Avalanche dynamics of structural phase transitions in shape memory alloys by acoustic emission spectroscopy [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Benno Ludwig

Benno Ludwig

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 25
• Langue: English
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Extrait

Avalanche dynamics of structural phase
transitions in shape memory alloys by
acoustic emission spectroscopy
Von der Fakultät für Mathematik, Informatik und
Naturwissenschaften der RWTH Aachen University
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften
genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom-Physiker Benno Ludwig
aus Bremen
Berichter: Universitätsprofessor Dr. Uwe Klemradt
Universitätsprofessor Dr. Antoni Planes
Tag der mündlichen Prüfung: 24. September 2009
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der
Hochschulbibliothek online verfügbarAvalanche dynamics of structural phase
transitions in shape memory alloys by
acoustic emission spectroscopy
Von der Fakultät für Mathematik, Informatik und
Naturwissenschaften der RWTH Aachen University
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften
genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom-Physiker Benno Ludwig
aus Bremen
Berichter: Universitätsprofessor Dr. Uwe Klemradt
Universitätsprofessor Dr. Antoni Planes
Tag der mündlichen Prüfung: 24. September 2009
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der
Hochschulbibliothek online verfügbar© 2009 Benno LudwigAbstract
In this work the avalanche dynamics of five shape memory samples has been
analyzed by acoustic emission spectroscopy. The acoustic emission spectroscopy
is particularly suitable for this analysis as it couples with high sensitivity to
small structural changes caused by nucleation processes, interface movements,
or variant rearrangements [91]. Owing to its high time resolution it provides
a statistical approach to describe the jerky and intermittent character of the
avalanche dynamics [20].
Rate-dependent cooling and heating runs have been conducted in order to
study time-dependent aspects of the transition dynamics of the single crys-
singletals Ni Al , Au Cd , and Fe Pd , and the polycrystalline sample63 37 50:5 49:5 68:8 31:2
polyFe Pd . Moreover, a ferromagnetic Ni Mn Ga single crystal has been68:8 52 23 2531:2
studied by temperature cycles under an applied magnetic field and additionally
by magnetic-field cycles at a constant temperature in the martensitic phase. All
samples analyzed in this work show power law behavior in the acoustic emission
features amplitude, energy, and duration, which indicates scale-free behavior.
The access to these power law spectra allows an investigation of energy barriers
separating the metastable states, which give rise to avalanche transition dynamics.
By performing rate-dependent experiments the importance of thermal fluc-
tuations and the impact of martensite respectively twin stabilization processes
have been examined. In the case of the Ni Mn Ga sample, the magnetic-52 23 25
field-induced variant rearrangement at slow field cycles leads to stronger signals
than the rearrangement at quick cycles. This behavior can be explained by twin
stabilization processes, which are accompanied by a reduction of the twin bound-
ary mobility. For Ni Al , the combination of relevant thermal fluctuations,63 37
dierent involved time scales, and a high degree of intrinsic disorder leads to a
lower acoustic activity and weaker signals under decreasing cooling rates. In the
case of Au Cd , by contrast, the low rates allow aging to become significant.50:5 49:5
This leads to higher energy barriers and, as a consequence, to stronger acoustic
emission signals. The excellent agreement of this result with a model introduced
by Otsuka et al. [127], suggests that aging should be included into the framework
of driving rate eects in avalanche-mediated phase transitions [135].
In contrast to what has been stated earlier [20, 172], the author concludes
that only the detection of rate-dependent acoustic activity or the detection of
incubation times are necessary and sucient conditions for time-dependent
vdynamics. Rate-dependent exponents are a sucient but not necessary condition
for time-dependent behavior.
The determination of power law exponents has been proven to be a reliable
tool for the characterization of the transition dynamics and associated energy
barriers, because the exponents are robust and do not depend on experimental
details. This observation reveals a close relation to the concept of self organized
criticality [9].
In this work it has been shown for the first time by the evaluation of power law
