Structure and martensitic transformation in Ni₄₄Mn_43.5Sn_12.5-xAl_x Heusler alloys

Alloys with constant Ni/Mn ratio equal to 1.01 of nominal compositions Ni₄₄Mn_43.5Sn_12.5-xAl_x (x = 0, 1, 2 and 3) were induction cast, homogenized in vacuum for 6 hours at 1000ºC, annealed for 1 h at 900 and water quenched for solution treatment (ST). Differential scanning calorimetry (DSC) studies revealed that the quenched alloys undergo martensitic transformation with martensite start temperatures (Ms) ranging from - 140 up to - 80ºC. An increase of Ms temperature with increasing of the aluminum content as well as the linear relationship between Ms and the conductive electron concentration (e/a) was observed. DSC has been used also to estimate the associated entropy change from the transformation heat Q and peak position temperature Tp; corresponding to ΔS ≈ Q/Tp. X-Ray diffraction phase analyses performed at room temperature proved that in all ST alloys the L21 Heusler structure is present. However, a different degree of order of this phase was observed, what was manifested by a decrease of intensity of the 111 superlattice reflection of the L21 structure with an increase of Al content. The ordering behavior was also proven by the transmission electron microscopy (TEM) investigations, particularly electron diffraction patterns. The evolution of microstructure after different treatments was also illustrated by light microscopy observations.

Stopy o stałym stosunku Ni/Mn wynoszacym 1,01 i o składzie Ni₄₄Mn_43.5Sn_12.5-xAl_x (x= 0, 1, 2, 3) odlewano w piecu indukcyjnym a następnie poddano wyżarzaniu w próżni w temperaturze 1000ºC przez 6 godzin oraz obróbce cieplnej polegającej na wygrzaniu w temperaturze 900ºC przez okres 1 h i przesyceniu poprzez szybkie chłodzenie w wodzie o temperaturze pokojowej. Wyniki uzyskane przy użyciu różnicowej kalorymetrii skaningowej wykazały, że przesycone stopy ulegają przemianie martenzytycznej, której początek w zależności od składu stopu mieści się w zakresie - 140 do - 80ºC. Stwierdzono, że wraz ze wzrostem zawartości aluminium w stopach rośnie temperatura początku przemiany martenzytycznej oraz, że zalezność tej temperatury od wartości stężenia elektronów walencyjnych e/a ma charakter liniowy. Badania kalorymetryczne posłużyły również do oszacowania wielkości zmian entropii towarzyszącej przemianie fazowej do czego wykorzystano znajomość ilosci ciepła Q przemiany a także pozycje piku temperaturowego zgodnie z zaleznością Tp: ΔS ≈Q/Tp. Analiza rentgenowska w temperaturze pokojowej wykazała, że wszystkie stopy po obróbce cieplnej stopy posiadają strukturę Henslera o uporzadkowaniu typu L21. Jednakże, stopień uporządkowania tej struktury w zależności od zawartości Al w stopach jest różny na co wskazuje zanik refleksu {111}charakterystycznego dla nadstruktury L21 wraz ze wzrostem stężenia Al. Zmiany stopnia uporzadkowania zostały potwierdzone przy pomocy transmisyjnej mikroskopii elektronowej a zwłaszcza dzieki dyfrakcji elektronowej. Zamiany mikrostruktury po różnych etapach wytwarzania i obróbki cieplne zilustrowano przy użyciu mikroskopii świetlnej.