[논문 리뷰] 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 Drahokoupil외 5명|arXiv (Cornell University)|2014. 11. 06.

Shape Memory Alloy TransformationsMaterials Science참고 문헌 41인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 매우 낮은 편태화 응력을 가지는 Ni50Mn25+xGa25−x 자성 형태 기억 단일결정에서 열적 자극에 의한 구조 변화를 연구하였으며, 173 K에서 343 K까지의 온도 범위에서 실시간 X선 회절을 사용하여 격자 상수의 변화를 추적하였다. 주요 발견은 Type 2 편태화에서 편태화 응력이 단순히 단순한 각도 γ와 c/a 비율과 강하게 상관되며, a−b 차이와는 상관되지 않음을 보여주어, 격자 비틀림, 특히 단순한 비틀림과 비틀림 변형이 낮은 편태화 응력을 지배하는 반면, a/b 층상 구조는 유의미한 역할을 하지 않는다는 것을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초기적으로 매우 낮은 편태화 응력이 발생하는 10M Ni-Mn-Ga 자성 형태 기억 합금의 기원을 이해하기 위해.
• 격자 상수의 온도 의존적 변화가 편태화 응력에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 격자 상수 a, b, c 및 γ가 Type 1 및 Type 2 편태화 경계에서 편태화 응력과 상관되는지 확인하기 위해.
• 10M ↔ 14M ↔ NM 간의 상변화 및 나노스케일 편태화 구조 정련이 편태화 응력 거동에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 격자 비틀림이 편태화 경계 이동과 연결된 미세구조 모델의 예측을 검증하기 위해.

제안 방법

• 실시간 X선 회절을 사용하여 Ni50Mn25+xGa25−x 단일결정에서 173–343 K 범위의 격자 상수 a, b, c 및 단순한 각도 γ를 측정하였다.
• 10M 마르텐사이트 구조는 단순한 비틀림으로 모델링되었으며, 단위세포는 입방 L21 어머니 상에서 유도되었다.
• 편태화 응력을 측정하고 온도 의존적 격자 상수와의 상관관계를 통해 미세구조 모델을 검증하였다.
• x = 2.7–3.9 범위의 합금을 비교하여 격자 행동 및 편태화 응력에서의 조성 및 구조적 경향을 규명하였다.
• 격자 상수의 급격한 변화를 분석하여 상간 전이 및 나노스케일 구조 정련을 탐지하였다.
• 편태화 응력과 γ, c/a, (a−b) 간의 통계적 비교를 수행하여 각 요소가 편태화 경계 이동에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Type 2 편태화에서 단순한 각도 γ가 편태화 응력의 온도 의존성과 상관되는가?
• RQ2 Type 1 또는 Type 2 편태화에서 a−b 격자 상수 차이와 편태화 응력 간에 유의미한 상관관계가 있는가?
• RQ3 격자 상수 c 및 c/a 비율의 변화가 온도 감소에 따라 편태화 응력 변화와 어떻게 관련되는가?
• RQ4 일정 온도 이하에서 편태화 응력이 급격히 증가하는 원인은 무엇이며, 이는 격자 상수 이상 현상 또는 상변화 핵의 형성과 관련이 있는가?
• RQ5 10M 마르텐사이트 편태화 구조의 나노스케일 정련(작은 격자 상수 변화로 나타남)이 편태화 응력에 어느 정도 기여하는가?

주요 결과

• 온도가 감소함에 따라 모든 샘플에서 격자 상수 a와 γ는 증가하고, c는 감소하며, b는 거의 일정하게 유지되었다.
• x ≤ 3.5일 경우, a 및 b 상수에서 급격하고 날카로운 변화가 발생하여 일부 영역에서 a = b가 되었으며, 이는 나노스케일 편태화 구조 정련을 시사한다.
• γ와 c/a 비율의 온도 의존성이 편태화 응력과 강하게 상관되었으며, 이는 이들이 편태화 경계 이동 제어에 기여한다는 것을 지지한다.
• 편태화 응력과 (a−b) 상수 간에 유의미한 상관관계는 발견되지 않아, a/b 층상 구조는 낮은 편태화 응력에 있어 주요 역할을 하지 않는다는 것을 시사한다.
• 약 T0 이하에서 편태화 응력의 급격한 상승은 격자 상수 변화와 일관되게 연관되지 않았으며, 이는 14M 상의 핵 형성이 가장 가능성 있는 원인임을 시사한다.
• 결과는 단순한 비틀림 변형(γ)과 비틀림(비율 c/a)이 Type 2 편태화에서 매우 낮은 편태화 응력을 가능하게 하는 핵심 요소임을 지지하는 미세구조 모델을 뒷받침한다.