Magnetic transformations during mechanical loading of magnetocaloric materials based on Heusler alloys
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projektes konnten NiMnIn-Heusler-Legierungen mittels Gießen hergestellt werden, die den magnetokalorischen Effekt aufwiesen. Für die Gussproben wurde eine Wärmebehandlung entwickelt, die ein homogenes Gefüge hervorbrachte, das die gewünschte L21- Struktur aufwies. Jedoch war die Herstellung mittels Lichtbogenschmelzverfahren unter Schutzgasatmosphäre nur bedingt reproduzierbar, was sich darin zeigte, dass manche Proben keinen magnetokalorischen Effekt aufwiesen. Untersuchungen an den NiMnIn-Legierungen mittels Widerstandsmessungen in Abhängigkeit der Temperatur haben gezeigt, dass der martensitische Phasenübergang reversibel war. Diese Reversibilität lag auch nach 1000 Zyklen vor, jedoch konnte eine beginnende funktionelle Degradation nachgewiesen werden. Für die mikrostrukturellen Untersuchungen wurden Druckversuche durchgeführt, da sich die gegossenen Heusler-Legierungen als zu spröde herausgestellt haben, um Versuche unter Zugbelastung durchführen zu können. Die Untersuchungen der Mikrostruktur während mechanischer Druckbelastung haben ergeben, dass das strukturelle Versagen bereits deutlich vor der funktionellen Degradation einsetzt. So konnten erste Anzeichen des Materialversagens in Form von Rissen zum Teil bereits nach einem Zyklus nachgewiesen werden. Während der Verformung im pseudoelastischen Bereich unter dem Lichtmikroskop konnte die Bildung von Martensitnadeln beobachtet werden. Dass es durch die mechanische Belastung zur Bildung unterschiedlicher Martensitvarianten kommt, wurde mit Hilfe von In-situ-Röntgendiffraktometrie-Versuchen nachgewiesen. Als weiteren Grund für die strukturelle Degradation der Legierungen wurden bei diesem martensitischen Phasenübergang lokale Dehnungsspitzen vermutet, die durch die Volumenänderung aufgrund der Phasenumwandlung hervorgebracht werden. Diese sollten mit Hilfe von Digital Image Correlation bestimmt werden. Hierfür wurde eine alternative Probenpräparation entwickelt, die die Auswertung trotz der durch die Martensitbildung entstehenden zusätzlichen Kontraständerung ermöglichte. Auf diese Weise konnte gezeigt werden, dass bei Druckbelastung lokal Dehnungsspitzen auftreten, die die makroskopisch gemessene Dehnung um den Faktor 2 übertrafen. Die frühe strukturelle Degradation wird daher bei polykristallinen Proben auf die Missorientierung der Körner zurückgeführt, welche die Bildung unterschiedlicher Martensitvarianten zur Folge hat. Dies führt zu starken lokalen Spannungen, die von den spröden NiMnIn-Heusler-Legierungen nicht abgefangen werden können und zur Rissbildung führen. Bei Betrachtung des Phasenübergangs innerhalb eines einzelnen günstig orientierten Kornes wurde dementsprechend auch nur die Entstehung einer einzelnen Martensitvariante beobachtet. Der reversible Phasenübergang führte in diesen Fällen nicht zur Rissinitiierung, obwohl ebenfalls hohe lokale Dehnungen vorlagen. Diese lagen jedoch regelmäßig angeordnet zwischen den Martensit-nadeln vor und führten somit nicht zum vorzeitigen strukturellen Versagen. Zyklische Belastungen mit 2 % Stauchung ermöglichten 10000 Zyklen. Mit steigender Zyklenzahl änderten sich der Ausgangspunkt sowie die benötigte Spannung für die vorgegebene Stauchung, was auf eine Änderung der Mikrostruktur bzw. der Versetzungsdichte hinweist. Eine Erhöhung der Stauchung zu 3 % führte zu einer deutlichen Verringerung der maximalen Zyklenzahl um den Faktor 10. Die Versuche mit polykristallinen Proben haben gezeigt, dass ungünstige Texturierung des Gefüges zu einem frühen Materialversagen führen kann, während günstig orientierte Einzelkörner keine Schädigung aufwiesen. Daher sollte es möglich sein, durch die Verwendung entsprechend texturierter Proben, die den Ausgleich lokaler Dehnungsfelder erleichtern, die mechanischen Eigenschaften deutlich zu verbessern.
Publications
- Effect of thermal cycling on the martensitic transformation in Ni-Mn-In alloys, J. Appl. Phys. 116:103515 (2014)
Kokorin, V.V.; Koledov, V.V.; Shavrov, V.G.; Konoplyuk, S.M.; Thürer, S.; Troyanovsky, D.A.; Maier, H.J.; Khovaylo, V.V.
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4895585) - Stress-induced resistivity changes in a Ni-Mn-In alloy, Appl. Phys. Lett. 106:131908 (2015)
Kokorin, V.V.; Konoplyuk, S.; Dalinger, A.; Thürer. S.; Gerstein, G.; Maier, H.J.
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4917016) - Stress-induced transformation on Ni-Mn-In alloy and the concomitant change of resistivity, 10th European Symposium on Martensitic Transformations (ESOMAT 2015). Antwerpen, Belgien, 2015
Kokorin, V.V., Konoplyuk, S.M., Dalinger, A., Thürer, S., Gerstein, G., Mashirov, A., Stetskiv, Y.P., Maier, H.J.
(See online at https://doi.org/10.1051/matecconf/20153305007)
