Guerrero Salazar, Lina M. (2021) Estudio de transformaciones martensíticas en aleaciones de Fe-Mn-Cr / Martensitic transformations in Fe-Mn-Cr alloys. Tesis Doctoral en Física, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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Resumen en español
En este trabajo se presenta un estudio experimental sistemático sobre la transformación martensítica fcc-hcp en el sistema Fe-Mn-Cr considerando diferentes aspectos: (a) la estabilidad relativa de las fases fcc y hcp, (b) el ordenamiento magnético de la fase fcc, (c) los parámetros estructurales y el cambio de volumen entre fcc y hcp, (d) la fuerza motriz de la transformación martensítica, (d) la nucleación de la martensita hcp, y (e) el ciclado térmico a través de la transformación martensítica. Para ello se fabricaron aleaciones representativas de todo el intervalo de composición química donde la transformación martensítica ocurre: 13,7<𝑤𝑡.% 𝑀𝑛<27,5 y 2,1<𝑤𝑡.% 𝐶𝑟<12,4. El estudio realizado involucra el uso de las técnicas de activación neutrónica, resistencia eléctrica, dilatometría, magnetización, microscopía óptica, difracción de rayos X y calorimetría. De esta manera fue posible medir las temperaturas de ordenamiento antiferromagnético de la fase fcc (𝑇_𝑁) y las temperaturas de trasformación martensítica (𝑀_𝑆 y 𝐴_𝑆). Se encontró que el incremento en el contenido de Cr tiende a disminuir la 𝑇_𝑁, y el de Mn, por el contrario, tiende a aumentarla. Se encontró que en aleaciones donde la 𝑀_𝑆>𝑇_𝑁, la adición de Cr y de Mn tienden a disminuir la 𝑀_𝑆 y 𝐴_𝑆, lo que produce un efecto estabilizador sobre la austenita. También se hallaron los parámetros de red de las fases presentes (𝑎_𝑓𝑐𝑐,𝑎_ℎ𝑐𝑝 y 𝑐_ℎ𝑐𝑝) y el cambio de volumen involucrado. Se halló que el aumento en el contenido de Cr tiende a aumentar dichos parámetros y a disminuir el cambio de volumen entre fases en la transformación. Asimismo, se determinó la fuerza motriz de la transformación y se observó que, al aumentar el contenido de Cr y de Mn, la fuerza motriz tiende a disminuir. Además, se estudiaron la nucleación de la martensita hcp y los componentes energéticos involucrados. Se encontró que cuando aumenta la cantidad de Cr disminuye la energía de deformación, lo que podría tener un efecto positivo en el efecto memoria de forma de esta aleación. La energía de falla de apilamiento también tiende a disminuir con el incremento del Cr y se encontró que el tamaño del núcleo crítico de hcp es de entre 5 y 6 planos. Por último, se encontró que cuando el contenido de Cr aumenta, el efecto del ciclado térmico sobre la barrera energética que se opone a la transformación, disminuye. Esto puede deberse a que el aumento del Cr produce un cambio de volumen pequeño entre fcc y hcp, que podría conducir a una menor introducción de deformación plástica durante el ciclado térmico a través de la transformación martensítica.
Resumen en inglés
This work presents a systematic experimental study on the fcc-hcp martensitic transformation in the Fe-Mn-Cr system. Several aspects have been considered: (a) the relative phase stabilities, (b) the magnetic order of the fcc phase, (c) the structural parameters and volume change between fcc and hcp, (d) the driving force of the martensitic transformation, (e) the nucleation of the hcp martensite and (f) the thermal cycling through the martensitic transformation. To do this, representative alloys were made for the entire range of chemical composition where the martensitic transformation takes place: 13,7<𝑤𝑡.% 𝑀𝑛<27,5 and 2,1<𝑤𝑡.% 𝐶𝑟<12,4. The study involved the use of several experimental techniques: neutron activation measurements, electrical resistivity, dilatometry, magnetization, optical microscopy, X-ray diffraction and calorimetry. In this way, it was possible to measure the antiferromagnetic ordering temperatures of the fcc phase (𝑇_𝑁) and the martensitic transformation temperatures (𝑀_𝑆 and 𝐴_𝑆). It was found that the increase in the Cr content leads to a decrease of 𝑇_𝑁, and that the increase of Mn content, on the contrary, increases it. It was found that in alloys where 𝑀_𝑆>𝑇_𝑁, the addition of Cr and Mn leads to a decrease of 𝑀𝑆 and 𝐴𝑆, which produces a stabilizing effect on austenite. The lattice parameters of the involved phases were also obtained (𝑎_𝑓𝑐𝑐,𝑎_ℎ𝑐𝑝 y 𝑐_ℎ𝑐𝑝) as well as the volume change between the involved phases. It was found that the increase in Cr content leads to an increase of these parameters and to a decrease of the volume change between phases in the transformation. Likewise, the driving force of the transformation was determined, and it was observed that, as the Cr and Mn content increases, the driving force tends to decrease. In addition, the nucleation of the hcp martensite and the involved energy quantities were studied. It was found that when the amount of Cr increases, the deformation energy decreases, which could have a positive effect on the shape memory effect of this alloy. The stacking fault energy also tends to decrease with increasing Cr, and the critical size for the hcp nucleus was found to involve between 5 and 6 basal atomic planes. Finally, it was found that when the Cr content increases, the effect of thermal cycling on the energy barrier that opposes the transformation, decreases. This may be because increasing Cr produces a small volume change between fcc and hcp, which could lead to a slighter introduction of plastic deformation during thermal cycling through the martensitic transformation.
| Tipo de objeto: | Tesis (Tesis Doctoral en Física) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Shape memory effect; Efecto de memoria de la forma; Stacking faults; Defectos de apilamiento; Thermal cycling; Ciclado térmico; [Martensitic transformation; Transformación martensítica; Driving force; Fuerza motriz; Volume change; Cambio de volumen] |
| Materias: | Ingeniería mecánica > Ciencia de materiales |
| Divisiones: | Gcia. de área de Investigación y aplicaciones no nucleares > Gcia. de Física > Ciencias de materiales > Física de metales |
| Código ID: | 972 |
| Depositado Por: | Marisa G. Velazco Aldao |
| Depositado En: | 30 Aug 2021 14:15 |
| Última Modificación: | 08 Jun 2022 15:39 |
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