Detailansicht

Phase transformations in Ni-Mn-Ga ferromagnetic shape memory alloys subjected to high pressure torsion

Arno Emanuel Kompatscher

Art der Arbeit

Diplomarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Physik

Betreuer*in

Thomas Waitz

Volltext herunterladen
Volltext in Browser öffnen

DOI

10.25365/thesis.21433

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29313.08866.418470-2

Link zu u:search

(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Formgedächtnislegierungen (SMA's) sind wissenschaftlich und technologisch von großem Interesse. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde die ferromagnetische SMA Ni54Mn25Ga21 untersucht. Ziel war es, den Effekt der Korngröße auf die martensitische Phasentransformation zu untersuchen. Um eine Verkleinerung der Körner bis in den Bereich von rund 100 nm zu erzielen wurde das Material durch Hochdrucktorsion (HPT) bis zu einem Deformationsgrad von 6 x 10^5 % verformt. Vor und nach Hochdruckverformung, sowie nach HPT und anschließender Wärmebehandlung wurden in systematischer Weise Untersuchungen mittels Transmissionselektronenmikroskopie, Differentialrasterkalorimetrie sowie Röntgenbeugung durchgeführt. Als Ergebnis der Experimente zeigt sich, dass die Korngröße vor HPT im Bereich von mehreren hundert Mikrometern liegt. Die kristalline Struktur der groben Körner wurde als geordneter nichtmodulierter tetragonaler 2M-Martensit identifiziert. Hochdrucktorsion induzierte eine starke Fragmentierung der Körner hauptsächlich durch die Bildung von Subkorngrenzen. Die entstehende submikrokristalline Struktur enthält eine ungeordnete fct Struktur, die durch chemischen Entordnung der martensitischen 2M Phase entsteht. HPT induziert ebenso eine strukturelle Transformation, da nach der Hochdeformation auch die ungeordnete fcc-Gammaphase auftritt. Durch die starke chemische Entordnung und durch die die Bildung der fcc Phase wird die thermisch induzierte martensitischen Rückumwandlung zum Austenit vollständig unterdrückt. Hingegen tritt durch isochrones Heizen zunächst eine Phasenunmwandlung fcc/fct nach bcc (ungeordnet kubisch raumzentriert) auf. Dieser Prozess ist bei einer Temperatur von rund 420 °C abgeschlossen. Nach weiterem isochronen Heizen bis zu einer Temperatur von 500 °C wandelt die bcc Struktur durch die Einstellung chemischer Ordnung in die austenitsche Heusler-Phase um. Hingegen findet durch diese Wärmebehandlung kein nennenswertes Kornwachstum statt (die durchschnittliche Korngröße liegt bei ca. 140 +/- 6 nm). In den kleinen Körner tritt beim Abkühlen wieder eine martensitische Phasenumwandlung auf. Allerdings wandelt durch den Einfluss der kleinen Korngröße der Austenit in die modulierte 7M Struktur des Martensits um. Das Auftreten der metastabilen 7M Phase auf Kosten der 2M Gleichgewichtsstruktur wird durch den Einfluss der Korngröße auf die freie Enthalpie der 2M Phase erklärt. In kleinen Körnern ermöglicht die 7M Struktur eine optimale Akkommodation der Umwandlungsverzerrungen. Ein zentrales Ergebnis dieser Arbeit ist, dass das Modell einer adaptiven Struktur des Martensits erstmals erfolgreich für die physikalische Interpretation der Stabilisierung der 7M Phase in kleinen Körner angewandt wurde.

Abstract

(Englisch)

Shape memory alloys (SMA's) are scientifically and technologically of high interest. In the course of this diploma thesis the ferromagnetic SMA Ni54Mn25Ga21 was analysed. The aim of this work was to investigate the effect of the grain size on the martensitic phase transformation. To reach a grain size of about 100 nm the material was subjected to high pressure torsion (HPT) to a degree of deformation of up to 6 x 10^5 %. Before and after HPT as well as after HPT and subsequent heat treatment a systematic analysis via transmission electron microscopy (TEM), differential scanning calorimetry (DSC) and X-ray diffraction (XRD) was conducted. The experimental results show that the grain size before HPT is in the range of several hundreds of micrometres. The crystalline structure of the coarsed grains was identified as unmodulated tetragonal 2M-martensite. HPT induced strong fragmentation of the grains mainly by the formation of subgrain boundaries. The resulting submicrocrystalline structure contains a face centered tetragonal structure (fct) which originates from the chemical disordering of the martensitic 2M phase. HPT also induces a structural transformation since a disordered face centered cubic gamma-phase (fcc) arises additionally after deformation. Due to the strong chemical disorder and the occurrence of the fcc gamma-phase the thermally induced martensitic back transformation to austenite is completely suppressed. Isochronal heating on the other hand initially shows a phase transformation from fcc/fct to bcc (disordered body centered cubic). This process ends at a temperature of about 420 °C. After further isochronal heating to 500 °C the bcc phase transforms into the austenitic Heusler-phase via chemical ordering. The average diameter of the grains was observed to be around 140 +/- 6 nm. Upon cooling the martensitic phase transformation returns in the small grains. However due to the influence of the small grain size the austenite transforms into the modulated 7M structure of the martensite. The occurrence of the metastable 7M phase at the account of the 2M equilibrium structure can be explained by the influence of grain size on the free enthalpy of the 2M phase. In small grains the 7M structure optimally accommodates the transformation strains. A central result of this work is that for the first time the model of an adaptive structure of the martensite was successfully used as a physical interpretation for the stabilization of the 7M phase in small grains.

Autor*innen

Arno Emanuel Kompatscher

Haupttitel (Englisch)

Phase transformations in Ni-Mn-Ga ferromagnetic shape memory alloys subjected to high pressure torsion

Paralleltitel (Deutsch)

Phasentransformationen in durch Hochdruck tordierten ferromagnetischen Ni-Mn-Ga Formgedächtnislegierungen

Publikationsjahr

2012

Umfangsangabe

75 S. : Ill., graph. Darst.

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Thomas Waitz

Klassifikation

33 Physik > 33.05 Experimentalphysik

AC Nummer

AC10498004

Utheses ID

19165

Studienkennzahl

UA | 411 | | |

Detailansicht

Abstracts

Schlagwörter