Magnetic shape memory (MSM) materials are a new class of smart materials which exhibit shape deformation under the influence of an external magnetic field. They are interesting for various types of applications, including actuators, displacement/force sensors, and motion dampers. Due to the huge strain and the magnetic field-driven nature, MSM materials show definite advantages over other smart materials, e.g. conventional thermal shape memory materials, in terms of displacement and speed. The principle behind the magnetic field induced strain (MFIS) is the strong coupling between magnetization and lattice structure. The investigation of both static and dynamic magnetic domain structures in MSM materials is a key step in optimizing the properties for future possible devices. In this work, optical polarization microscopy is applied to investigate the twin boundary and magnetic domain wall motion in bulk NiMnGa single crystals. Surface magnetic domain patterns on adjacent sides of bulk crystals are revealed for the first time providing comprehensive information about the domain arrangement inside the bulk and at the twin boundary. The tilting of the easy axis with respect to the sample surface determines the preferable domain size and leads to spike domain formation on the surface. Out-of-plane surface domains extend into the bulk within a single variant, while a twin boundary mirrors the domain pattern from adjacent variants. Furthermore, magnetic domain evolution during twin boundary motion is observed. The partial absence of domain wall motion throughout the process contradicts currently proposed models. The magnetic state alternates along a moving twin boundary. With the abrupt nucleation of the second variant this leads to the formation of sections of magnetically highly charged head-on domain structures at the twin boundaries. On the other hand, a dynamic actuation experimental setup, which is capable to provide high magnetic fields in a wide range of frequency, was developed in the course of this study. The observation of reversible twin boundary motion up to 600 Hz exhibits the dependence of strain, hysteresis, and twin boundary velocity on the actuation speed. MFIS increases with frequency, while the onset field is similar in all observed cases. Twin boundary mobility enhancement by fast twin boundary motion is proposed to explain the increase in MFIS. The twin boundary velocity is shown to be inversely proportional to the twin boundary density. No limit of twin boundary velocity is observed in the investigated frequency range.

Magnetic shape memory (MSM) materials are a new class of smart materials which exhibit shape deformation under the influence of an external magnetic field. They are interesting for various types of applications, including actuators, displacement/force sensors, and motion dampers. Due to the huge strain and the magnetic field-driven nature, MSM materials show definite advantages over other smart materials, e.g. conventional thermal shape memory materials, in terms of displacement and speed. The principle behind the magnetic field induced strain (MFIS) is the strong coupling between magnetization and lattice structure. The investigation of both static and dynamic magnetic domain structures in MSM materials is a key step in optimizing the properties for future possible devices. In this work, optical polarization microscopy is applied to investigate the twin boundary and magnetic domain wall motion in bulk NiMnGa single crystals. Surface magnetic domain patterns on adjacent sides of bulk crystals are revealed for the first time providing comprehensive information about the domain arrangement inside the bulk and at the twin boundary. The tilting of the easy axis with respect to the sample surface determines the preferable domain size and leads to spike domain formation on the surface. Out-of-plane surface domains extend into the bulk within a single variant, while a twin boundary mirrors the domain pattern from adjacent variants. Furthermore, magnetic domain evolution during twin boundary motion is observed. The partial absence of domain wall motion throughout the process contradicts currently proposed models. The magnetic state alternates along a moving twin boundary. With the abrupt nucleation of the second variant this leads to the formation of sections of magnetically highly charged head-on domain structures at the twin boundaries. On the other hand, a dynamic actuation experimental setup, which is capable to provide high magnetic fields in a wide range of frequency, was developed in the course of this study. The observation of reversible twin boundary motion up to 600 Hz exhibits the dependence of strain, hysteresis, and twin boundary velocity on the actuation speed. MFIS increases with frequency, while the onset field is similar in all observed cases. Twin boundary mobility enhancement by fast twin boundary motion is proposed to explain the increase in MFIS. The twin boundary velocity is shown to be inversely proportional to the twin boundary density. No limit of twin boundary velocity is observed in the investigated frequency range.

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 Geschichte der magnetischen Formgedächtnislegierungen (MFGL) ist im Kontext der Materialwissenschaften noch recht jung. In den letzten 30 Jahren sind dabei viele Erkenntnisse in der Forschung gewonnen worden. Der industrielle Durchbruch wiederum ist mit diesem Material noch nicht gelungen. Die existierenden Publikationen zur Auslegung von magnetischen Formgedächtnis- (MFG)-Aktoren sind in dieser Arbeit daher aufbereitet und systematisiert worden. Dabei stellt insbesondere die thermische Auslegung eine Wissenslücke dar, die entsprechende Grundlagenuntersuchungen erfordert. Aufbauend auf dieser Wissensbasis ist eine spezifische Entwurfsmethodik für MFGL entwickelt worden. Die Dimensionierung erfolgt zunächst mit analytischen Gleichungen, um eine zeit- und kosteneffiziente Vorgehensweise für Entwicklungsingenieure zu gewährleisten. Finite-Elemente-Methode-(FEM)-Software wird erst im zweiten Schritt zur Prüfung oder Optimierung eingesetzt. Außerdem kann mittels dieser Methodik auf unwirtschaftliche Iterationsschleifen und „trial and error“-Ansätze verzichtet werden. Abschließend ist die Methodik anhand eines Anwendungsszenarios verifiziert worden. Die abgeleiteten Anforderungen konnten dabei ohne Nachbesserungen oder weitere Iterationsschleifen erfüllt werden, so dass die Methodik eine strukturierte und erfolgreiche Entwicklung unterstützt hat.:1 Einleitung 2 Stand der Wissenschaft und Technik 3 Grundlagenuntersuchungen 4 Entwurfsmethodik für MFG-Aktoren 5 Zusammenfassung und Ausblick