exponents how an applied magnetic field alters energy barriers during structural
transitions of magnetic shape memory alloys. Depending on the symmetry
of the product phase opposing results can be found: The symmetry-breaking
process of a martensitic transition under an applied magnetic field leads to
an increase of the activity due to a twofold process, including phase and twin
boundary motion. Furthermore, the application of a magnetic field breaks the
degeneracy, which leads to larger constraints reflected in stronger signals due to
the satisfaction of the invariant habit plane condition. By contrast, less acoustic
activity and weaker signals appear in association with the symmetry-conserving
premartensitic transition under an applied field. The application of a field leads
to an alignment of the magnetic moments. The lowered disorder reduces the
energy barriers, which leads to less acoustic activity and weaker signals. At fields
higher than 2.5 kOe the acoustic activity is completely suppressed, which suggests
an overall weakening of the first order character of the premartensitic transition.
The amplitude and energy exponents of the material systems NiAl, FePd,
and Ni MnGa (field-dependent) have been for the first time experimentally2
determined in this work. The amplitude exponents of NiAl and CuZnAl (3.1
0.2) and of Ni MnGa and FePd (2.4 0.2), determined in this work and reported in2
literature (see [22, 94, 139]), can be grouped into dierent classes. This reinforces
the universality hypothesis [52] and the assumption that the symmetry of the
product phase determines the universality class of the exponents [22]. Moreover,
the results of this work suggest that further criteria, such as the degree of disorder
or rate-dependent aging eects, should be taken into consideration as well.Kurzfassung
Die Lawinendynamik von fünf Formgedächtnislegierungen wurde im Rahmen
dieser Arbeit mittels akustischer Emissionsspektroskopie untersucht. Die akusti-
sche Emissionsspektroskopie ermöglicht die Detektierung kleiner struktureller
Änderungen, hervorgerufen durch Nukleationsprozesse, Grenzflächenbewegun-
gen oder Variantenreorientierungen [91]. Aufgrund der hohen Zeitauflösung
erönet diese Methode einen statistischen Zugang für die Beschreibung des
sprunghaften Charakters der Lawinenprozesse [20].
Zur Untersuchung der zeitabhängigen Aspekte der Umwandlungsdynamik
wurden ratenabhängige Kühl- und Heizzyklen mit den Einkristallen Ni Al ,63 37
single polyAu Cd sowie Fe Pd und dem Polykristall Fe Pd durchgeführt.50;5 49;5 68;8 68;831;2 31;2
Darüber hinaus wurde ein ferromagnetischer Ni Mn Ga Einkristall einerseits52 23 25
mittels Temperaturzyklen unter Einfluss eines Magnetfelds und andererseits mit-
tels Magnetfeldzyklen bei konstanter Temperatur innerhalb der martensitischen
Phase untersucht. Alle in dieser Arbeit untersuchten Proben zeigen Potenzge-
setzverhalten in der Signalamplitude, -energie und -dauer, was auf skalenfreies
Verhalten hinweist. Die Messung der Potenzgesetzspektren ermöglicht die Unter-
suchung von Nukleationsbarrieren, welche die metastabilen Zustände trennen
und zum Lawinenverhalten führen.
Die Bedeutung von thermischen Fluktuationen und von Martensit- respektive
Zwillingsstabilisierung wurde mittels ratenabhängiger Messungen untersucht. Im
Fall von Magnetfeld induzierter Reorientierung von Varianten in Ni Mn Ga52 23 25
führen langsame Zyklen zu stärkeren akustischen Signalen als schnelle Zyklen.
Dieses Verhalten kann mittels Zwillingsstabilisierung erklärt werden, die zu einer
geringeren Beweglichkeit der Grenzfläche führt. Im Fall von Ni Al führen63 37
kleinere Raten zu weniger akustischer Aktivität und zu schwächeren Signalen. Die
Erklärung liegt in dem Zusammenspiel thermischer Fluktuationen, verschiedener
relevanter Zeitskalen und dem hohen Maß an intrinsischer Unordnung. Im
Gegensatz dazu führen bei Au Cd kleinere Raten zu Stabilisierungseekten,50;5 49;5
die höhere Nukleationsbarrieren und damit stärkere akustische Signale zur Folge
haben. Diese Ergebnisse legen nahe, dass Stabilisierungsphänomene mit in die
Gruppe ratenabhängiger Eekte in lawinengetriebenen Umwandlungen [135]
einbezogen werden sollten.
Im Gegensatz zu früheren Veröentlichungen [20, 172] wird in dieser Arbeit
gezeigt, dass ausschließlich der Nachweis von ratenabhängiger akustischer Aktivi-
viität oder von Inkubationszeiten ein notwendiges und hinreichendes Kriterium für
eine explizit zeitabhängige Dynamik ist. Ratenabhängiges Verhalten der Exponen-
ten ist zwar hinreichend jedoch nicht notwendig für eine explizit zeitabhängige
Dynamik.
Im Rahmen der Arbeit wurde gezeigt, dass die Untersuchung von Übergangs-
dynamiken und E