Transformación martensítica, estabilidad relativa de fases fcc y hcp, y efectos del ciclado térmico en aleaciones Fe-Mn y Fe-Mn-X (X = Co, Si)

En esta tesis presentamos un estudio de la estabilidad relativa de fases fcc y hcp en sistemas Fe-Mn y Fe-Mn-Co. En particular, investigamos el efecto de dos factores que modifican la estabilidad relativa de fases: cambios en la composición química de las aleaciones y cambios en la concentración de...

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Detalles Bibliográficos
Autor principal: Baruj, Alberto
Formato: Tesis NonPeerReviewed
Lenguaje:Español
Publicado: 1999
Materias:
Física de materiales
alloys
aleaciones
magnetism
magnetismo
transition element alloys
aleaciones de elementos de transición
antiferromagnetism
antiferromagnetismo
cobalt alloys
aleaciones de cobalto
iron alloys
aleaciones de hierro
shape memory effect
efecto memoria forma
ternary alloy systems
sistemas de aleaciones ternarias
thermodynamics
termodinámica
Acceso en línea:http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/81/1/Baruj_Tesis_vf.pdf
Aporte de:
Repositorio Institucional Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro (RICABIB) de Instituto Balseiro
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description En esta tesis presentamos un estudio de la estabilidad relativa de fases fcc y hcp en sistemas Fe-Mn y Fe-Mn-Co. En particular, investigamos el efecto de dos factores que modifican la estabilidad relativa de fases: cambios en la composición química de las aleaciones y cambios en la concentración de defectos cristalinos en la microestructura de las mismas. Para analizar el efecto de la composición química, realizamos un estudio experimental de las temperaturas de transformación martensítica fcc/hcp en aleaciones Fe-Mn-Co en un intervalo de composiciones que va del 15% al 34% de Mn y del 1% al 16% de Co. Utilizamos las técnicas de dilatometría y resistividad eléctrica. Combinamos esta información con mediciones propias de temperaturas de transformación martensítica fcc/hcp en aleaciones ricas en Co del sistema Fe-Co para realizar un modelado de la función de Gibbs de la fase hcp de los sistemas Fe-Mn-Co y Fe-Co. Encontramos que, para aleaciones con contenidos de Mn entre el 17% y el 25% de Mn, el agregado de Co tiende a estabilizar levemente la fase fcc. En aleaciones con contenidos de Mn menores que las de dicho intervalo, el Co actúa estabilizando la fase bcc. Por otra parte, en aleaciones con contenidos de Mn mayores que el 25%, el aumento en el contenido de Co disminuye la temperatura de Néel de las aleaciones, estabilizando así la fase hcp. Para investigar el efecto de cambios en la concentración de defectos cristalinos, realizamos experimentos de ciclado térmico a través de la transformación martensítica fcc/hcp en aleaciones Fe-Mn, Fe-Mn-Co y Fe-Mn-Si. Utilizamos las descripciones termodinámicas obtenidas para analizar estos experimentos. En todos los casos encontramos durante el ciclado una primera etapa, que dura uno o dos ciclos térmicos, de promoción de la transformación martensítica. Al aumentar el número de ciclos térmicos, dicha etapa es sustituida por otra de inhibición de la transformación. Proponemos una explicación microestructural para estos fenómenos que asigna un rol fundamental a la deformación plástica de la fase fcc. Según esta explicación, la etapa de promoción está relacionada con el aumento en la densidad y tamaño de fallas de apilamiento en la matriz, que actúan como sitios de nucleación para la fase hcp. La etapa de inhibición, por su parte, refleja el paulatino aumento en la densidad de dislocaciones perfectas en la fase fcc, que dificultan el avance de las interfases en la transformación. Para analizar la validez de este modelo, realizamos dos diferentes tipos de estudios. Por una parte, diseñamos experimentos para estudiar el efecto del incremento de la deformación plástica de la fase fcc sobre las temperaturas de transformación martensítica. Por otra parte, realizamos observaciones de microscopía electrónica de transmisión sobre muestras cicladas y no cicladas. Estos experimentos de deformación plástica y las observaciones de microscopía electrónica, nos permitieron corroborar y refinar el modelo propuesto.
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En particular, investigamos el efecto de dos factores que modifican la estabilidad relativa de fases: cambios en la composición química de las aleaciones y cambios en la concentración de defectos cristalinos en la microestructura de las mismas. Para analizar el efecto de la composición química, realizamos un estudio experimental de las temperaturas de transformación martensítica fcc/hcp en aleaciones Fe-Mn-Co en un intervalo de composiciones que va del 15% al 34% de Mn y del 1% al 16% de Co. Utilizamos las técnicas de dilatometría y resistividad eléctrica. Combinamos esta información con mediciones propias de temperaturas de transformación martensítica fcc/hcp en aleaciones ricas en Co del sistema Fe-Co para realizar un modelado de la función de Gibbs de la fase hcp de los sistemas Fe-Mn-Co y Fe-Co. Encontramos que, para aleaciones con contenidos de Mn entre el 17% y el 25% de Mn, el agregado de Co tiende a estabilizar levemente la fase fcc. En aleaciones con contenidos de Mn menores que las de dicho intervalo, el Co actúa estabilizando