Кластерная модель мартенситных превращений в сплаве Fe 86Mn 13C

Известно, что перемещения атомов при мартенситных превращениях в сплавах могут проходить по нескольким схемам [1; 2]. В этом случае кристаллическая решетка исходной фазы когерентно переходит в решетку конечного продукта как при прямом, так и при обратном превращении. Основные схемы ориентационных соотношений исходной и конечной фаз при мартенситных превращениях представлены в работах [1; 2]. В нашей работе предлагается кластерная модель структурной перестройки при мартенситных превращениях на примере сплава Fe 86 Mn 13 C, которая позволяет получить практически все представленные авторами указанных работ ориентационные соотношения.

Для исследования мартенситных превращений нами использованы пленки сплава Fe86Mn13C. В сплаве такого состава нами ранее обнаружен знакопеременный термоэлектрический эффект [3].

Пленки Fe 86 Mn 13 C были получены методом термического вакуумного осаждения на установке ВУП-4 при давлении 10^–5 мм рт. ст. на подложки из стекла и NaCl. Далее пленки отделяли от подложки и исследовали их структуру методом просвечивающей электронной микроскопии и микродифракции на приборах ПРЭМ-200 и (JEM-2100). Для изучения магнитных свойств пленок использовался метод крутящих моментов на магнитометре и индукционный метод построения петель гистерезиса с помощью феррометра.

Картина микродифракции электронов, полученная с пленки сплава Fe 86 Mn 13 C, приведена на рис. 1. Из расшифровки следует, что в пленке содержатся мелкодисперсные кристаллиты аустенитной и мартенситной фаз. С помощью двух плоских сеток нами проведена индексация фаз и установлены ориентационные соотношения кристаллитов аустенита и мартенсита.

Треугольная сетка соответствует ориентации ГЦК-фазы аустенита осью зоны [110], квадратная сетка соответствует ориентации ОЦК-фазы мартенсита осью зоны [001]. Соответствующие плоскости совпадают с плоскостью чертежа, как это показано на рис. 1, б . При этом направление [022] ГЦК-решетки параллельно направлению [020] ОЦК-решетки.

Подобная картина представлена в работе [2]. Авторами этой работы исследованы утоненные образцы массивного сплава Fe21,7Mn14,5Al. Ими обнаружена когерентно связанная аустенитно-мартенситная смесь фаз. В этой же работе представлена таблица известных ориентационных соотношений когерентно связанных кристаллитов аустенита и мартенсита.

Полученные нами и авторами [2] ориентационные соотношения мы предлагаем рассмотреть с позиции кластерного структурообразования. Такой подход позволяет получить практически все известные ориентационные соотношения при мартенситных превращениях кубических фаз.

На электроннограмме (рис. 1, а ) присутствует дифракционное кольцо, соответствующее плоскости (100) ОЦК-решетки. В этом случае рефлекс (100) является сверхструктурным, а параметр элементарной ячейки такой ОЦК-решетки будет удвоенным относительно известной ОЦК-решетки для сплавов на основе α-железа.

Трехмерные компьютерные модели атомной структуры когерентно связанных фаз показаны на рис. 2. Сборка из двух тетраэдров и одного октаэдра, которая соответствует структурному модулю ГЦК-решетки (рис. 2, а ) [4]. Такой модуль фактически является элементарной ячейкой ГЦК-решетки. На рис. 2, б показано сечение модуля ГЦК-решетки плоскостью (110). Такое сечение состоит из четырех одинаковых равнобедренных треугольников. Два равнобедренных треугольника являются сечением октаэдра плоскостью (110) и два – сечениями двух тетраэдров плоскостью (110). Такими треугольниками сформирована треугольная сетка, показанная на рис. 1, б .

Ромбический икосаэдр, составленный из тетраэдрических симплексов ОЦК-решетки, полученных сечением кубической решетки плоскостями типа (110), представлен на рис. 2, в [4]. Фрагмент данной сборки может быть совмещен с ребром октаэдра ГЦК модуля, как это показано на рис. 2, г . При этом половина сборки относится к ГЦК модулю, а другая половина является фрагментом ОЦК-решетки. Стрелками показано возможное переключение химических связей при образовании мартенсита деформации.

а

Рис. 1. Картина микродифракции электронов, полученная от пленки сплава Fe₈₆Mn₁₃C ( а ) и схема ее расшифровки ( б )

б

в

г

Рис. 2. Компьютерные модели трехмерных кластеров, сделанные в среде 3ds Max

Трехмерное представление ориентационного соотношения ГЦК- и ОЦК-решеток совпадает с экспериментом, показанным на рис. 1, б . Небольшое рассогласование при наложении треугольных и квадратных сеток обусловлено переключением химических связей ГЦК-ОЦК при наложении треугольных граней ГЦК-тетраэдра и ОЦК-сборки (рис. 2, г ). Это согласуется с положениями, высказанными в работах [4; 5]. Удвоение периода ОЦК-решетки является результатом такого переключения химических связей, которое, в свою очередь, инициируется механическим воздействием на кристаллическую решетку аустенита при криомеханической обработке.

Предложенная модель хорошо описывает все известные схемы ориентационных соотношений: Курдюмова–Закса, Питча и т. д. [1; 2]. Поскольку при детальном рассмотрении ряда векторов в ГЦК и ОЦК решетках мы можем обнаружить их совпадения в пределах четырех межатомных расстояний. Например вектор [111] ГЦК-решетки может быть параллелен вектору [110] ОЦК-решетки, или вектор [110] ГЦК-решетки параллелен вектору [001] ОЦК-решетки.

Предложенная трехмерная модель ориентационных соотношений позволяет объяснить переход коллектива из нескольких тысяч атомов из одной фазы в другую путем кооперативных сдвигов и поворотов. При этом повороты могут осуществляться в различных направлениях.

На рис. 3 представлено электронно-микроскопической изображение пленки Fe86Mn13C высокого разрешения. Мы видим когерентную связь двух соседних кластеров. Каждая атомная плоскость одного кластера переходит в атомную плоскость другого кластера под некоторым фиксированным углом.

Рис. 3. Изображение в высокоразрешающем электронном микроскопе кластерной структуры пленки сплава Fe86Mn13C

Таким образом, отдельные кластеры соединяются в кластерные агрегаты и формируют пленку в целом.

На когерентную связь отдельных структурных элементов пленки указывает свойство магнитной анизотропии. На рис. 4 показана кривая крутящих моментов, снятая в крутильном магнитометре с чувствительностью 3,76·10–4 Дж в поле с напряженностью 1 кЭ. Кривые крутящих моментов свидетельствуют о том, что намагниченность пленки имеет ярко выраженную анизотропию. Кроме того имеется ярко выраженный анизотропный гистерезис.

Рис. 4. Кривые крутящих моментов, полученные от пленок Fe86Mn13C в крутильном магнитометре

Таким образом, исследованы структура и магнитные свойства пленок Fe 86 Mn 13 C, обнаружена когерентная связь аустенитно-мартенситной структуры, предложена трехмерная кластерная модель мартенситного превращения, описывающая известные ориентационные соотношения фаз при мартенситных переходах.