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Funktionale Eigenschaften einer Co-Ni-Ga Hochtemperatur-Formgedächtnislegierung
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Funktionale Eigenschaften einer Co-Ni-Ga Hochtemperatur-Formgedächtnislegierung
Gezieltes Design von nanoskaligen Ausscheidungsteilchen, chemischer Ordnung und Korngrenzen
Abstract
Eines der vielversprechendsten Materialsysteme unter den Hochtemperatur-Formgedächtnis-legierungen (HT-FGL) ist die Heusler-Legierung Co-Ni-Ga, die insbesondere aufgrund ihrer herausragenden pseudoelastischen Eigenschaften bis zu Temperaturen von 500 °C für die Verwendung als Hochtemperatur-Dämpfungselement äußerst interessant ist. Für das Leistungsvermögen sind letzt-endlich jedoch die mikrostrukturellen Eigenschaftsmerkmale von entscheidender Bedeutung. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von nano-skaligen Ausscheidungsteilchen, chemischer Ordnung und Korngrenzen auf das funktionale Materialverhalten untersucht. Unter Verwendung hochauflösender licht- und elektronen-mikroskopischer Verfahren sowie der Neutronendiffraktometrie wurden tiefgehende Einblicke in grundlegende mikrostrukturelle Mechanismen und das Phasenumwandlungsverhalten gewonnen. Diese skalenübergreifende Charakterisierung, die sowohl an ein- als auch vielkristallinen Strukturen erfolgte, ermöglichte schließlich die Erarbeitung eines umfassenden Verständnisses der komplexen Wechselbeziehungen zwischen der (prozessinduzierten) Mikrostruktur, der martensitischen Phasenumwandlung und dem makroskopischen Materialverhalten.
Die Ergebnisse zeigen, dass im Co-Ni-Ga System mit Hilfe einer Auslagerungswärme-behandlung in der austenitischen Hochtemperaturphase die funktionalen Eigenschaften im Hinblick auf die Verwendung als Dämpfungsmaterial maßgeschneidert werden können, wobei die Morphologie nanoskaliger Ausscheidungsteilchen (Form und Größe) einen essentiellen Einfluss auf die Spannungshysterese und die zyklische Stabilität des pseudoelastischen Effekts hat. Eine Wärmebehandlung in der gezielt durch eine mechanische Last eingestellten martensitischen Tieftemperaturphase birgt hingegen das Potential, die Phasenumwandlungs-temperaturen infolge einer diffusionsgesteuerten Änderung der symmetriekonformen Nahordnung signifikant zu erhöhen und damit Co-Ni-Ga auch für die Hochtemperatur-Aktorik zu qualifizieren. Mit den Forschungsbemühungen im Rahmen der vorliegenden Arbeit ist der erstmalige Funktionsnachweis dieser Prozedur unter Zugbeanspruchung gelungen. Die Charakterisierung der Schädigungsentwicklung an Korngrenzen unter pseudoelastischer Verformung und die Identifizierung besonders versagenskritischer Korngrenzanordnungen zeigen letztendlich die Notwendigkeit zu einem gezielten Korngrenzdesign in diesem stark anisotropen Materialsystem auf. Mit dem Strangpressen und dem Laserauftrag-schweißen werden zwei äußerst vielversprechende Prozessrouten etabliert, die ein solch gezieltes Design der Mikrostruktur erlauben, woraus vielkristalline Co-Ni-Ga Strukturen mit teils hervorragenden funktionalen Eigenschaften resultieren.
Die Ergebnisse zeigen, dass im Co-Ni-Ga System mit Hilfe einer Auslagerungswärme-behandlung in der austenitischen Hochtemperaturphase die funktionalen Eigenschaften im Hinblick auf die Verwendung als Dämpfungsmaterial maßgeschneidert werden können, wobei die Morphologie nanoskaliger Ausscheidungsteilchen (Form und Größe) einen essentiellen Einfluss auf die Spannungshysterese und die zyklische Stabilität des pseudoelastischen Effekts hat. Eine Wärmebehandlung in der gezielt durch eine mechanische Last eingestellten martensitischen Tieftemperaturphase birgt hingegen das Potential, die Phasenumwandlungs-temperaturen infolge einer diffusionsgesteuerten Änderung der symmetriekonformen Nahordnung signifikant zu erhöhen und damit Co-Ni-Ga auch für die Hochtemperatur-Aktorik zu qualifizieren. Mit den Forschungsbemühungen im Rahmen der vorliegenden Arbeit ist der erstmalige Funktionsnachweis dieser Prozedur unter Zugbeanspruchung gelungen. Die Charakterisierung der Schädigungsentwicklung an Korngrenzen unter pseudoelastischer Verformung und die Identifizierung besonders versagenskritischer Korngrenzanordnungen zeigen letztendlich die Notwendigkeit zu einem gezielten Korngrenzdesign in diesem stark anisotropen Materialsystem auf. Mit dem Strangpressen und dem Laserauftrag-schweißen werden zwei äußerst vielversprechende Prozessrouten etabliert, die ein solch gezieltes Design der Mikrostruktur erlauben, woraus vielkristalline Co-Ni-Ga Strukturen mit teils hervorragenden funktionalen Eigenschaften resultieren.
