yandex.metrica
Металлургия марганца

Высокомарганцевые сплавы, обладающие эффектом запоминания формы

Сплавы систем Ni — Ti (нитинол), Ti — Co, Ti — Fe, Au — Cd обладают свойством восстановления в результате нагрева после пластической деформации первоначальной формы изделия. В металловедении это явление называют эффектом памяти (ЭП), встречаются и другие названия, например эффект запоминания формы (ЭЗФ), структурная память. ЭП проявляется, если пластическая деформация сопровождалась мартенситным превращением. К указанной выше группе сплавов отнесены поликристаллические сплавы системы Fe — Mn — Si которые, как установлено, обладают также эффектом запоминания формы.

В работе исследовано влияние повторных нагревов от 200 до 1200 С до температуры деформирования растяжением от комнатной температуры до 300 °С и повторных циклов нагрев — охлаждение на величину ЭЗФ сплавов составов, %: Fe — 30 % Mn — 6 % Si и Fe — 32 % Mn — 6 % Si. Величина ЭЗФ оценивалась автором как отношение восстановленной при нагреве деформации к исходной пластической деформации. Образцы горячекатанного металла после пластической деформации 4 % имели ЭЗФ = 30 %, после повторного нагрева эта величина увеличилась до 50 %. Повышение температуры деформации приводило к возрастанию ЭЗФ до 80 %. Сделан вывод, что термоциклирование не увеличивает ЭЗФ, но при высоких температурах цикла и 3 %-ной исходной деформации ЭЗФ достигал 130 %.

Мураками Macao обобщил результаты исследования поликристаллических сплавов, указанных выше двух составов: Fe — 30 % Mn — 6 % Si (I) и Fe — 32 % Mn (II). Сплавы нагревали при 1200 °С в течение 1 ч, затем подвергали горячей прокатке при этой же температуре до толщины 13 мм. Часть образцов выдерживали после деформации при t = 800… 1200 °С в течение 1 ч с последующим охлаждением на воздухе. Обработанные таким образом образцы сплава нагревали в интервале 200—800 °С. Степень восстановления формы определяли при испытаниях на изгиб. Установлено, что сплав II вплоть до —193 °С представлен γ-фазой. После горячей прокатки сплава II содержание ε-фазы составило 8 % и возрастало с понижением температуры. При нагреве сплава I до 300 °С наблюдали высокую степень восстановления формы (при изгибе на угол 45° до 75 %), хотя в этих же условиях сплав II не проявлял ЭЗФ. Автор заключил, что появление ε-мартенсита в образцах, охлажденных от температуры деформации без выдержки, повышает степень восстановления формы (при изгибе 45° — до 100 %).

Сато Сеити методами высоковольтной электронной микроскопии (ВЭМ) изучил ЭЗФ и торможение термической активации частичного превращения в монокристаллах сплавов системы Fe — Mn — Si. Методом ВЭМ наблюдали процессы протекания мартенситного превращения.

Наряду с этим измеряли периоды решетки и отношение с/а. Найдено, что максимальное значение ЭЗФ (100 %) и с/а = 1,618 соответствуют 26,9 % Mn и 3,4 % 51, а минимальное значение ЭЗФ (6 %) и с/а = 1,613—27,6 % Mn и 1 % Si. С увеличением содержания кремния в сплаве от 1 до 3,4 % возрастает количество ε-фазы и повышается доля атермичного мартенсита. Увеличение концентрации марганца в сплаве повышает долю α-фазы и способствует ее измельчению, что ухудшает ЭЗФ. Мураками Масато предпринял новые исследования ЭЗФ сплавов Fe — 30 % Mn — (0—6) % Si. Точки фазового и магнитного превращения контролировал по изменению магнитной восприимчивости. Установлено, что с введением кремния температура Нееля снижается от 150 °С до 0 °С при содержании 6 % Si. Величина ЭЗФ достигает > 70 % при содержании кремния в сплаве >4 %. С ростом содержания кремния в сплаве увеличивается прочность аустенита от 90 до 250 МПа.

В работе приведен обзор данных о низкотемпературном фазовом превращении в сплавах γ-Mn, которое по своим проявлениям близко к термоупругому мартенситному превращению и также обусловливает ЭЗФ. К специфическим особенностям проявления ЭЗФ в антиферромагнитных сплавах па основе марганца авторы относят:

  1. более яркое проявление обратимого изменения формы даже при малых степенях формирующей деформации;
  2. широкий температурный интервал изменения формы;
  3. практически безгистерезисный характер обратимого изменения формы в поликристаллических материалах;
  4. существования «знакопеременного обратимого изменения формы».

Таким образом, приведенные данные свидетельствуют о перспективе производства сплавов системы Fe — Mn — Si в качестве материалов, обладающих важным свойством — эффектом запоминания формы. Следует также отметить, что со временем, по-видимому, сортамент марганецсодержащих сплавов с присущим им ЭЗФ будет расширяться, что в какой-то мере следует из данных работы, в которой рассмотрено явление многократно-обратимого запоминания формы в сплавах системы Mn — Cu, с содержанием 52—88 % (моль.). Всем исследованным сплавам, свойственен эффект обратимого запоминания формы. Ведутся научные поиски создания сплавов системы Fe — Mn — Si путем легирования их другими элементами. Авторами показано, что введение в эти сплавы (22—34 % Mn; 6 % Si) 5 % Cr снижало температурные точки AH, MH, TN, а ЭЗФ в изученных сплавах (0—10 % С) обусловлен мартенситным превращением γ↔ε. Снижение температуры MH ниже комнатной усиливает ЭЗФ, который при введении 5 % Cr может достигать значительных величин (80—90 % при изгибе образцов на угол 45°) при комнатной температуре при содержании марганца 28—30 %.