Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2002.

Ovako Sweden AB i Hällefors har vid seghärdning av stål problem med sprickor. Studier visar på att tillsatser av polymer i kylvattnet ger ett långsammare och jämnare kylförlopp, vilket minskar risken för sprickor. För att fastställa vilken mängd polymer som är lämplig att tillsätta i kylvattnet vid härdning av deras låglegerade segment av seghärdat stål, så har undersökningar utförs på två stålsorter. Skillnaden i härdresultat mellan de olika testade koncentrationsnivåerna var små, men vid högre polymerkoncentration så fördelades hårdheten något jämnare genom hela tvärsnittet. / Ovako Sweden AB have problems with cracks during the process of hardening of steel. Studies show that the additives of polymer in the cooling water gives a slower and more even cooling process, which reduce the risk of crack onset. To decide the amount of polymer that is suitable to put in the cooling water at the hardening of their low-alloy steel segment of quenched and tempered steel, so studies have been conducted on two types of steel. The difference in hardening results between different tested concentration levels were small, but at higher polymer concentration the hardness was distributed slightly more evenly throughout the cross section.

Magnetische Formgedächtnislegierungen sind Festkörper, die eine Phasenumwandlung erster Ordnung von einer hochsymmetrischen Phase (Austenit) zu einer niedersymmetrischen Phase (Martensit) durchlaufen. Dies kann in der Nähe von Raumtemperatur stattfinden und sowohl durch Temperaturänderung, als auch durch äußere Magnetfelder, mechanische Spannungen oder hydrostatischen Druck induziert werden. Daraus ergeben sich funktionale Eigenschaften, wie der magnetokalorische und der elastokalorische Effekt, eine magnetfeldinduzierte Dehnung und ein großer Magnetowiderstand. Zwillingsgrenzen im Martensit können durch äußere Magnetfelder bewegt werden, was zu großen reversiblen Längenänderungen führt. Der Ablauf der Phasenumwandlung und das Gefüge des Martensits werden dabei durch die elastischen Randbedingungen an der Phasengrenze bestimmt. In dieser Arbeit werden deshalb die Nukleation und das Wachstum des Martensits untersucht. Als Modellsystem werden epitaktische Schichten der Heuslerlegierung Ni-Mn-Ga verwendet. In der martensitischen Phase weist diese Legierung eine modulierte Kristallstruktur auf, die im Konzept des adaptiven Martensits durch eine Verzwillingung auf der atomaren Skala interpretiert werden kann. Im ersten Teil wird mit Röntgenbeugung die modulierte Struktur untersucht. Die Intensität der Überstrukturreflexe wird mit einer kinematischen Beugungssimulation verglichen. Dabei wird nachgewiesen, dass es sich um ein nanoverzwillingtes Gefüge mit einer hohen Dichte an Stapelfehlern handelt. Im zweiten Teil wird das martensitische Gefüge mit Elektronenbeugung im Rasterelektronenmikroskop und Texturmessungen durch Röntgenbeugung untersucht. Das martensitische Gefüge kann im Rahmen der phänomenologischen Martensittheorie quantitativ erklärt werden. Daraus ergibt sich ein geometrisches Modell des martensitischen Nukleus und seiner Wachstumsstadien. Die Phasenumwandlung wird temperaturabhängig im Elektronen- und im Atomkraftmikroskop untersucht und mit dem geometrischen Modell verglichen. Die begrenzte Gültigkeit des geometrischen Modells an makroskopischen Zwillingsgrenzen und an der Grenzfläche zum Schichtsubstrat werden diskutiert. Schließlich kann die Bildung des gesamten hierarchischen Zwillingsgefüges erklärt werden. Im dritten Teil wird die Energiebarriere der Nukleation untersucht. Da die Umwandlung bei konstanter Temperatur abläuft, wird geschlussfolgert, dass Autonukleationsprozesse zu einer starken Verringerung der Nukleationsbarrieren führen. Schließlich wird gezeigt, dass durch Nanoindentation die Nukleation gezielt beeinflusst werden kann. / Magnetic shape memory alloys are solids that undergo a first order phase transition from a high symmetry phase (austenite) into a low symmetry phase (martensite). This can happen close to room temperature and can be induced by changes of temperature, external magnetic fields, mechanical stresses or hydrostatic pressure. This leads to functional properties like the magnetocaloric and elastocaloric effect, a magnetic-field-induced strain and giant magnetoresistance. Twin boundaries in the martensite can be moved by external magnetic fields, which leads to giant reversible length changes. The process of the phase transition and the microstructure of martensite are determined by the elastic boundary conditions at the phase interface. In this work, nucleation and growth of the martensite are studied. Epitaxial films of the Heusler alloy Ni-Mn-Ga are used as a model system. This alloy exhibits a modulated crystal structure which is interpreted as twinning on the atomic scale in the framework of adaptive martensite. In the first part, the modulated structure is studied by X-ray diffraction. The intensity of the superstructure is compared to a kinematic diffraction simulation and it is shown that it is a nanotwinned microstructure with a high density of stacking faults. In the seond part, the martensitic microstructure is studied by electron diffraction in the scanning electron microscope and by texture measurements using X-ray diffraction. The martensitic microstructure can be explained quantitatively in the framework of the phenomenological theory of martensite. This leads to a geometrical model of the martensitic nucleus and its growth stages. The phase transformation is studied as a function of temperature in the scanning electron microscope and atomic force microscope and is compared to the geometric model. The limits of the geometrical model at macroscopic twin boundaries and at interfaces to the substrate are discussed. Finally, the formation of the entire twin microstructure can be explained. In the third part, the energy barrier of nucleation is studied. The transformation is isothermal which leads to the conclusion that autonucleation processes decrease the nucleation barrier significantly. Finally, the influence of nanoindentation on the nucleation is shown.

