Zeitabhängige Phänomene in athermischen Formgedächtnislegierungen

Müller, Leonard; Klemradt, Uwe

doi:HT016010060

Zeitabhängige Phänomene in athermischen Formgedächtnislegierungen = Time-dependent phenomena in athermal shape memory alloys

Müller, Leonard

2009

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Leonard Müller

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2009

UmfangXI, 189 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Klemradt, Uwe (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-06-26

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-28830
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51175/files/Mueller_Leonard.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Memory-Effekt (Genormte SW) ; Memory-Legierung (Genormte SW) ; Martensit (Genormte SW) ; Strukturelle Phasenumwandlung (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Röntgen-Photonenkorrelationsspektroskopie (frei) ; martensitisches Altern (frei) ; Inkubationszeit (frei) ; x-ray photon correlation spectroscopy (frei) ; martensitic ageing (frei) ; incubation time (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Drei unterschiedliche Materialsysteme mit schwach diskontinuierlichem martensitischen Phasenübergang, nämlich Ni63Al37, Au50,5Cd49,5 und Au52,5Cd47,5, wurden in Rahmen dieser Arbeit untersucht. Diese Legierungen gelten als Modellsysteme zur Beobachtung von Vorläufereffekten und eignen sich daher besonders zu Messung der hier untersuchten zeitabhängigen Phänomene. Zunächst wurden mittels optischer Reflexion von Laserstrahlung sowohl Inkubationszeiten gemessen als auch die Temperaturstabilität der Umwandlungstemperaturen Ms und As sowie die Stabilität der Hysteresebreite B bestimmt. Alle Messungen wurden in eigens konstruierten Messkammern durchgeführt, welche eine Temperaturstabilität von 2 mK über einen Zeitraum von vielen Stunden bereitstellen und damit die bislang bei vergleichbaren Untersuchungen erreichten Temperaturstabilitäten um mehr als eine Größenordnung verbessern. Durch die zusätzliche Temperaturaufzeichnung während der Messung können daher zufällige Temperaturschwankungen als Auslöser von vermeintlichen Inkubationszeiten ausgeschlossen werden. Bei den vorliegenden Messungen wird in allen Fällen eine deutliche Fluktuation aller betrachteten Größen Ms, As und B beobachtet. Eine statistische Auswertung mittels Fluktuationsanalyse unter Berücksichtigung eines Trends (DFA) liefert bislang nicht bekannte Aussagen über die Art des Fluktuationsverhaltens, wobei antikorrelierte bis stark korrelierte Fluktuationen beobachtet werden. Dabei weist die Ni-Al-Probe insgesamt die schwächsten und die Au25,5Cd47,5-Probe die stärksten Korrelationen auf. Diese Aussagen werden durch die im Vergleich zu vorangehenden Untersuchungen deutlich vergrößerte Anzahl an Messpunkten insbesondere auch bei den Inkubationszeitmessungen an den beiden Gold-Cadmium-Proben möglich. Da erstmals zwischen den einzelnen Inkubationszeitmessungen eine Messung der momentanen Umwandlungstemperatur Ms durchgeführt wird, können die gemessenen Inkubationszeiten auf den vorangehenden Wert von Ms anstatt auf die tatsächlich eingestellte Temperatur bezogen werden. Dadurch verringert sich im Fall von deutlicher Korrelation der Fluktuationen von Ms die Streuung der Daten. Dies zeigt auch qualitativ die Gültigkeit der mit der DFA gewonnenen Aussagen über das Fluktuationsverhalten der Umwandlungstemperaturen. Erstmals wurden Messungen mit kohärenter Röntgenstrahlung, so genannte Röntgen-Photonenkorrelationsspektroskopie, an der Au50,5Cd49,5- Probe durchgeführt, um die Temperaturabhängigkeit vermuteter dynamischer Vorgänge oberhalb der Phasenumwandlungstemperatur Ms zu bestimmen. Die Auswertung dieser Daten mittels DFA bzw. über die Berechnung von Ein- und Zweizeiten-Korrelationsfunktionen zeigt eine extreme Temperaturabhängigkeit der Dynamik, welche sich bei Annäherung an den Phasenübergang beschleunigt. Damit stehen die Beobachtungen im direkten Widerspruch zu der Annahme, dass der in Formgedächtnislegierungen realisierte schwach diskontinuierliche Phasenübergang deutliche Parallelen zu kontinuierlichen Phasenübergängen zeigt. In diesem Fall wäre eine Verlangsamung der Dynamik in Form von „critical slowing down” zu beobachten gewesen. Die Dynamik ist trotz einer Temperaturauflösung von bis zu 0,05K nur bei einigen wenigen Temperaturen in direkter Umgebung von Ms und bei der Phasenumwandlung nachweisbar. Insbesondere ist auffällig, dass trotz der kleinen Temperaturschritte und der langen Wartezeiten zwischen den einzelnen Temperaturänderungen im Widerspruch zur klassischen Theorie athermer martensitischer Phasenumwandlungen Nichtgleichgewichtsdynamik beobachtet wird. Eine genaue Untersuchung dieser Nichtgleichgewichtsdynamik ist allerdings nur für die Temperatur, bei der die schnellste Dynamik gemessen wird, auswertbar, da bei allen anderen Temperaturen statistisches Rauschen aufgrund extremer Zeitkonstanten überwiegt. Das somit beobachtete nicht ergodische Verhalten der Probe zeigt, dass die von Kakeshita entwickelte Theorie zur quantitativen Beschreibung von Inkubationszeiten für dieses Materialsystem nicht anwendbar ist. Das bei allen Proben beobachtete komplexe Verhalten und die subtilen gegenseitigen Implikationen der bei den unterschiedlichen Messungen erzielten Ergebnisse zeigen die Notwendigkeit weiterer Untersuchungen für die Aufklärung der komplexen Umwandlungsmechanismen in Formgedächtnislegierungen.

