DE1558715B2 - ALLOYS WITH MARTENSITIC TRANSITION - Google Patents
ALLOYS WITH MARTENSITIC TRANSITIONInfo
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Description
" "- } ORKiINAL INSPECTED "" - } ORKiINAL INSPECTED
und dritter Stelle stehenden Elemente in dem vorgenannten weiten Temperaturbereich praktisch beliebig wählbar ist.and third position elements are practically arbitrary in the aforementioned wide temperature range is selectable.
Vorzugsweise Zusammensetzungen der erfindungsgemäßen Legierung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Preferably compositions of the invention Alloys are characterized in the subclaims.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigtIn the following the invention is illustrated by means of schematic drawings of exemplary embodiments explained in more detail. It shows
F i g. 1 eine graphische Darstellung des Temperaturbereichs (0C), in dem der eigenartige martensitische Übergang der TiNi-Legierung auftritt als Funktion der Atomprozente (und der Gewichtsprozente) Ni,F i g. 1 is a graph of the temperature range ( 0 C) in which the peculiar martensitic transition of the TiNi alloy occurs as a function of the atomic percent (and the weight percent) Ni,
F i g. 2 eine graphische Darstellung, in der für die ternären Legierungen TiNi^Co^a; und TiCo^Fej-a; der Logarithmus der Temperatur (° Kelvin), bei der der eigenartige martensitische Übergang erfolgt, als Funktion von der Konzentration »freier« Elektronen aufgetragen wurde, undF i g. 2 shows a graph in which for the ternary alloys TiNi ^ Co ^ a; and TiCo ^ Fej-a; the logarithm of the temperature (° Kelvin) at which the peculiar martensitic transition occurs, as Function of the concentration of "free" electrons was plotted, and
F i g. 3 eine graphische Darstellung, in der für die Legierungen TiN^Co^-^ und TiCoxFe1-Z die kritischen Temperaturen (0K), bei denen der eigenartige martensitische Übergang erfolgt, als Funktion der Konzentration der »freien« Elektronen aufgetragen sind.F i g. 3 shows a graph in which, for the alloys TiN ^ Co ^ - ^ and TiCo x Fe 1 -Z, the critical temperatures ( 0 K) at which the peculiar martensitic transition occurs are plotted as a function of the concentration of the "free" electrons .
Der im folgenden verwendete Ausdruck »kritische Temperatur« bezieht sich auf diejenige Temperatur, bei welcher die betreffende Legierung einen martensitischen (diffusionslosen) Übergang zeigt. Die TiNi-Legierung mit nahezu stöchiometrischen Mengen Titan und Nickel und die verwandten Legierungen der vorliegenden Erfindung zeigen ungewöhnliche und offenkundige, von der Deformation und von der Temperatur abhängige Eigenschaften. TiNi-Legierungen zeigen z. B. ein mechanisches Gedächtnis bei der kritischen Temperatur der Legierung, d. h., die Legierungen können unterhalb der kritischen Temperatur deformiert werden und danach durch Erhitzen auf oder leicht über die kritische Temperatur wieder vollständig in ihre ursprüngliche Form, welche vor der Deformation vorlag, zurückkehren. Die TiNi-Legierungen mit nahezu stöchiometrischen Mengen Titan und Nickel vermögen Wärmeenergie direkt und sehr wirksam in mechanische Energie umzuwandeln. Die nahezu stöchiometrisch zusammengesetzten TiNi-Legierungen haben bei der kritischen Temperatur eine latente Wärme von etwa 6 cal/g.The term »critical temperature« used in the following refers to the temperature in which the alloy in question shows a martensitic (diffusion-free) transition. The TiNi alloy with almost stoichiometric amounts of titanium and nickel and the related alloys of the present invention show unusual and overt, of deformation and of properties dependent on temperature. TiNi alloys show e.g. B. a mechanical memory at the critical temperature of the alloy, d. i.e., the alloys can be below the critical Temperature are deformed and then by heating to or slightly above the critical temperature return completely to their original shape, which existed before the deformation. The TiNi alloys With almost stoichiometric amounts of titanium and nickel, thermal energy can be used directly and very efficiently converting it into mechanical energy. The almost stoichiometric composition TiNi alloys have a latent heat of about 6 cal / g at the critical temperature.