Magnetische Formgedächtnislegierungen sind Festkörper, die eine Phasenumwandlung erster Ordnung von einer hochsymmetrischen Phase (Austenit) zu einer niedersymmetrischen Phase (Martensit) durchlaufen. Dies kann in der Nähe von Raumtemperatur stattfinden und sowohl durch Temperaturänderung, als auch durch äußere Magnetfelder, mechanische Spannungen oder hydrostatischen Druck induziert werden. Daraus ergeben sich funktionale Eigenschaften, wie der magnetokalorische und der elastokalorische Effekt, eine magnetfeldinduzierte Dehnung und ein großer Magnetowiderstand. Zwillingsgrenzen im Martensit können durch äußere Magnetfelder bewegt werden, was zu großen reversiblen Längenänderungen führt. Der Ablauf der Phasenumwandlung und das Gefüge des Martensits werden dabei durch die elastischen Randbedingungen an der Phasengrenze bestimmt. In dieser Arbeit werden deshalb die Nukleation und das Wachstum des Martensits untersucht. Als Modellsystem werden epitaktische Schichten der Heuslerlegierung Ni-Mn-Ga verwendet. In der martensitischen Phase weist diese Legierung eine modulierte Kristallstruktur auf, die im Konzept des adaptiven Martensits durch eine Verzwillingung auf der atomaren Skala interpretiert werden kann. Im ersten Teil wird mit Röntgenbeugung die modulierte Struktur untersucht. Die Intensität der Überstrukturreflexe wird mit einer kinematischen Beugungssimulation verglichen. Dabei wird nachgewiesen, dass es sich um ein nanoverzwillingtes Gefüge mit einer hohen Dichte an Stapelfehlern handelt. Im zweiten Teil wird das martensitische Gefüge mit Elektronenbeugung im Rasterelektronenmikroskop und Texturmessungen durch Röntgenbeugung untersucht. Das martensitische Gefüge kann im Rahmen der phänomenologischen Martensittheorie quantitativ erklärt werden. Daraus ergibt sich ein geometrisches Modell des martensitischen Nukleus und seiner Wachstumsstadien. Die Phasenumwandlung wird temperaturabhängig im Elektronen- und im Atomkraftmikroskop untersucht und mit dem geometrischen Modell verglichen. Die begrenzte Gültigkeit des geometrischen Modells an makroskopischen Zwillingsgrenzen und an der Grenzfläche zum Schichtsubstrat werden diskutiert. Schließlich kann die Bildung des gesamten hierarchischen Zwillingsgefüges erklärt werden. Im dritten Teil wird die Energiebarriere der Nukleation untersucht. Da die Umwandlung bei konstanter Temperatur abläuft, wird geschlussfolgert, dass Autonukleationsprozesse zu einer starken Verringerung der Nukleationsbarrieren führen. Schließlich wird gezeigt, dass durch Nanoindentation die Nukleation gezielt beeinflusst werden kann. / Magnetic shape memory alloys are solids that undergo a first order phase transition from a high symmetry phase (austenite) into a low symmetry phase (martensite). This can happen close to room temperature and can be induced by changes of temperature, external magnetic fields, mechanical stresses or hydrostatic pressure. This leads to functional properties like the magnetocaloric and elastocaloric effect, a magnetic-field-induced strain and giant magnetoresistance. Twin boundaries in the martensite can be moved by external magnetic fields, which leads to giant reversible length changes. The process of the phase transition and the microstructure of martensite are determined by the elastic boundary conditions at the phase interface. In this work, nucleation and growth of the martensite are studied. Epitaxial films of the Heusler alloy Ni-Mn-Ga are used as a model system. This alloy exhibits a modulated crystal structure which is interpreted as twinning on the atomic scale in the framework of adaptive martensite. In the first part, the modulated structure is studied by X-ray diffraction. The intensity of the superstructure is compared to a kinematic diffraction simulation and it is shown that it is a nanotwinned microstructure with a high density of stacking faults. In the seond part, the martensitic microstructure is studied by electron diffraction in the scanning electron microscope and by texture measurements using X-ray diffraction. The martensitic microstructure can be explained quantitatively in the framework of the phenomenological theory of martensite. This leads to a geometrical model of the martensitic nucleus and its growth stages. The phase transformation is studied as a function of temperature in the scanning electron microscope and atomic force microscope and is compared to the geometric model. The limits of the geometrical model at macroscopic twin boundaries and at interfaces to the substrate are discussed. Finally, the formation of the entire twin microstructure can be explained. In the third part, the energy barrier of nucleation is studied. The transformation is isothermal which leads to the conclusion that autonucleation processes decrease the nucleation barrier significantly. Finally, the influence of nanoindentation on the nucleation is shown.