la fase bcc. Por otra parte, en aleaciones con contenidos de Mn mayores que el 25%, el aumento en el contenido de Co disminuye la temperatura de Néel de las aleaciones, estabilizando así la fase hcp. Para investigar el efecto de cambios en la concentración de defectos cristalinos, realizamos experimentos de ciclado térmico a través de la transformación martensítica fcc/hcp en aleaciones Fe-Mn, Fe-Mn-Co y Fe-Mn-Si. Utilizamos las descripciones termodinámicas obtenidas para analizar estos experimentos. En todos los casos encontramos durante el ciclado una primera etapa, que dura uno o dos ciclos térmicos, de promoción de la transformación martensítica. Al aumentar el número de ciclos térmicos, dicha etapa es sustituida por otra de inhibición de la transformación. Proponemos una explicación microestructural para estos fenómenos que asigna un rol fundamental a la deformación plástica de la fase fcc. Según esta explicación, la etapa de promoción está relacionada con el aumento en la densidad y tamaño de fallas de apilamiento en la matriz, que actúan como sitios de nucleación para la fase hcp. La etapa de inhibición, por su parte, refleja el paulatino aumento en la densidad de dislocaciones perfectas en la fase fcc, que dificultan el avance de las interfases en la transformación. Para analizar la validez de este modelo, realizamos dos diferentes tipos de estudios. Por una parte, diseñamos experimentos para estudiar el efecto del incremento de la deformación plástica de la fase fcc sobre las temperaturas de transformación martensítica. Por otra parte, realizamos observaciones de microscopía electrónica de transmisión sobre muestras cicladas y no cicladas. Estos experimentos de deformación plástica y las observaciones de microscopía electrónica, nos permitieron corroborar y refinar el modelo propuesto. In this Thesis we present a study of the fcc and hcp relative phase stability in the Fe-Mn and Fe-Mn-Co systems. In particular, we have investigated the effect of two main factors affecting the relative phase stability: changes in the chemical composition of the alloys and changes in the density of crystalline defects in the microstructure. In order to analyse the effect of chemical composition, we have performed an experimental study of the fcc/hcp martensitic transformation temperatures in Fe-Mn-Co alloys in the composition range lying between 15% and 34% Mn, and between 1% and 16% Co. We have measured the martensitic transformation temperatures by means of dilatometry and electrical resistivity. We have combined this information with measurements of the fcc/hcp martensitic transformation temperatures in Co-rich alloys to perform a modelling of the Gibbs energy function for the hcp phase in the Fe-Mn-Co and Fe-Co systems. We found that, for alloys in the Mn range between 17% and 25%, Co additions tend to stabilise slightly the fcc phase. In the alloys with Mn contents below that range, increasing the amount of Co stabilise the bcc phase. In alloys with Mn contents above 25% the Néel temperature is depressed by the addition of Co, which stabilise the hcp phase. In order to investigate the effect of changes in the density of crystalline defects, we have performed thermal cycling experiments through the fcc/hcp martensitic transformation in Fe-Mn, Fe-Mn-Co and Fe-Mn-Si alloys. We have applied the thermodynamic description obtained before in order to analyse these experiments. We found in the thermal cycling experiments a first stage where the martensitic transformation is promoted. This stage occurs in all the studied alloys during the first cycle or the two first cycles. Increasing the number of thermal cycles, the promotion stage is replaced by an inhibition of the transformation stage. We propose a possible microstructural interpretation of these phenomena where the plastic deformation of the fcc phase plays a fundamental role. According to this interpretation, the promotion stage is related with the increment in the density and size of stacking faults in the fcc phase, which act as nucleation sites for hcp. The inhibition stage reflects the progressive increment in the density of total dislocations in the fcc phase, which interfere with the movement of the transformation interfaces. In order to analyse this model, we have performed two different kind of experiments. First, we have designed experiments oriented to identify the effect of increasing the plastic deformation of the fcc phase on the martensitic transformation temperatures. Second, we have observed the microstructure of thermal-cycled and non-cycled samples by means of transmission electron microscopy. Both kind of experiments allowed us to confirm and refine the proposed model. 1999-06-22 Tesis NonPeerReviewed application/pdf http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/81/1/Baruj_Tesis_vf.pdf es Baruj, Alberto (1999) Transformación martensítica, estabilidad relativa de fases fcc y hcp, y efectos del ciclado térmico en aleaciones Fe-Mn y Fe-Mn-X (X = Co, Si) / Martensitic transformation, relative phase stability of fcc and hcp phases, and thermal cycling effects in Fe-Mn and Fe-Mn-X (X=Co, Si) Alloys. Tesis Doctoral en Física, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro. http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/81/

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