[論文レビュー] Thermally induced changes of structure in Ni$_{50}$Mn$_{25+x}$Ga$_{25-x}$ magnetic shape memory single crystals with very low twinning stress

Ladislav Straka, Jan Drahokoupil+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2014

Shape Memory Alloy TransformationsMaterials Science参考文献 41被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、非常に低いミラー応力を示すNi50Mn25+xGa25−x磁性形状記憶単結晶における熱的誘発構造変化を、173 K から 343 K の範囲で、in situ X線回折を用いて格子定数の変化を追跡することで調査した。主な発見は、タイプ2ミラーのミラー応力が、単斜晶角γとc/a比と強く相関しているが、a−b差とは相関していないことである。これは、格子歪み、特に単斜晶歪みとせん断が低ミラー応力の支配的要因であることを示し、a/b層構造は顕著な役割を果たさないことを示している。

ABSTRACT

In search for the origins of the extraordinary low twinning stress of Ni-Mn-Ga magnetic shape memory alloys we studied the thermally induced changes of structure in Ni$_{50}$Mn$_{25+x}$Ga$_{25-x}$ ($x$=2.7--3.9) single crystal samples and compared them with twinning stress dependences. The alloys exhibited transformation to five-layered (10M) martensite structure between 297 to 328 K. All samples exhibited magnetic shape memory effect. Just below the transformation temperature the samples had very low twinning stress of about 0.1--0.3 MPa, which increased with decreasing temperature. The structural changes were monitored using X-ray diffraction in the temperature range 173--343 K. The 10M structure was approximated by monoclinic lattice with the unit cell derived from the cubic unit cell of the parent L2$_{1}$ phase. With decreasing temperature, the lattice parameters $a$ and $γ$ increased, $c$ decreased, while $b$ was nearly constant. For $x\leq3.5$, sudden sharp changes in $a$ and $b$ parameters additionally occurred, resulting in $a=b$ in some regions of the phase diagram, which might be related to the refinement of twin structure of 10M martensite on nanoscale. The temperature dependences of lattice parameter $γ$ (and $c$ or $c/a$) correlate well with the temperature dependences of twinning stress in agreement with the prediction by a microstructural model of twin boundary motion. On the contrary, there is no correlation between $(a-b)$ and twinning stress. This indicates no significant role of $a/b$ twins or laminate in twin boundary motion mechanism and low twinning stress.

研究の動機と目的

• 10M Ni-Mn-Ga磁性形状記憶合金における極めて低いミラー応力の起源を理解すること。
• 格子定数の温度依存的構造的変化がミラー応力に与える影響を調査すること。
• 格子定数a, b, c, およびγが、タイプ1およびタイプ2ミラー境界におけるミラー応力と相関するかどうかを特定すること。
• 10M ↔ 14M ↔ NM間のインターマルテンサイト相転移とナノスケールミラー構造の微細化が、ミラー応力挙動に与える影響を評価すること。
• 格子歪みとミラー境界移動の関係を示す微視的構造モデルの予測を検証すること。

提案手法

• 173–343 Kの温度範囲で、Ni50Mn25+xGa25−x単結晶の格子定数a, b, cおよび単斜晶角γを、in situ X線回折を用いて測定した。
• 10Mマルテンサイト構造を単斜晶としてモデル化し、立方晶L21母相から導出された単位格子を用いた。
• ミラー応力を測定し、温度依存的格子定数と照らし合わせて微視的構造モデルを検証した。
• x = 2.7–3.9の合金を比較することで、格子挙動およびミラー応力における組成的・構造的傾向を同定した。
• 格子定数の急激な変化を分析し、インターマルテンサイト相転移およびナノスケール構造の微細化を検出した。
• 統計的比較により、ミラー応力とγ, c/a, および(a−b)の相関を評価し、ミラー境界移動に与える影響を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タイプ2ミラーにおいて、単斜晶角γはミラー応力の温度依存的変化と相関するか？
• RQ2 タイプ1またはタイプ2ミラーにおいて、a−b格子定数差とミラー応力との間に有意な相関があるか？
• RQ3 格子定数cおよびc/a比の変化は、温度低下に伴うミラー応力の変化とどのように関係するか？
• RQ4 ある臨界温度以下でミラー応力が急激に上昇する原因は何か。これは格子定数の異常または相転移核の生成と関連しているか？
• RQ5 10Mマルテンサイトミラー構造のナノスケール微細化（小さな格子定数変化を示す）が、ミラー応力にどの程度影響を及えるか？

主な発見

• 温度が低下するに従い、すべての試料で格子定数aおよびγが増加し、cは減少し、bはほぼ一定であった。
• x ≤ 3.5の範囲では、aおよびb定数に急激で鋭い変化が観察され、一部の領域でa = bとなった。これはナノスケールミラー構造の微細化を示唆している。
• γおよびc/a比の温度依存的挙動は、ミラー応力と強く相関しており、ミラー境界移動の制御要因としてのその役割を支持する。
• ミラー応力と(a−b)パラメータとの間に顕著な相関は認められず、a/b層構造は低ミラー応力に大きな役割を果たさないことが示された。
• 約T0未満でミラー応力が上昇する現象は、格子定数の変化とは一貫して関連しておらず、14M相の核生成が最も可能性の高い原因であると示唆された。
• 結果は、単斜晶歪み（γ）およびせん断（c/a）が、タイプ2ミラーにおける極めて低いミラー応力の実現に重要な要因であるという微視的構造モデルを支持している。