Анотація до роботи:

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.

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.

Публікації автора:

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. Sderberg, 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. Etelniemi, 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. Sderberg , 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.Sderberg, 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. Sderberg, 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. Sderberg, 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. Sderberg, 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.