Systematic investigation of abnormal grain growth induced by a cyclic heat treatment in Fe-Mn-Al-Ni-X (X = Cr, Ti) shape memory alloys

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Thomas Niendorf
• Subject Area: Metallurgical, Thermal and Thermomechanical Treatment of Materials ; Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
• Term: from 2017 to 2022
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 400008732

• Final Report Year: 2022

Final Report Abstract

Das Vorhaben verfolgte das Ziel das abnormale Kornwachstum in Folge einer zyklischen Wärmebehandlung anhand von Fe-Mn-Al-Ni-X (X = Cr, Ti) Formgedächtnislegierungen zu erforschen und ein tiefgreifendes Verständnis über wichtige Einflussfaktoren aufzubauen. Dabei spielen die Subkornstrukturen und die mit Ihnen verbundenen Korngrenzflächenenergien eine wesentliche Rolle als Triebkraft für das Wachstum einzelner Körner auf Kosten der umliegenden Körner. Durch die Kombination unterschiedlicher Analysemethoden ist es gelungen, die Größe und Missorientierung sowie die Verteilung der Subkornstrukturen innerhalb der Körner als entscheidende Einflussfaktoren zu identifizieren. So kann die Größe der Subkornstrukturen im Wesentlichen durch die Abkühlraten und die Änderung der chemischen Zusammensetzung, welche eine Änderung der Morphologie der Zweitphase zur Folge haben, beeinflusst werden. Sowohl eine Erhöhung der Abkühlraten als auch eine chemisch bedingte Absenkung der Solvustemperaturen sorgen für eine erhöhte Anzahl an Keimstellen für die Zweitphase und somit für eine feiner ausgeprägte Morphologie der Zweitphase. Dieses wiederum hat eine geringere Größe der Subkornstrukturen zur Folge. Allerdings kann die Erhöhung der Abkühlraten auch negative Auswirkungen in Bezug auf die Verteilung der Subkornstrukturen und der daraus resultierenden Selektion von abnormal wachsenden Körnern haben. So kann die Breite des Saums ohne Subkornstrukturen reduziert und so das gleichzeitige Wachstum mehrerer abnormal wachsender Körner begünstigt werden. Diese blockieren sich gegenseitig, sobald sie mit anderen abnormal wachsenden Körnern in Berührung kommen. Insbesondere niedrige Abkühl- und Aufheizraten sorgen hingegen für eine selektive Auswahl einzelner abnormal wachsender Körner, die dann letztendlich die erforderliche Triebkraft besitzen um große Korngrößen zu erzielen. Hinsichtlich der Missorientierung der Subkornstrukturen können weitere Zyklen mit oberen Temperaturniveaus knapp oberhalb der Solvustemperaturen verwendet werden um die finale Missorientierung der Subkörner zu erhöhen und so die bereitgestellte Triebkraft weiter zu vergrößern. Die so hergestellten Einkristalle mit einer Größe von bis zu 230 mm konnten genutzt werden, um den Einfluss von Subkornstrukturen, Orientierungen und Korngrenzen auf das superelastische Verhalten der im Fokus stehenden Fe-Mn-Al-Ni-X (X = Cr, Ti) Formgedächtnislegierungen zu erforschen.

Publications

• Promoting abnormal grain growth in Fe-based shape memory alloys through compositional adjustments, Nature communications 10 (2019) 2337
  M. Vollmer, T. Arold, M.J. Kriegel, V. Klemm, S. Degener, J. Freudenberger, T. Niendorf
  
• Induction Butt Welding Followed by Abnormal Grain Growth: A Promising Route for Joining of Fe–Mn–Al–Ni Tubes, Shap. Mem. Superelasticity 6 (2020) 131–138
  M. Vollmer, D. Baunack, D. Janoschka, T. Niendorf
  
• Effect of Crystallographic Orientation and Grain Boundaries on Martensitic Transformation and Superelastic Response of Oligocrystalline Fe–Mn–Al–Ni Shape Memory Alloys, Shap. Mem. Superelasticity 7 (2021) 373–382
  A. Bauer, M. Vollmer, T. Niendorf
  
• Functionally graded structures realized based on Fe–Mn–Al–Ni shape memory alloys, Scripta Materialia 194 (2021) 113619
  M. Vollmer, A. Bauer, M.J. Kriegel, M. Motylenko, T. Niendorf