Three different material systems (Ni63Al37, Au50.5Cd49.5 and Au52.5Cd47.5), each exhibiting a weakly first order martensitic phase transition with shape memory effect, have been studied. These alloys are model alloys for the observation of precursor effects and therefore are particularly suited for measurements of time dependent phenomena. Firstly optical measurements of Laser light reflectivity were conducted in order to measure incubation time as well as the stability of the phase transition temperatures Ms, As and the corresponding hysteresis width B. All measurements were conducted in custom made sample chambers allowing for a temperature stability of 2mK over a timescale of some days. In comparison to similar reported studies this improves the temperature stability available by more than one order of magnitude so that incidental temperature fluctuations can be ruled out as the origin of incubation time phenomena. In all data pronounced fluctuations of all studied values are observed. With a statistical analysis by so called detrended fluctuation analysis (DFA) hitherto unknown behavior of the fluctuations is revealed. Depending on the sample anti-correlated or correlated behavior is observed; in total the Ni-Al sample shows the weakest and the Au52.5Cd47.5 sample shows the strongest correlation in fluctuation behavior. These assertions are possible due to the high number of measurement points compared to previous studies. For the first time measurements of the current value of Ms are carried out in between the incubation time measurements. Therefore the incubation times can be related to these temperature values resulting in a considerable reduction of spread if correlations in the values of MS exist. This shows qualitatively the validity of the results of DFA analysis. To reveal temperature-dependence of suspected dynamic above the MS temperature x-ray photon correlation spectroscopy (XPCS) was applied for the first time to a Au50.5Cd49.5 sample. The data evaluation is done either by DFA or by calculating one- and two-time correlation functions. Surprisingly, a strong acceleration of the dynamics is observed on approaching the phase transition. Therefore these findings contradict the notion, that the weakly first order phase transition of shape memory alloys resemble second order phenomena. In that case "critical slowing down" would have been observable. Despite a temperature resolution of up to 0.05K the dynamic can only be observed at a few temperatures in close vicinity of the phase transition. In particular it has to be stated that despite the long waiting times between temperature changes and in contradiction with classical theory of athermal martensites, non-equilibrium behavior is observed. A thorough investigation of the non-equilibrium dynamics is, however, only possible for a single temperature at which the fastest dynamics is measured. This is because at all other temperatures statistical fluctuations dominate due to extreme time scales. The hence observed non-ergodic behavior shows that the model of Kakeshita to describe incubation time is not suitable for the Au50.5Cd49.5 material system. The observed komplex behavior and subtle mutual implications of the different observations show the necessity of further studies of the intricate transformation mechanism.

Fulltext:
PDF