Ferner wechseln die akustischen Dämpfungs- und die Elastizitätseigenschaften und die übrigen mechanischen Eigenschaften (insbesondere die Streckgrenze) drastisch innerhalb des Temperaturbereichs, in welchem die kritischen Temperaturen liegen. Die kritischen Temperaturen, bei welchen die Umwandlungen der Atomstruktur erfolgen, ändern sich stark mit geringen Veränderungen der Legierungszusammensetzung. Die bekannten Legierungen zeigen ein Temperaturmaximum von 439°K (166°C) für TiNi-Legierungen mit genau stöchiometrischer Zusammensetzung und fallen bis unter 273 0K (O0C) für TiNi-Legierungen mit leicht angereichertem Nickelgehalt, wie F i g. 1 zeigt.Furthermore, the acoustic damping and elasticity properties and the other mechanical properties (in particular the yield point) change drastically within the temperature range in which the critical temperatures lie. The critical temperatures at which the transformations of the atomic structure take place change greatly with small changes in the alloy composition. The known alloys show a temperature maximum of 439 ° K (166 ° C) for TiNi alloys with exactly stoichiometric composition and fall to below 273 0 K (0 ° C) for TiNi alloys having slightly enriched nickel content, such as F i g. 1 shows.
Während dieser Temperaturbereich des martensitischen Übergangs eindrucksvoll und günstigerweise bei normalen mittleren Temperaturen liegt, bewirken selbst äußerst geringe Mengen eines Nickelüberschusses in der binären Legierung die Bildung einer zweiten Phase, nämlich einer TiNi3-Phase. Eine sehr geringe Menge der zweiten Phase von TiNi3 kann ebenso wie die normalen nichtmetallischen Verunreinigungen Ti4Ni2O, Ti4Ni2N, TiC usw. toleriert werden, diese unlöslichen Verunreinigungen zeigen jedoch die Tendenz, die Wirksamkeit der TiNi-Legierung bei dem oben beschriebenen Verhalten zu verringern.While this temperature range of the martensitic transition is impressively and favorably at normal mean temperatures, even extremely small amounts of excess nickel in the binary alloy cause the formation of a second phase, namely a TiNi 3 phase. A very small amount of the second phase of TiNi 3 can be tolerated as well as the normal non-metallic impurities Ti 4 Ni 2 O, Ti 4 Ni 2 N, TiC, etc., but these insoluble impurities tend to contribute to the effectiveness of the TiNi alloy the behavior described above.
Die Aufgabe, Legierungen zu schaffen, welche bei jeder gewünschten Temperatur innerhalb des Bereichs etwa vom absoluten Nullpunkt (O0K) bis hinauf zu Temperaturen über 439°K (1660C) die eigenartigen Eigenschaften der TiNi-Legierung mit nahezu stöchiometrischer Zusammensetzung zeigen, wird erfindungsgemäß durch sorgfältiges und wohlüberlegtes Zulegieren von weiteren Elementen entsprechend der Tabelle gelöst, wobei die hervorstechenden Eigenschaften der TiNi-Legierung in ihrer Wirksamkeit nicht herabgesetzt werden.The task of creating alloys which show the peculiar properties of the TiNi alloy with an almost stoichiometric composition at any desired temperature within the range from absolute zero (O 0 K) up to temperatures above 439 ° K (166 0 C), is solved according to the invention by careful and well-considered addition of further elements according to the table, whereby the salient properties of the TiNi alloy are not reduced in their effectiveness.
Bei der Betrachtung der Tabelle ergeben sich einige grundlegende Strukturähnlichkeiten. Diese Ähnlichkeiten bestehen in erster Linie hinsichtlich des Verhältnisses der Atomradien, hinsichtlich der Valenzelektronen der entsprechenden metallischen Elemente, hinsichtlich der Kristallstrukturen und hinsichtlich der Elektronenkonzentrationen ihrer intermetallischen Verbindungen. In dieser Tabelle wurden die erste, die zweite und die dritte lange Periode des Periodischen Systems der Elemente berücksichtigt.When looking at the table, there are some basic structural similarities. These similarities exist primarily with regard to the ratio of the atomic radii, with regard to the valence electrons the corresponding metallic elements, with regard to the crystal structures and with regard to the electron concentrations of their intermetallic compounds. In this table the first takes into account the second and third long periods of the Periodic Table of the Elements.
