Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2738
Main Title: Composition, Structure and Magneto-Mechanical Properties of Ni-Mn-Ga Magnetic Shape-Memory Alloys
Translated Title: Zusammensetzung, Struktur und magneto-mechanische Eigenschaften von Ni-Mn-Ga magnetischen Formgedächtnislegierungen
Author(s): Chmielus, Markus
Advisor(s): Reimers, Walter
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Magnetische Formgedächtnislegierungen (MSMA) mit Ni-Mn-Ga als prominenstensten Vertreter sind faszinierende Materialien, die eine magnetfeldinduzierte plastische Verformung von bis zu 10% in einkristalliner Form aufweisen. Die Verformung der MSMA basiert dabei auf der Bewegung von Zwillingsgrenzen, die durch magnetfeldinduzierte interne Spannungen angetrieben werden. Die Verformung benötigt also nicht wie bei traditionellen Formgedächtnis-legierungen (SMA) eine Phasenumwandlung sondern findet im der Martensit Phase statt. Aus diesem Grund vereinen MSMA die hohe plastische Verformung von SMA mit den schnellen Verformungsfrequenzen und bilden somit eine attraktive Alternative zu etablierten aktiven Materialien. Die magneto-mechanischen Eigenschaften dieser Materialien sind immernoch nicht klar zu reproduzieren. Die Herstellung von Ni-Mn-Ga Einkristallen ist schwierig und zeitaufwändig. Wegen chemischer Segregation verändert sich die Zusammensetzung von Ni-Mn-Ga Einkristallen kontinuierlich in Wachstumsrichtung und mit ihr alle MSMA Eigenschaften. Ausserdem haben Probenbearbeitung und Training der Proben einen entscheidenen Einfluss auf die magneto-mechanischen Eigenschaften von MSMA. In dieser Doktorarbeit werden aufeinander aufbauende Themen bearbeitet. Im ersten Teil werden Zusammensetzung, Struktur, Phasenumwandlungstempera-turen, magnetische und mechanische Eigenschaften von Proben aus drei Einkristallen in Bezug auf deren Position im Kristall ausgewertet. Im zweiten Teil wird der Einfluss von Oberflächenrauhigkeiten und –verformungen auf die Zwillingsspannung von MSMA untersucht. Im dritten Teil wird der Einfluss von Training und Einspannungen auf das magneto-mechanische Verhalten analysiert werden. Die Untersuchungen dieser Dissertation haben den Zusammenhang von MSMA Eigenschaften mit Bezug auf die Position und damit auf diese chemische Zusammensetzung herausgestellt. Als besonders wichtiges Resultat ist hier die Veränderung der Martensitstruktur von 10M über 14M zu nichtmoduliertem Martensite mit ansteigendem Mn Gehalt genannt. Die Verringerung der Oberflächenrauhigkeit verringert auch die Zwillingsspannungen in MSMA Kristallen. Die Anzahl von Zwillinggrenzen ist in polierten Proben geringer und ausserdem bewegen sich die Zwillinggrenzen über gröβere Strecken als in unpolierten Proben. Im letzten Teil der Arbeit wurde festgestellt, dass MSMA mit Zwillingspannungen von mehr als 1 MPa nur dann magnetfeldinduzierte Dehnung aufweisen, wenn die Probe während der Verformung eine Kippbewegung ausführen kann. Falls Einspannungen dies verhindern, ist keine magnetfeldinduzierte Dehnung messbar. In MSMA mit Zwillinggrenzspannungen unter 1 MPa spielen diese Einspannungbedingungen keine Rolle, da Zwillinge in verschiedenen Bereichen gebildet werden und sich den Einspannung besser anpassen als in harten MSMA.
Magnetic shape-memory alloys (MSMAs) are smart materials which show in single crystalline form a magnetic field induced plastic and recoverable deformation of up to 10%. Ni-Mn-Ga is the as most prominent representative. The shape change of MSMAs is based on the motion of twin boundaries driven by a magneto-stress due to an applied magnetic field. The plastic deformation takes place in the martensite phase and does not require a phase change as needed in shape-memory alloys (SMAs). The combination of high strain of SMAs and high actuation frequencies positions MSMAs as attractive smart actuator materials. A challenge of MSMAs is that magneto-mechanical properties are still very difficult to predict and to reproduce. The production of Ni-Mn-Ga single crystals is rather difficult and time consuming. Chemical segregation leads to a continuous variation of the Mn concentration in single crystals in growth direction. The composition change has a strong influence on all properties of MSMA. Furthermore, sample preparation influences magneto-mechanical properties. This dissertation is therefore divided in three parts: first, the characterization of composition, structure, transformation temperatures, magnetic and mechanical properties as a study on position within an ingot. Second, the influence of surface polishing and surface deformation on the twinning stress. Thirdly, the influence of training and constraints on magneto-mechanical properties. This study demonstrates that MSMA properties depend on the position within a single crystal ingot. With increasing Mn content the martensite structure changes from 10M over 14M to nonmodulated martensites. The decrease of surface roughness leads to a decrease of twinning stress. On the other hand, polished samples have only very few twin boundaries moving rapidly which results in serrated stress-strain curves. Furthermore, surface deformations pin twin boundaries and lead to dense twin micro structures. MSMAs with twinning stresses of above 1 MPa and few twin boundaries moving through the sample only show a magnetic field-induced strain when tilting of the sample is not restricted by constraints. In soft MSMAs, tilting is not necessary since multiple twin boundaries move in different orientations. Therefore, soft samples can adapt to constraints much better than harder MSMAs and show large magnetic field-induced strain.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-27035
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3035
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2738
Exam Date: 14-Jun-2010
Issue Date: 15-Feb-2011
Date Available: 15-Feb-2011
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Einkristall
Langzeitverhalten
Martensit
Oberflächenverformung
Phasenumwandlung
High cycle behavior
Martensite
Phase transformation
Single Crystal
Surface deformation
Usage rights: Terms of German Copyright Law
ISBN: 978-3-8325-2531-6
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