Die vorliegende Dissertation konzentriert sich auf die Untersuchung und Entwicklung hochfester Grobblechstähle mit erhöhtem Gehalt an der MA-Phase (Martensit-Austenit Phase). Dabei wurden Bildungsmechanismen der Mikrostruktur und insbesondere der MA-Phase in Abhängigkeit von der Walztechnologie an vier mikrolegierten Grobblechstählen untersucht. Zu diesem Zweck erfolgten zahlreihe Untersuchungen an verschiedenen Prüf- und Simulationsanlagen zur Charakterisierung des Werkstoffverhaltens sowie zur physikalischen Simulation der Grobblechherstellung mit der Anwendung von bekannten und neu entwickelten Wärmebehandlungstechnologien. Abschließend wurden mehrere Serien von Laborwalzversuchen auf einer Warmwalzpilotanlage durchgeführt, um die gewonnenen Erkenntnisse zu evaluieren, sowie die für Pipelinestähle relevanten mechanischen Eigenschaften zu ermitteln. Somit erstreckt sich die Arbeit über die gesamte Produktionskette zur Erzeugung der Grobblechstähle mit MA-Phase und beschreibt hierfür geeignete Herstellungsbedingungen, die in Betriebsanlagen leicht realisierbar sind.

De ökande kraven på kvalité från kunder och ett allt strängare regelverk från myndigheter gällande miljön, har lett till att Ovako Sweden AB Hällefors har planer på att introducera polymer (Aquatensid) som nytt kylmedel i sin Induktionshärdningslinje. Detta för att minska risken för sprickbildning i materialet till följd av för stora spänningar, samtidigt som vattnet byts ut mot ett resultatmässigt bättre alternativ. Tidigare studier med lovande resultat har utförts inom området och detta arbete inriktar sig på att finna en balanserad koncentrationshalt av polymer i blandning med vatten som kan passa för hela Ovakos seghärdade sortiment.Tester har skett på två av de vanligaste stålsorterna (Ovako 356 och Ovako 495) dessa har gemensamt att de är relativt höglegerade stål i Ovakos sortiment. Stålsorterna har härdats i en kammarugn vid höga temperaturer och sedan kylts under omröring i ett bad av vattenblandad polymer vid varierande koncentrationer. Noggrann fysikalisk provning innefattande hårdhetsprofiler i Vickers, mikroskopering i ljusmikroskop och Svepelektronmikroskop (SEM). Detta för att se om eventuella skillnader i strukturen uppkommit, som kan ge tendenser till sprickuppkomst och försämrad härdbarhet. Resultaten av testerna visar att för stålsort 495B kan jämna hårdhetsintervall uppnås över de olika koncentrationerna, men att man får en större variation då man kyler 356D.