Angaben über die Elemente und die aus diesen aufgebauten intermetallischen Verbindungen Elemente der ersten langen Periode des PeriodensystemsInformation about the elements and the intermetallic compounds built up from them Elements of the first long period of the periodic table
radius
(Ä)atom
radius
(Ä)
Atomradien*)Ratio of
Atomic radii *)
ElektronenValence-
Electrons
VerbindungEducated
link
konzentration
e/AtomElectrons
concentration
e / atom
Übergangs
temperatur
(0K)Critical
Transition
temperature
( 0 K)
Fe
Co
NiTi
Fe
Co
Ni
1,24
1,25+
1,25-1.45+
1.24
1.25+
1.25-
1,16
1,161.17
1.16
1.16
8
9
104th
8th
9
10
TiCo
TiNiTiFe
TiCo
TiNi
a0 =9Ä
asub — 2,98 Ä
Complex
G0 =9Ä
aSUb = 2,99 Ä
Complex
a0 =9 λ
asub — 2,98 AComplex
a 0 = 9Ä
asub - 2.98 Ä
Complex
G 0 = 9Ä
a SU b = 2.99 Å
Complex
a 0 = 9 λ
asub - 2.98 A.
6,5
7,06.0
6.5
7.0
35
439<4
35
439
radius
(A) atom
radius
(A)
Verhältnis der
Atomradien*)Ratio of
Atomic radii *)
Elemente der zweiten langen Periode des PeriodensystemsElements of the second long period of the periodic table
KristallstrukturCrystal structure
Valenz-Elektronen Gebildete
VerbindungValence electrons formed
link
Elektronenkonzentration Electron concentration
e/Atome / atom
Kritische Übergangstemperatur (0K)Critical transition temperature ( 0 K)
1,20
1,18
1,161.20
1.18
1.16
4 84th 8th
1010
ZrRuZrRu
ZrRhZrRh
ZrPd Complex
a0 = 9,6 Ä
Q-sub — 3,2 AZrPd Complex
a 0 = 9.6 Å
Q-sub - 3.2A
Complex
a0 =9,6 Ä
asnb = 3,2 AComplex
a 0 = 9.6 Å
asnb = 3.2 A
Complex
α0 =9,6Ä
ÄComplex
α 0 = 9.6Ä
Ä
6,0 6,5 7,06.0 6.5 7.0
4040
653653
10001000
radius
(A)atom
radius
(A)
Elemente der dritten langen Periode des PeriodensystemsElements of the third long period of the periodic table
Verhältnis der
Atomradien*)Ratio of
Atomic radii *)
Valenz-Elektronen Valence electrons
Gebildete Verbindung KristallstrukturFormed compound crystal structure
Elektronenkonzentration Electron concentration
e/Atome / atom
Kritische Übergangstemperatur (0K)Critical transition temperature ( 0 K)
1,171.17
1,161.16
1,121.12
1010
HfOsHfOs
HfIrHfIr
HfPt Complex
α0 = 9,6 ÄHfPt Complex
α 0 = 9.6 Å
= 3,2 Ä= 3.2 Å
Complex
aa -9,6 AComplex
a a -9.6 A
= 3,2 Ä = 3.2 Å
Complex
a0 = 9,6 Ä
ÄComplex
a 0 = 9.6 Å
Ä
6,0 6,5 7,06.0 6.5 7.0
*) Verhältnis des Atomradius von Ti, Zr, Hf zu den Atomradien von Fe, Co, Ni bzw. Rh, Ru, Pd bzw. Os, Ir, Pt.*) Ratio of the atomic radius of Ti, Zr, Hf to the atomic radius of Fe, Co, Ni or Rh, Ru, Pd or Os, Ir, Pt.