Magnetische Formgedächtnislegierungen (MSM-Legierungen) weisen im Vergleich zu anderen Festkörperwandlern und konventionellen elektromagnetischen Wandlerprinzipien unikale Kopplungseigenschaften auf. Dies motiviert ihre Anwendung in kompakten und schnellschaltenden Antrieben. Aufgrund der Kompliziertheit ihres Kopplungsverhaltens ist jedoch ein modellbasierter Entwurf unumgänglich. Die vorliegende Arbeit widmet sich der Beschreibung einer Unterklasse von MSM-Antrieben mit eisenbehafteten Magnetkreisen und engen Luftspalten durch eine Kombination von Messung und Modell. Ziel ist dabei die Beantwortung anwendungsrelevanter Fragestellungen im Antriebsentwurf. Die Grundlage dafür bildet die heuristische Definition eines auf verallgemeinerten Kirchhoffschen Netzwerken (Netzwerkmodellen) basierenden Ersatzmodells des MSM-Elements samt umgebendem Luftspalt. Die das Verhalten des Ersatzmodells beschreibenden magnetischen Größen werden durch ein neuartiges und im Rahmen der Arbeit entwickeltes Messverfahren ermittelt. Ein Prüfstand setzt dieses Messverfahren um und ermöglicht eine simultane magnetische und magnetomechanische Charakterisierung von MSM-Elementen unter Kraft- oder Wegvorgabe. Eine empirische Validierung der gemessenen Zusammenhänge, auch anhand thermodynamischer Gesichtspunkte, weist die Plausibilität der das Ersatzmodell beschreibenden Zusammenhänge nach. Diese Ergebnisse motivieren die Entwicklung eines Netzwerkmodells, das die hysteresebehaftete magnetomechanische Kopplung innerhalb des Ersatzmodells thermodynamisch korrekt berücksichtigt. Mithilfe des Modells gelingt es, das experimentell bestimmte integrale magnetomechanische Verhalten des MSM-Elements samt umgebendem Luftspalt in wesentlichen Aspekten vorherzusagen. / Magnetic shape memory (MSM) alloys are considered promising active materials for compact electromagnetic drives due to their strong magneto-mechanical coupling. However, the latter is associated with a strong nonlinearity and a distinct hysteresis making a model-based design indispensable. The present work describes the behavior of a subclass of MSM drives with iron-core and small air gaps by means of a combination of model and experiment. Heuristically, an equivalent lumped-element model considering the MSM element and the surrounding air gap is proposed. An associated novel magnetic measurement procedure determines the quantities describing the behavior of this equivalent model. A test setup implements the measurement procedure and allows for a simultaneous magnetic and magneto-mechanical characterization either under constant load or under constant displacement. An empiric validation, also with regard to thermodynamic aspects, indicates the plausibility of the collected data describing the simplified equivalent model. These results motivate the development of a novel lumped-element model considering the hysteretic magneto-mechanical coupling of the equivalent model in a thermodynamically consistent way. Its validation by means of various magneto-mechanical experiments shows that the model is able to predict the essential magnetic and magneto-mechanical behavior of the MSM element and the surrounding air gap with sufficient accuracy, making it appropriate for system design.

The integration of shape memory alloys (SMAs) into textile-reinforced composites produces a class of smart materials whose shape can be actively influenced. In this paper, Ni-Ti SMA wires are inserted during the weaving of a glass fiber reinforcement textile. This ‘‘active’’ reinforcement is then combined with an elastomeric matrix to produce a highly flexible composite sheet, which maintains high rigidity in the longitudinal direction. By activating the SMAs, high deflection ratios of up to 35% (relative to the component’s length) are achieved. To adjust the composite’s deflection to defined values, a closed-loop control is set up to adjust the current flow through the SMA wires. A control algorithm is designed and evaluated for several test cases. The high deformability and the controllable behavior show the high potential of these materials for applications such as aerodynamic flow control, automation and architecture.

Pseudoelastic NiTi shape memory alloys exhibit different stress–strain curves and modes of deformation in tension vs. compression. We have recently shown that under a combination of compression and shear, heterogeneous deformation can occur. In the present study, we use digital image correlation to systematically analyze how characteristic features of the nominally uniaxial engineering stress–strain curves (particularly the martensite nucleation peak and the plateau length) are affected by extensometer parameters in tension, compression, and the novel load case of shear-compression. By post-experimental analysis of full surface strain field data, the effect of the placement of various virtual extensometers at different locations (with respect to the nucleation site of martensite bands or inhomogeneously deforming regions) and with different gauge lengths is documented. By positioning an extensometer directly on the region corresponding to the nucleating martensite band, we, for the first time, directly record the strain-softening nature of the material—a specific softening behavior that is, for instance, important for the modeling community. Our results show that the stress–strain curves, which are often used as a basis for constitutive modeling, are affected considerably by the choice of extensometer, particularly under tensile loading, that leads to a distinct mode of localized deformation/transformation. Under compression-shear loading, inhomogeneous deformation (without lateral growth of martensite bands) is observed. The effects of extensometer gauge length are thus less pronounced than in tension, yet systematic—they are rationalized by considering the relative impact of differently deforming regions.