بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله اثر جانشینی Co در آلیاژهای حافظهپذیر فرومغناطیس - Ni47Mn40 - 1-xSn13Cox مورد مطالعه قرار گرفته است. آنالیزهای مختلف از نمونهها گرفته شد و ویژگیهای ساختاری، الکتریکی و مغناطیسی آنها مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به الگوی پراش پرتو ایکس، افزایش مقدار کبالت باعث افزایش پارامتر شبکه میشود. پذیرفتاری مغناطیسی و مقاومت الکتریکی نمونهها نشان میدهند که دمای گذار ساختاری با افزایش مقدار کبالت، کاهش مییابد.
مقدمه
آلیاژهای هویسلر در سال 1903 توسط فریتز هویسلر کشف شدند. آلیاژهای حافظهپذیر فرومغناطیس دستهای از آلیاژهایهویسلر میباشند. این ترکیبات به دو دسته نیمهویسلر: با فرمولشیمیایی XYZ و تمامهویسلر: با فرمول شیمیایی X2YZ تقسیم میشوند که X و Y از فلزات واسطه و Z از گروه 3، 4 و5 جدولتناوبی است .[1]مشخصه اساسی این آلیاژها گذار فاز ساختاری میباشد که با سردکردن نمونه گذار از فاز آستنیت - با تقارن بالا - به فاز مارتنزیت - باتقارن کمتر - رخ میدهد .[2] اثر حافظهپذیری و مغناطوگرمایی ازجمله ویژگیهای آلیاژهای حافظهپذیر فرومغناطیس میباشد.ترکیبات حافظهپذیر موادی هستند که میتوانند پس از یک تغییرشکل بزرگ، شکل اولیهی خود را بازیابی کنند. در پدیده مغناطوگرمایی در اثر اعمال میدان مغناطیسی، ممانهای مغناطیسیهم جهت میشوند و با توجه به وابستگی ویژگیهای مغناطیسی وگرمایی به یکدیگر باعث تغییر دمای ماده میشوند.
اثرات حافظه-پذیری و مغناطوگرمایی حوالی دمای گذار رخ میدهد و به همیندلیل کنترل دمای گذار ساختاری اهمیت زیادی دارد .[3] یکی از راههای کنترل و تغییر دمای گذار ساختاری، جانشینی عناصر مختلف در آلیاژهای حافظهپذیر است .[5 ,4]به عنوان مثال آقای هان و همکاران اثر جانشینی Co را در آلیاژMn2Ni بررسی کردهاند. نتایج آنها نشان میدهدکه با جانشینی کبالت به جای نیکل دمای گذار ساختاری کاهشمییابد .[4] در مقالهای دیگر آقای هان و همکاران اثر جانشینی Co به جای Mn را بر ترکیب Ni43Mn46-xCoxSn11 مورد مطالعه قرار دادند. نتایج بدست آمده نشان میدهد که با افزایش مقدارکبالت به جای منگنز دمای گذار ساختاری افزایش مییابد .[5]روش مرسوم برای تولید این آلیاژها ذوب قوسی است اما اخیراًساخت این آلیاژها با روش آلیاژسازی مکانیکی صورت گرفته است .[7 , 6] در این پژوهش اثر جانشینی Co هم زمان به جای Mn و Ni در آلیاژ - Ni47Mn40 - 1-xSn13Cox مورد بررسی قرار گرفته است.
آزمایش
در این تحقیق نمونههای - Ni47Mn40 - 1-xSn13Cox با0/04، 0/03، 0/02، X= 0 به روش آلیاژسازی مکانیکی ساخته شد. با استفاده از آسیاب سیارهای عملیات آسیابکاری بر روی پودر انجام شد. در این پروژه نسبت وزنی گلوله به پودر موجود در کاپها 10 به 1، زمان آسیابکاری 30 ساعت، محیط آسیاب کاری آرگون و سرعت آسیابکاری 500 دور بر دقیقه انتخاب شد. سپس با استفاده از پرس هیدرولیک نمونههای پودری به نمونههایحجمی تبدیل شد و سپس نمونهها را داخل لولهای از جنسکوارتز تحت خلا قرار داده شد و در دمای 950 درجه سانتیگراد به مدت 16 ساعت بازپخت شدند و تحت فرایند سرد سازی سریع در مخلوط آب و یخ قرار گرفتند.الگوی پراش پرتو ایکس توسط دستگاه پراش پرتو ایکس شرکت فیلیپس صورت گرفت. پذیرفتاری مغناطیسی AC نمونهها بااستفاده از دستگاه پذیرفتاریسنج مدل 7000 شرکت Lakeshoreو مقاومت الکتریکی نمونهها با روش چهار میلهای و با استفاده از دستگاه یخچال مدار بسته شرکت Leybold اندازهگیری شد.