Wenn man den natürlichen Logarithmus der Übergangstemperaturen (kritische Temperaturen) der Verbindungen der ersten langen Periode, TiNi, TiCo und TiFe und ferner auch diejenigen der intermediären ternären Legierungen, d. h. TiNiSCo1-^ und TiCOsFe1-S; als Funktion der »freien« Elektronenkonzentration aufträgt, so erhält man die in F i g. 2 gezeigte lineare und glatte Kurve. Aus dieser graphischen Darstellung, welche für die Legierungen gilt, die aus den Elementen der ersten langen Periode in den richtigen Verhältnissen gebildet werden, folgt unmittelbar, daß fortschreitend niedriger werdende Temperaturen erreicht werden können, indem man in zunehmendem Maße Nickel durch Kobalt ersetzt (TiNi-CCo1-.,;), wobei dieser Austausch Atom für Atom geschieht. Bei diesem Austausch von Ni durch Co wird in keiner Weise der Titangehalt der ternären Legierungen dieser Reihe geändert.Taking the natural logarithm of the transition temperatures (critical temperatures) of the compounds of the first long period, TiNi, TiCo and TiFe, and also those of the intermediate ternary alloys, ie TiNiSCo 1 - ^ and TiCOsFe 1 -S; plots as a function of the "free" electron concentration, one obtains the in FIG. 2 linear and smooth curve shown. From this graphical representation, which applies to the alloys formed from the elements of the first long period in the correct proportions, it follows immediately that progressively lower temperatures can be reached by replacing nickel with cobalt (TiNi- CCo 1 -.,;), This exchange happening atom by atom. This replacement of Ni by Co in no way changes the titanium content of the ternary alloys of this series.
Alle ternären Phasen TiNizCoj-s und TiCOsFe1-Z, welche durch Ersatz von Ni durch Co und durch Ersatz von Co durch Fe gebildet werden, zeigen Kristallstrukturen, welche der zugrunde liegenden binären TiNi-Verbindung ähnlich sind. Die Kristallstruktur von TiNi wurde durch Röntgenbeugungsversuche bei Einkristallen und bei Kristallpulver bestimmt, und das Auftreten eines martensitisusqo Übergangs (ohne eine kristallographische Umwandlung erster Ordnung) wurde sichergestellt. Beachtet man, daß die Zahl der freien Elektronen, welche durch Ti, Fe, Co und Ni zu ihren Legierungen beigesteuert werden, 4, 8, 9 und 10 beträgt (die Zahl der Elektronen außerhalb der geschlossenen Schalen), so ergibt sich, wenn man die kritische Temperatur als Funktion von der freien Elektronenkonzentration in diesen Legierungen (Zahl der freien Elektronen pro Atom) aufträgt, die in F i g. 3 gezeigte glatte Kurve. Diese Kurve zeigt an, daß der martensitische Übergang, welcher bei TiNi beobachtet wird, nicht auf diese Verbindung beschränkt ist, sondern ebenfalls bei den binären Verbindungen von TiCo und TiFe auftritt sowie in den oben beschriebenen erfindungsgemäßen ternären Kombinationen dieser Elemente.All ternary phases TiNizCoj-s and TiCOsFe 1 -Z, which are formed by replacing Ni by Co and by replacing Co by Fe, show crystal structures which are similar to the underlying binary TiNi compound. The crystal structure of TiNi was determined by X-ray diffraction experiments on single crystals and crystal powder, and the occurrence of a martensitisusqo transition (without a first-order crystallographic transformation) was confirmed. Note that the number of free electrons contributed to their alloys by Ti, Fe, Co, and Ni is 4, 8, 9, and 10 (the number of electrons outside the closed shells) plots the critical temperature as a function of the free electron concentration in these alloys (number of free electrons per atom), which is shown in FIG. 3 smooth curve shown. This curve indicates that the martensitic transition observed in TiNi is not limited to this compound, but also occurs in the binary compounds of TiCo and TiFe and in the above-described ternary combinations of these elements according to the invention.
Im Falle der erfindungsgemäßen ternären Legierungen, welche von Titan und selektiv variiertem Nickel, Kobalt und Eisen gebildet werden, ist es möglich, jede gewünschte kritische Temperatur von nahezu Null Grad Kelvin bis hinauf zu 439° K zu erreichen. Ausgewählte ternäre Kombinationen der Elemente Ti, Ni, Co wurden im Verhältnis TiNizCoj-s legiert und zu Testkörpern verarbeitet. Diese ternären Systeme zeigen praktisch alle dieselben offenbaren und eigenartigen Eigenschaften wie die TiNi-Legierung (kritische Temperatur 439° K), jedoch bei einer niedrigeren Temperatur, die wiederum abhängt von der Menge an Kobalt, welche an Stelle von Nickel eingeführt wurde.In the case of the ternary alloys according to the invention, it is which are formed by titanium and selectively varied nickel, cobalt and iron possible to achieve any desired critical temperature from almost zero degrees Kelvin up to 439 ° K reach. Selected ternary combinations of the elements Ti, Ni, Co were in the ratio TiNizCoj-s alloyed and processed into test specimens. These ternary systems practically all show the same reveal and peculiar properties like the TiNi alloy (critical temperature 439 ° K), but at one lower temperature, which in turn depends on the amount of cobalt that is used in place of nickel was introduced.