Heusler-type Co-Ni-Ga high-temperature shape memory alloy (HT-SMA) attracted a lot of scientific attention as a promising candidate material for damping applications at elevated temperatures owing to a fully reversible pseudoelastic stress-strain response up to 500 °C. However, the shape memory performance of the material, i.e. pseudoelasticity as well as pseudoplasticity and shape memory effect, is strongly dependent on microstructural features. In the present study the influence of nanometric precipitates, chemical order and grain boundaries on functional properties was investigated. By use of high resolution optical and electron microscopy as well as neutron diffraction profound insights into elementary microstructural mechanisms and martensitic phase transformation behavior were obtained. This multi-scale material characterization of single crystalline structures and polycrystals allowed to establish a comprehensive understanding of the interrelationships between (process-induced) microstructure, martensitic transformation and functional properties.
The results show that functional properties of Co-Ni-Ga can be adequately tailored for envisaged damping applications using an aging treatment carried out in the austenitic phase. In particular, morphology of nanometric particles (size and shape) has a significant impact on stress hysteresis and cyclic stability of the pseudoelastic effect. Aging of stress-induced martensite, in turn, is suitable to increase the phase transformation temperatures qualifying initially pseudoelastic Co-Ni-Ga for high-temperature solid state actuation. In the present thesis, this recently introduced thermo-mechanical heat treatment procedure promoting a thermal stabilization of the martensitic phase due to a symmetry-conforming adaptation of short-range order during aging is demonstrated in tension for the first time. Finally, damage initiating grain boundary configurations are identified by investigating the structural integrity of specifically selected grain structures under pseudoelastic deformation. In the light of envisaged applications, the results clearly indicate the necessity for grain boundary engineering in polycrystalline structures of this highly anisotropic alloy system. Two novel processing routes, namely hot extrusion and directed energy deposition, are reported allowing for robust processing as well as direct microstructure design in Co-Ni-Ga HT-SMA. Thereby, excellent functional properties are obtained in polycrystals with adequately designed microstructures being able to withstand grain boundary induced deterioration.
The results show that functional properties of Co-Ni-Ga can be adequately tailored for envisaged damping applications using an aging treatment carried out in the austenitic phase. In particular, morphology of nanometric particles (size and shape) has a significant impact on stress hysteresis and cyclic stability of the pseudoelastic effect. Aging of stress-induced martensite, in turn, is suitable to increase the phase transformation temperatures qualifying initially pseudoelastic Co-Ni-Ga for high-temperature solid state actuation. In the present thesis, this recently introduced thermo-mechanical heat treatment procedure promoting a thermal stabilization of the martensitic phase due to a symmetry-conforming adaptation of short-range order during aging is demonstrated in tension for the first time. Finally, damage initiating grain boundary configurations are identified by investigating the structural integrity of specifically selected grain structures under pseudoelastic deformation. In the light of envisaged applications, the results clearly indicate the necessity for grain boundary engineering in polycrystalline structures of this highly anisotropic alloy system. Two novel processing routes, namely hot extrusion and directed energy deposition, are reported allowing for robust processing as well as direct microstructure design in Co-Ni-Ga HT-SMA. Thereby, excellent functional properties are obtained in polycrystals with adequately designed microstructures being able to withstand grain boundary induced deterioration.
