Structure cristalline, cristallographie de transformation martensitique, performances mécaniques et magnétocaloriques de l'alliage multifonctionnel Ni(Co)MnIn

Crystal structure, martensitic transformation crystallography, mechanical and magnetocaloric performance of Ni(Co)MnIn multifunctional alloys

• Auteur / Autrice : Haile Yan
• Direction : Yudong Zhang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 29/07/2016
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Northeastern University (Shenyang)
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (Metz ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Werner Skrotzki
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Werner Skrotzki, José Luis Sánchez Llamazares, Zhidong Zhang, Xiang Zhao, Zheng Liu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : José Luis Sánchez Llamazares, Zhidong Zhang

Mots clés

Mots clés contrôlés

Effet magnétocalorique

Transformations martensitiques

Martensite

Alliages à mémoire de forme

Mots clés libres

Ni-Mn-In

Alliage à mémoire de forme

Martensite modulée incommensurable

Organisation de variantes

Chemin de déformation de transformation martensitique

Arrangement de variantes

Effet magnétocalorique

Pertes d'hystérésis

Ni-Mn-In alloy

Shape memory alloy

Incommensurate modulated martensite

Variant organization

Martensitic transformation strain path

Variant arrangement

Magnetocaloric effect

Hysteresis loss

Résumé

Les alliages à base de Ni-Mn-In ont attiré une attention considérable en raison de leurs propriétés multifonctionnelles depuis leur découverte en 2004, telles que l’effet de mémoire de forme métamagnétique (Metamagnetic shape memory effect MMSME), l'effet magnétocalorique (MCE) et l'effet de magnétorésistance (MR). Cependant, certaines connaissances fondamentales sur ces alliages manquent toujours jusqu'à présent, telles que la structure cristalline de la martensite, les caractéristiques cristallographiques de microstructure et de transition magnétostructurale. Dans cette thèse, les caractéristiques cristallographiques, les comportements mécaniques et les propriétés magnétiques des alliages Ni-Mn-In base ont été étudiés théoriquement et expérimentalement. Tout d'abord, les structures cristallines des alliages Ni-Mn-In ont été déterminées avec précision par la méthode de Rietveld dans le cadre de la théorie du superespace. Ensuite, la microstructure de la martensite, notamment l'organisation et l'interface des variantes, ainsi que les caractéristiques cristallographiques de la transformation martensitique, telles que les relations d'orientation (OR), le chemin de déformation de la transformation et la compatibilité géométrique entre l'austénite et la martensite, ont été systématiquement étudiés. Enfin, avec cette connaissance fondamentale sur les alliages Ni-Mn-In, les comportements et les mécanismes de sélection /réarrangement des variantes de martensite sous deux types de stratégies de chargement mécanique, à savoir le chargement à l'état martensitique et le chargement durant la transition structurelle, et les effets du recuit sur l'effet MCE et les pertes d'hystérésis associées ont été explorées. Les principaux résultats sont les suivants. La martensite modulé a une structure cristalline incommensurable avec la structure cristalline 6M et le groupe de superespace I2/m(α0γ)00 qui peut être approximée par un modèle de superstructure de multiplicité 3 dans l'espace à tridimensionnel. La microstructure de martensite est en forme de plaques et auto-organisée en colonies. Chaque colonie a quatre variantes d'orientations distinctes. Le maximum de 6 colonies distinctes et 24 variantes peut être généré à l'intérieur d'un grain austénitique. Bien que jusqu'à 14 types de relations de maclage sont proposées dans le cadre des théories cristallographiques de transformation martensitique, seuls trois types de relations de maclage sont généralement observés, à savoir des macles de type I, type II et composées. Les interfaces des variantes sont définies à l'échelle mésoscopique par leur plan de maclage K1 correspondant. Cependant, à l'échelle atomique, la macle de type I a une interface cohérente, alors que celles de type-II et les macles composées ont des interfaces étagées. Les deux relations d'orientations K-S et Pitsch sont appropriés pour décrire la correspondance de réseau entre austénite et martensite dans les alliages Ni-Mn-In. Cependant, le chemin de déformation lié à la relation de Pitsch est mis en évidence pour être efficace pour la déformation de la structure. Avec le chemin de transformation déterminé, le mécanisme sous-jacent de l'organisation des variantes est révélé. À travers la transformation martensitique, en dépit de l'existence d'une relativement large couche contrainte (de l'ordre de 20 nm), le plan d'habitat est bordé par une variante de martensite simple avec l'austénite plutôt que la structure généralement observée "en sandwich", ce qui suggère une relativement bonne compatibilité géométrique entre les phases correspondantes. Pour le chargement en compression à l'état martensitique, l'arrangement des variantes est réalisé par des processus de démaclage. Il est démontré que l'état de variante unique dans certaines colonies pourrait être obtenu lorsque l'orientation de chargement est située dans la zone de Facteur de Schmid (SF) positif commune pour les trois systèmes de démaclage. [...]