Bei der weiteren Betrachtung der Tabelle wird deutlich, daß die intermetallischen VerbindungenOn further consideration of the table it becomes clear that the intermetallic compounds
ZrRu, ZrRh und ZrPd sich ähnlich verhalten sollten. Ebenso sollte dieses Strukturverhalten auch von den Verbindungen HfOs, HfIr und HfPt der dritten langen Periode des Periodensystems erwartet werden. Experimente haben gezeigt, daß auch die Verbindüngen der beiden zuletzt genannten Reihen ebenfalls kritische Temperaturen haben, und daß sie ebenfalls das gleiche eigenartige Verhalten zeigen, welches schon bei der Reihe TiFe-TiCo-TiNi beobachtet wurde. Ferner sind ternäre Substitutionsprodukte, ζ. Β. ίο ZrPd^Rh1-J; und HiPtxIv1-X usw. möglich, welche im wesentlichen mittlere kritische Temperaturen aufweisen. Wie die Tabelle zeigt, zeigen die Verbindungen von Zr und Hf und ihre intermediären erfindungsgemäßen ternären Legierungen höhere kritische Temperaturen für die auftretende Atomstrukturumwandlung. Praktisch hat man so erreicht, daß die kritische Temperatur über einen Bereich ausgedehnt wurde, der etwa vom absoluten Nullpunkt (0°K) bis hinaus zu nahezu 1000°K (717°C) reicht. Sowohl die Streckgrenze als auch der Elastizitätsmodul nehmen oberhalb der kritischen Temperatur erheblich zu. Um aus der erhöhten Steifigkeit oberhalb der kritischen Temperatur Nutzen ziehen zu können, ist es notwendig, die Legierungen zu verwenden, welche kritische Temperaturen aufweisen, die unterhalb des Arbeitstemperaturbereichs bei einer speziellen Anwendung liegen. Dies ist insbesondere von Bedeutung bei selbstaufrichtenden Konstruktionen sowohl für Wasserbau als auch für Luftfahrt- und Raumfahrtzwecke. Um zu erreichen, daß solche Strukturen sich an jedem Ort von selbst aufrichten, wie z. B. auch im Meerwasser, ist es notwendig, sich selbst aufrichtende Legierungen zu schaffen, welche kritische Temperaturen aufweisen, die deutlich unterhalb der unteren Meerwassertemperatur von etwa —2° C (2710K) liegen. Um dies zu erreichen, um ein wirksames mechanisches Gedächtnis zu gewährleisten usw., sind kobaltsubstituierteLegierungen (TiNi2JCo1-^) unbrauchbar.ZrRu, ZrRh and ZrPd should behave similarly. This structural behavior should also be expected from the compounds HfOs, HfIr and HfPt of the third long period of the periodic table. Experiments have shown that the compounds of the last two series also have critical temperatures, and that they also show the same peculiar behavior that was already observed with the TiFe-TiCo-TiNi series. Furthermore, ternary substitution products, ζ. Β. ίο ZrPd ^ Rh 1 -J; and HiPt x Iv 1 -X etc. are possible, which have essentially medium critical temperatures. As the table shows, the compounds of Zr and Hf and their intermediate ternary alloys according to the invention show higher critical temperatures for the atomic structure transformation that occurs. In practice, it has been achieved that the critical temperature has been extended over a range that extends approximately from absolute zero (0 ° K) to almost 1000 ° K (717 ° C). Both the yield point and the modulus of elasticity increase considerably above the critical temperature. In order to be able to benefit from the increased stiffness above the critical temperature, it is necessary to use the alloys which have critical temperatures which are below the working temperature range for a specific application. This is particularly important in self-righting structures for both hydraulic engineering and aerospace purposes. In order to achieve that such structures erect themselves in every place, such as z. B. in the sea water, it is necessary to create self righting alloys which have critical temperatures which are significantly (271 0 K) are below the lower sea water temperature of about -2 ° C. To achieve this, to ensure effective mechanical memory, etc., cobalt-substituted alloys (TiNi 2 JCo 1 - ^) are useless.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen GOPY1 sheet of GOPY drawings
209 523/229209 523/229
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