Additional Information
Zugleich: Dissertation, Universität Kassel, 2021Druckausgabe
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Citation
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Für das Leistungsvermögen sind letzt-endlich jedoch die mikrostrukturellen Eigenschaftsmerkmale von entscheidender Bedeutung. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von nano-skaligen Ausscheidungsteilchen, chemischer Ordnung und Korngrenzen auf das funktionale Materialverhalten untersucht. Unter Verwendung hochauflösender licht- und elektronen-mikroskopischer Verfahren sowie der Neutronendiffraktometrie wurden tiefgehende Einblicke in grundlegende mikrostrukturelle Mechanismen und das Phasenumwandlungsverhalten gewonnen. Diese skalenübergreifende Charakterisierung, die sowohl an ein- als auch vielkristallinen Strukturen erfolgte, ermöglichte schließlich die Erarbeitung eines umfassenden Verständnisses der komplexen Wechselbeziehungen zwischen der (prozessinduzierten) Mikrostruktur, der martensitischen Phasenumwandlung und dem makroskopischen Materialverhalten. Die Ergebnisse zeigen, dass im Co-Ni-Ga System mit Hilfe einer Auslagerungswärme-behandlung in der austenitischen Hochtemperaturphase die funktionalen Eigenschaften im Hinblick auf die Verwendung als Dämpfungsmaterial maßgeschneidert werden können, wobei die Morphologie nanoskaliger Ausscheidungsteilchen (Form und Größe) einen essentiellen Einfluss auf die Spannungshysterese und die zyklische Stabilität des pseudoelastischen Effekts hat. Eine Wärmebehandlung in der gezielt durch eine mechanische Last eingestellten martensitischen Tieftemperaturphase birgt hingegen das Potential, die Phasenumwandlungs-temperaturen infolge einer diffusionsgesteuerten Änderung der symmetriekonformen Nahordnung signifikant zu erhöhen und damit Co-Ni-Ga auch für die Hochtemperatur-Aktorik zu qualifizieren. Mit den Forschungsbemühungen im Rahmen der vorliegenden Arbeit ist der erstmalige Funktionsnachweis dieser Prozedur unter Zugbeanspruchung gelungen. Die Charakterisierung der Schädigungsentwicklung an Korngrenzen unter pseudoelastischer Verformung und die Identifizierung besonders versagenskritischer Korngrenzanordnungen zeigen letztendlich die Notwendigkeit zu einem gezielten Korngrenzdesign in diesem stark anisotropen Materialsystem auf. Mit dem Strangpressen und dem Laserauftrag-schweißen werden zwei äußerst vielversprechende Prozessrouten etabliert, die ein solch gezieltes Design der Mikrostruktur erlauben, woraus vielkristalline Co-Ni-Ga Strukturen mit teils hervorragenden funktionalen Eigenschaften resultieren. Heusler-type Co-Ni-Ga high-temperature shape memory alloy (HT-SMA) attracted a lot of scientific attention as a promising candidate material for damping applications at elevated temperatures owing to a fully reversible pseudoelastic stress-strain response up to 500 °C. However, the shape memory performance of the material, i.e. pseudoelasticity as well as pseudoplasticity and shape memory effect, is strongly dependent on microstructural features. In the present study the influence of nanometric precipitates, chemical order and grain boundaries on functional properties was investigated. By use of high resolution optical and electron microscopy as well as neutron diffraction profound insights into elementary microstructural mechanisms and martensitic phase transformation behavior were obtained. This multi-scale material characterization of single crystalline structures and polycrystals allowed to establish a comprehensive understanding of the interrelationships between (process-induced) microstructure, martensitic transformation and functional properties. The results show that functional properties of Co-Ni-Ga can be adequately tailored for envisaged damping applications using an aging treatment carried out in the austenitic phase. In particular, morphology of nanometric particles (size and shape) has a significant impact on stress hysteresis and cyclic stability of the pseudoelastic effect. Aging of stress-induced martensite, in turn, is suitable to increase the phase transformation temperatures qualifying initially pseudoelastic Co-Ni-Ga for high-temperature solid state actuation. In the present thesis, this recently introduced thermo-mechanical heat treatment procedure promoting a thermal stabilization of the martensitic phase due to a symmetry-conforming adaptation of short-range order during aging is demonstrated in tension for the first time. Finally, damage initiating grain boundary configurations are identified by investigating the structural integrity of specifically selected grain structures under pseudoelastic deformation. In the light of envisaged applications, the results clearly indicate the necessity for grain boundary engineering in polycrystalline structures of this highly anisotropic alloy system. Two novel processing routes, namely hot extrusion and directed energy deposition, are reported allowing for robust processing as well as direct microstructure design in Co-Ni-Ga HT-SMA. Thereby, excellent functional properties are obtained in polycrystals with adequately designed microstructures being able to withstand grain boundary induced deterioration. open access Lauhoff, Christian 2021-08-16 X, 175 Seiten Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Maschinenbau Niendorf, Thomas (Prof. Dr.) Eggeler, Gunther (Prof. Dr.) Kassel 978-3-7376-0992-0 Stoffeigenschaft Mikrostruktur Hochtemperaturverhalten Memory-Legierung Heuslersche Legierung Gezieltes Design von nanoskaligen Ausscheidungsteilchen, chemischer Ordnung und Korngrenzen publishedVersion Forschungsberichte aus dem Institut für Werkstofftechnik, Metallische Werkstoffe der Universität Kassel Band 35 true 39,00 Forschungsberichte aus dem Institut für Werkstofftechnik - Metallische Werkstoffe Naturwissenschaft, Technik, Informatik, Medizin Dissertation FB 15 / Maschinenbau Softcover 17 x 24 cm true </resource>
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