Mn-Ga single crystal alloys on its elastic and transformational properties has been studied. A destabilizing affect of thermal, mechanical and combined thermomechanical cycling on the martensitic phase has been revealed. It has been shown that the cycling results in the decrease of elastic modulus of the martensitic phase, decrease of MT temperature, and increase of the stress value, which triggers the stress-induced MT. An agreement between the experimental and theoretical results has been ascertained. For the Ti-Ni alloy the lowering of martensitic transformation temperatures, martensitic transformation strain and the softening of the shear elastic modulus caused by the destabilizing internal pressure have been described.

It has been shown that the idea of internal stress offers a way for making certain generalizations about the theoretical description of the martensite stabilization/destabilization and related physical effects. First, internal stress can be induced by each slowly evolving defect and by the each alloy structure element, which results in the elastic straining of the crystal lattice; the elastic strain is related to stress by Hooke's law. Second, the internal stress may arise not only during the martensitic transformation, but also during the other processes, such as the generation of sessile dislocations during the deformation cycles, the rearrangement of twinning dislocations or martensite variants and the formation of self-accommodating groups. Third, the internal stress concept enables an introduction of the physical defects, which are accompanied by the slow reconfiguration of the defect subsystem, into the framework of the thermodynamics of elastic media.

Keywords: Landau theory of phase transitions, martensitic transformation, internal mechanical stress, martensite stabilization, martensite destabilization, Au-Cd, Ni-Mn-Ga, Ti-Ni.

Размещено на Allbest.ru