نتایج و بحث
ویژگیهای ساختاری
الگوی پراش پرتو ایکس برای بررسی فرایند تشکیل فاز وویژگیهای ساختاری از نمونهها گرفته شد. شکل1 مربوط بهالگوی پراش پرتو ایکس نمونههای - Ni47Mn40 - 1-xSn13Cox است که به مدت 16 ساعت و در دمای 950 درجه سانتی گرادبازپخت شدهاند. همان طور که در شکل مشاهده میشود همهنمونهها در حد دقت دستگاه تک فاز هستند و اثری از فازهایدیگر مانند فاز مارتنزیت در آنها مشاهده نمیشود.برای اطمینان از تک فاز بودن نمونهها و به دست آوردن پارامتر-های شبکه، تحلیل ریتولد انجام شد. در شکل2 به عنوان نمونه تحلیل ریتولد نمونهی X 0/03 آورده شده است که تطابق خوب طیفهای تجربی و محاسباتی به دست آمده را نشان میدهد.منحنی مشکی طیف محاسباتی تطبیق داده شده، منحنی قرمز طیفتجربی، منحنی آبی تفاضل دو الگوی تجربی و محاسباتی الگوی پراش پرتو ایکس و خطوط سبز مکان قلههای براگ را نشان می-
دهد.
جدول1 نتایج حاصل از پراش پرتو ایکس و تحلیل ریتولد را نشانمیدهد. همان طور که مشاهده میشود پارامتر شبکه از X 0 تا X 0/04 افزایش یافته است. شعاع یونی Co بیشتر از Ni می-باشد به همین دلیل جانشینی Co به جای Ni باعث افزایش پارامتر شبکه میشود.در Ms وارد فاز آنتی فرومغناطیس مارتنزیت میشود و در Mf کاملاًدر فاز ماتنزیت قرار میگیرد. در ادامه با گرم شدن، نمونه در Asوارد فاز آستنیت شده و در Af گذار کامل میشود .[8] لازم به ذکراست که وجود پسماند حرارتی در منحنیهای پذیرفتاری درناحیهی گذار ساختاری از ویژگیهای گذار فازهای مرتبه اول می-باشد که گذار از فاز آستنیت به مارتنزیت نیز یک گذار فازساختاری است. همان طور که در شکل3 مشاهده میشود باافزایش مقدار کبالت دمای گذار ساختاری کاهش یافته است.
درحالی که دمای کوری اندکی افزایش پیدا کرده است. به نظر می-رسد دمای گذار ساختاری با پارامتر شبکه نسبت عکس دارد. بهاین صورت که افزایش پارامتر شبکه باعث کاهش دمای گذار ساختاری میشود و بر عکس .[9] با توجه به جدول1 نتایج حاصلاز پراش پرتو ایکس و تحلیل ریتولد، پارامتر شبکه نمونهها افزایش یافته است و تغییرات دمای گذار ساختاری ناشی از تغییرات پارامتر شبکه میباشد. از طرفی عمدتا جایگزینی کبالت به جای نیکل باعث کاهش دمای گذار ساختاری میشود .[4] از آنجا که در ترکیب کبالت را همزمان جای منگنز و نیکل قرار دادیم، با توجه به کاهش دمای گذار انتظار میرود در ساختار کبالت بیشتر به جاینیکل قرار گرفته باشد. همچنین مشاهده میشود که با جانشینیکبالت گذار فاز ساختاری تیزتر شده است که این رفتار می تواند خاصیت مغناطوگرمایی بهتری را ایجاد کند.
ویژگیهای مغناطیسی
برای مطالعه اثر جایگزینی کبالت بر ویژگیهای مغناطیسینمونهها، پذیرفتاری مغناطیسی در حالت سرد شدن و گرم شدناندازهگیری شد. شکل3 مربوط به پذیرفتاری نمونهها و -3الفمربوط به پذیرفتاری مغناطیسی نمونه X= 0 است که در آن Tc دمای کوری فاز آستنیت، Ms دمای شروع فاز مارتنزیت، Mf دمایپایان فاز مارتنزیت، As دمای شروع فاز آستنیت و Af دمای پایانفاز آستنیت میباشد. در دماهای بالای Tc نمونه در فاز پارامغناطیس آستنیت است و با کاهش دما از پارامغناطیس آستنیت بهفرومغناطیس آستنیت گذار فاز انجام میشود. با کاهش دما نمونه