Magnetische Formgedächtnsilegierungen haben die besondere Fähigkeit, sich im äußeren Magnetfeld zu verformen. Dies geschieht aufgrund von Zwillingsgrenzenbewegung in der martensitischen Tieftemperaturphase. Da der Effekt bislang an Einkristallen untersucht wurde, ist es das Ziel dieser Arbeit, den Effekt an polykristallinen Proben nachzuweisen. Dafür wurden Proben nach dem Prinzip der gerichteten Erstarrung präpariert. Deren Kristallstruktur wurde durch geeignete Zusammensetzung und Wärmebehandlung einphasig eingestellt. Mechanisches Training und weitere Wärmebehandlungen ermöglichten schließlich die Demonstration der magnetischen Dehnung von ca. 1 % an polykristallinen Proben. Durch zusätzliche Einkopplung akustischer Wellen konnte die Dehnung auf 2,2 % gesteigert werden.

Ni-Mn-Ga alloys close to the stoichiometric composition Ni2MnGa belong to the quite new family of ferromagnetic shape memory alloys. These alloys are characterized by the magnetic field induced strain (MFIS) based on the comparably easy motion of twin boundaries under a magnetic field. They are mostly chosen as a potential candidate for practical application especially promising for actuators and sensors because they are showing the largest MFIS so far. Depending on the chemical composition and heat treatment, at least three martensitic structures can be distinguished in the Ni-Mn-Ga system. However, the effect mentioned above only exists in two modulated structures. Since for the intended application of MFIS in technology polycrystalline materials seem to be more appropriate in contrast to single crystals, the specific polycrystalline aspects are considered. Factors important for decreasing the twinning stress and increasing the twinning strain of polycrystalline Ni-Mn-Ga alloys are texturing, adjusting the structure by annealing and training by thermomechanical treatments. To achieve pronounced MFIS in polycrystals, fabrication processes are needed to produce specific strong textures. The material texturing has been obtained by directional solidification and plastic deformation by hot rolling and hot extrusion as well as high pressure torsion (HPT). To examine the texture of coarse-grained Ni-Mn-Ga alloys (due to a solidification process or dynamic recrystallization), diffraction of synchrotron radiation and neutrons was applied. The texture results show that the texture of Ni-Mn-Ga subjected to directional solidification, hot rolling and hot extrusion is a fibre or weak biaxial texture. However, local synchrotron measurements reveal that the global fibre texture of the hot extruded sample is a ”cyclic” fibre texture, i.e. it is composed of components related to the radial direction rotating around the extrusion axis. This allows finding regions with a strong texture component. The texture after HPT is characterized by a strong cube with the cube favourably oriented. The initial microstructure of the Ni-Mn-Ga alloys is a typical self-accommodated microstructure of martensite. High resolution EBSD mappings show macro, micro twins and two types of microstructure. The twin plane is determined to be {110). In a typical martensitic transformation the high-temperature phase has a higher crystallographic symmetry than the low-temperature phase. Consequently, austenite may transform to several martensitic variants, the number of which depends on the change of symmetry during transformation. Generally, in a cubic-to-tetragonal transformation (5M case) three variants can form with the c-axis oriented close to the three main cubic axes of austenite. However, close examination of the high resolution EBSD mapping reveals that more than just three orientations, as expected from the Bain model, exist in Ni50Mn29Ga21. Each of three Bain variants may be split in some twin relations in different regions of the sample which differ from each other by about few degrees creating a much higher number of variants. The training process, as the last step in the preparation procedure of Ni-Mn-Ga alloys, consists of multi-axis compression finally leading to a single-variant state. Compression of polycrystalline samples leads to motion of those twin boundaries changing the volume fraction of particular martensitic variants in such a way that the shortest axis (c-axis) becomes preferentially aligned parallel to the compression axis. It allows reducing the twinning stress and maximizing the twinning strain. To understand the training process in more detail, the interaction of the twin variants with the neighbourhood of parent austenite grains was investigated.

