English

In this study, functional behavior of newly developed Co-base Co49Ni21Ga30 and Co38Ni33Al29 (in at. %) high-temperature shape memory alloys (HTSMAs) is reported. A thorough experimental program addressing the mechanical and functional properties of Co49Ni21Ga30 and Co38Ni33Al29 single crystalline alloys was executed in order to understand the effects due to crystallographic orientation and thermomechanical treatments. The Co38Ni33Al29 single crystals investigated in this work demonstrate a large pseudoelastic (PE) window of more than 250 °C, good cyclic stability and trainability with a maximum two-way shape memory effect (TWSME) strain of 2.7 %. The results emphasize the need for texturing polycrystalline aggregates of the current material near the <001> and <110> poles with an optimum γ-phase volume fraction to achieve high functional performance in Co38Ni33Al29 alloys. In as-grown Co49Ni21Ga30 specimens, the low critical transformation stress due to the high resolved shear stress factor (RSSF) value, i.e. low Clausius-Clapeyron (CC) slope, high slip resistance in the austenite due to zero Schmid factor and B2 atomic ordering allow for excellent transformation recoverability with a large PE temperature range of about 325 °C when loaded in the [001] direction. The thermomechanical training resulted in a stable microstructure improving the transformation recoverability, which in turn resulted in a large PE window of 400 °C in the temperature range of 40-425 °C, and also in a stable cyclic behavior. In addition, the employed high-temperature aging treatments at 900 °C for 24 hours on Co49Ni21Ga30 alloys brought about a stable cyclic stress-strain response at elevated temperatures as high as 300 °C. The martensite stabilization due to pinning of moving interfaces, detwinning and diffusion of point defects in Co49Ni21Ga30 alloys especially at elevated temperatures (>120 °C) is macroscopically reflected by the shift of the unloading curve to lower stress levels and consequently resulted in a large stress hysteresis of about 350 MPa. Along with the in-situ microscopy, the spatial visualization of strain localization obtained by using digital image correlation (DIC) revealed heterogeneous transformation characteristics at temperatures below 120 °C, beyond which the nucleation and growth characteristics of SIM transformation are quasi-homogeneous resulting in a multi-variant configuration, which was later inherited by the trained crystal. An insight into the evolution of the microstructure and stress-strain behavior in terms of stress hysteresis with test temperatures is provided, and the possible operant mechanisms are presented.

Deutsch

Die in der vorliegenden Arbeit durchgeführten Untersuchungen berücksichtigen verschiedene Aspekte, die die neu entwickelten Co-Basis Formgedächtnislegierungen in Bezug auf ihre Hochtemperaturleistungsfähigkeit betreffen. Es wurde eine gründliche experimentelle Studie der mechanischen und funktionalen Eigenschaften an Einkristallen der Legierungen Co49Ni21Ga30 und Co38Ni33Al29 (in at.%) durchgeführt, um die Effekte, die auf die kristallographische Orientierung und die thermomechanische Behandlung zurückzuführen sind, zu verstehen.

Die [001]- und [110]-orientierten Co38Ni33Al29-Einkristalle, die bei 1350°C für 24 h lösungsgeglüht und danach mit hohen Abkühlgeschwindigkeiten abgekühlt wurden, zeigten große Phasenumwandlungsdehnungen von ca. 4,1 % bei mindestens -50 MPa. Darüber hinaus wurde oberhalb von Af in Druckversuchen mit einer maximalen pseudoelastischen Dehnung von 4,3 % fast perfekte Pseudoelastizität beobachtet. Die in dieser Arbeit untersuchten Co38Ni33Al29-Einkristalle weisen ein großes Pseudoelastizitätsfenster von mehr als 250°C, gute zyklische Stabilität und Trainierbarkeit mit einem Maximum der Zweiwegformgedächtniseffektdehnung von 2,7 % auf.

In unbehandelten Co49Ni21Ga30-Proben erlauben die niedrige kritische Umwandlungsspannung, die auf einen hohen RSSF-Wert zurückzuführen ist (d.h. niedrige CC-Neigung) sowie der hohe Gleitwiderstand im Austenit, zurückzuführen auf einen Schmid-Faktor von 0 als auch die B2-Ordnung eine exzellente Umwandlungsausbeute mit einem großen Pseudoelastizitätstemperaturgebiet von 325 °C, wenn in [001]-Richtung belastet wird. Darüber hinaus besitzt der [001]-orientierte Co49Ni21Ga30-Einkristall 4,4 % Umwandlungsdehnung bei Druckspannungswerten von 4 MPa und bei niedrigen Temperaturen eine voll reversible Pseudoelastizitätsdehnung von 4,3 %. Das thermomechanische Training führt zu einer stabilen Mikrostruktur, die die Rückumwandlung begünstigt, was wiederum zu einem großen Pseudoelastizitätsfenster von 400 °C mit einer reversiblen Dehnung von 3 % im Temperaturbereich von 40-425 °C führt.

Die Trainingsmethoden, die isotherme Be- und Entlastungszyklen bei unterschiedlichen Temperaturen beinhalten, bewirkten eine stabile zyklische Spannungs-Dehnungs-Erwiderung (Cyclic Stress-Strain Response, CSSR) in Co49Ni21Ga30-Legierungen bei Temperaturen von 200 °C. Bei 300°C verschlechterte (degraded) sich das Material durch die Ausscheidung der nichtumwandelbaren γ-Phase und der konsequenten Unterdrückung der SIM-Umwandlung in diesen Legierungen. Dieses Phänomen wurde durch eine Wärmebehandlung der Proben bei 900 °C für 24 h gefolgt von Wasserabschreckung eingedämmt, so dass letztlich eine stabile CSSR bei 300 °C erreicht wurde. Es wurde eine Beziehung zwischen der Größe der Spannungshysterese und der CSSR in Co49Ni21Ga30-Legierungen ermittelt: die Proben mit großer Spannungshysterese, die von der kristallographischen Orientierung herrührt oder auf die Umgebungstemperatur zurückzuführen ist, weisen eine rapide Abnahme während der ersten Zyklusphase (innerhalb der ersten 100 Zyklen) auf und erreichen eine Sättigung. Währenddessen wurde in anderen Proben, die eine schmale Hysterese zeigten (<50 MPa), eine stabile CSSR beobachtet, ohne zyklische Degeneration in Form von akkumulierten Restdehnungen, Abnahme der Umwandlungsspannungen oder der Werte Spannungshysterese.