Ni-Mn-In based alloys have attracted considerable attention due to their multifunctional properties since its discovery in 2004, such as metamagnetic shape memory effect (MMSME), magnetocaloric effect (MCE) and magnetoresistance (MR) effect. However, some fundenmental knowledge on these alloys is still missing until now, such as crystal structure of martensite, crystallographic features of microstructure and magnetostructural transition. In this dissertation, the crystallographic features, mechanical behaviors and magnetic properties of Ni-Mn-In based alloys were studied theoretically and experimentally. First, the crystal structures of Ni-Mn-In alloys were accurately determined by Rietveld method in the frame of superspace theory (Chapter 3). Then, the microstructure of martensite (Chapter 4), such as variant organization and interface structure, and the crystallographic features of martensitic transformation, such as orientation relationship (OR), transformation strain path and geometrical compatibility between austenite and martensite, were systematically studied (Chapter 5). Finally, with this fundamental knowledge on Ni-Mn-In alloys, the behaviors and mechanisms of martensite variant rearrangement/ selection under two kinds of mechanical loading strategies, i.e. loading at martensite state and loading across the structural transition, and the effects of annealing on MCE and its related hysteresis loss were explored (Chapter 6). The main results are as follows. The modulated martensite has an incommensurate 6M crystal structure with superspace group I2/m(α0γ)00 that can be approximated by a three-fold superstructure model in the three-dimensional space. The microstructure of martensite is in plate shape and self-organized in colonies. Each colony has four distinct orientation variants. The maximum of 6 distinct colonies and 24 variants can be generated within one austenite grain. Although as many as 14 kinds of twin relations are suggested in the frame of crystallographic theories of martensitic transformation, only three types of twin relations are generally detected, i.e. type-I, type-II and compound twin. Variant interfaces are defined by their corresponding twinning plane K1 at mesoscopic scale. However, at atomic scale, the type-I twin has a coherent interface, whereas type-II and compound twins have “stepped” interfaces. Both the K-S and Pitsch ORs are appropriate to describe the lattice correspondence between austenite and martensite in Ni-Mn-In alloys. However, the strain path related to the Pitsch relation is evidenced to be the effective for the structural distortion. With the determined transformation path, the underlying mechanism of variant organization is revealed. Across the martensitic transformation, despite the existence of a relative wide stressed layer (around 20 nm), the habit plane is bordered by single martensite variant with austenite rather than the generally observed “sandwich-like” structure, implying a relative good geometrical compatibility between the corresponding phases. For compressive loading at martensite, variant arrangement is realized by the detwinning process. It is evidenced that a single variant state in some colonies can be obtained when the loading orientation is located in the common positive Schmid factor (SF) zone of the three detwinning systems. For loading across the structural transition, the prestrain is obtained by variant selection in which the number of colonies is significantly reduced and the variant organization within colony is greatly changed. The SF for transformation strain path is introduced to evaluate the possible selection of variants. Heat treatment can significantly enhance the magnetic entropy change ΔSM but simultaneously increase the magnetic hysteresis loss. For ΔSM, the chemical ordered degree should play a prominent role [...]