Ni-Mn-Ga alloys close to the stoichiometric composition Ni2MnGa belong to the quite new family of ferromagnetic shape memory alloys. These alloys are characterized by the magnetic field induced strain (MFIS) based on the comparably easy motion of twin boundaries under a magnetic field. They are mostly chosen as a potential candidate for practical application especially promising for actuators and sensors because they are showing the largest MFIS so far. Depending on the chemical composition and heat treatment, at least three martensitic structures can be distinguished in the Ni-Mn-Ga system. However, the effect mentioned above only exists in two modulated structures. Since for the intended application of MFIS in technology polycrystalline materials seem to be more appropriate in contrast to single crystals, the specific polycrystalline aspects are considered. Factors important for decreasing the twinning stress and increasing the twinning strain of polycrystalline Ni-Mn-Ga alloys are texturing, adjusting the structure by annealing and training by thermomechanical treatments. To achieve pronounced MFIS in polycrystals, fabrication processes are needed to produce specific strong textures. The material texturing has been obtained by directional solidification and plastic deformation by hot rolling and hot extrusion as well as high pressure torsion (HPT). To examine the texture of coarse-grained Ni-Mn-Ga alloys (due to a solidification process or dynamic recrystallization), diffraction of synchrotron radiation and neutrons was applied. The texture results show that the texture of Ni-Mn-Ga subjected to directional solidification, hot rolling and hot extrusion is a fibre or weak biaxial texture. However, local synchrotron measurements reveal that the global fibre texture of the hot extruded sample is a ”cyclic” fibre texture, i.e. it is composed of components related to the radial direction rotating around the extrusion axis. This allows finding regions with a strong texture component. The texture after HPT is characterized by a strong cube with the cube favourably oriented. The initial microstructure of the Ni-Mn-Ga alloys is a typical self-accommodated microstructure of martensite. High resolution EBSD mappings show macro, micro twins and two types of microstructure. The twin plane is determined to be {110). In a typical martensitic transformation the high-temperature phase has a higher crystallographic symmetry than the low-temperature phase. Consequently, austenite may transform to several martensitic variants, the number of which depends on the change of symmetry during transformation. Generally, in a cubic-to-tetragonal transformation (5M case) three variants can form with the c-axis oriented close to the three main cubic axes of austenite. However, close examination of the high resolution EBSD mapping reveals that more than just three orientations, as expected from the Bain model, exist in Ni50Mn29Ga21. Each of three Bain variants may be split in some twin relations in different regions of the sample which differ from each other by about few degrees creating a much higher number of variants. The training process, as the last step in the preparation procedure of Ni-Mn-Ga alloys, consists of multi-axis compression finally leading to a single-variant state. Compression of polycrystalline samples leads to motion of those twin boundaries changing the volume fraction of particular martensitic variants in such a way that the shortest axis (c-axis) becomes preferentially aligned parallel to the compression axis. It allows reducing the twinning stress and maximizing the twinning strain. To understand the training process in more detail, the interaction of the twin variants with the neighbourhood of parent austenite grains was investigated.

Magnetische Formgedächtnsilegierungen haben die besondere Fähigkeit, sich im äußeren Magnetfeld zu verformen. Dies geschieht aufgrund von Zwillingsgrenzenbewegung in der martensitischen Tieftemperaturphase. Da der Effekt bislang an Einkristallen untersucht wurde, ist es das Ziel dieser Arbeit, den Effekt an polykristallinen Proben nachzuweisen. Dafür wurden Proben nach dem Prinzip der gerichteten Erstarrung präpariert. Deren Kristallstruktur wurde durch geeignete Zusammensetzung und Wärmebehandlung einphasig eingestellt. Mechanisches Training und weitere Wärmebehandlungen ermöglichten schließlich die Demonstration der magnetischen Dehnung von ca. 1 % an polykristallinen Proben. Durch zusätzliche Einkopplung akustischer Wellen konnte die Dehnung auf 2,2 % gesteigert werden.