Arresto cinético de la transformación martensítica en aleaciones Ni50Mn36In14 y Ni45Co5Mn36.8In13.2 y efecto magnetocalórico de la fase austenita en aleaciones Ni50Mn34In16-xSix (0.0 < x < 2.0)

Abstract

"En la presente tesis se estudia el arresto cinético de la transformación martensítica en aleaciones Heusler no estequiométricas de composición nominal Ni50Mn36In14 y Ni45Co5Mn36.8In13.2, así como el efecto magnetocalórico de la fase austenita en la serie Ni50Mn36-XIn14-XSiX (0.0  x  2.0). Ambos fenómenos derivados de la aplicación del campo magnético en torno a la transformación estructural martensítica y magnética, respectivamente. Todas las muestras estudiadas son cintas obtenidas por la técnica de temple rotatorio. Las aleaciones estudiadas, tanto recién fundidas como tratadas térmicamente, son monofásicas y a temperatura ambiente la fase austenita muestra una estructura cristalina cúbica de tipo B2 ó L21, mientras que su microestructura es de granos columnares cuyo tamaño medio no cambia apreciablemente con el tratamiento térmico. Las aleaciones Ni50Mn36In14 y Ni45Co5Mn36.8In13.2 transforman martensíticamente mientras que en la serie Ni50Mn36-XIn14-XSiX (0.0  x  2.0) la fase austenita existe en todo el intervalo de temperatura de nuestro estudio. Para todas las aleaciones, el incremento en el orden cristalo-químico que produce el tratamiento térmico lleva a un ligero aumento en las temperaturas de las transiciones estructural y magnética, al incremento de la magnetización de saturación en ambas fases y a un cambio más abrupto de la magnetización durante la transición (estructural o magnética). La variación de entropía magnética máxima SM peak para la fase austenita en la serie Ni50Mn36-XIn14-XSiX (0.0  x  2.0) muestra curvas de menor valor SM peak pero más anchas para las muestras recién solidificadas. Para una variación de campo magnético de 2 T las cintas recién solidificadas y tratadas térmicamente muestran valores de SM peak de 2.5 y 3.1 J·kg-1K -1, una capacidad de refrigeración, estimada como el producto de SM peak TFWHM, de 138 y 98 J·kg-1 y un rango de temperatura de trabajo TFWHM de 72 y 43 K. Para la aleación Ni50Mn36In14 recién fundida, el arresto cinético de la TM es parcial, este se observa desde µoH = 1 T, desapareciendo después de un tratamiento térmico corto (10 min.) a 1073 K, lo que sugiere una relación entre el ordenamiento cristalográfico de la fase austenita y el campo magnético en la transformación austenitamartensita. Para la aleación Ni45Co5Mn36.8In13.2 tratada térmicamente el arresto cinético es total a µoH = 7 T. En ambas aleaciones se observa que las temperaturas de la transformación martensítica se reducen con el aumento de la intensidad del campo magnético. El arresto cinético de la transformación martensítica origina una estado metaestable, en el cual coexisten austenita y martensita; este estado magnético tiene características de vidrio y su caracterización se llevó a cabo mediante el diseño de varios experimentos basados en mediciones de magnetización. Adicionalmente, se muestra el efecto XIX de fluctuaciones de temperatura y campo magnético en la fracción arrestada de austenita."

"The focus of the present thesis is the study of both: the kinetic arrest of the martensitic transformation in non-stoichiometric Heusler alloys with nominal composition Ni50Mn36In14 and Ni45Co5Mn36.8In13.2 and the magnetocaloric effect in the austenitic phase of a Ni50Mn36-XIn14-XSiX (0.0 < x < 2.0) series. Both phenomena result from the influence of the applied magnetic field around the martensitic structural transformation and the magnetic transition of austenite, respectively. The samples studied were melt-spun ribbons fabricated by means of rapid solidification using the melt spinning technique. Both, as-quenched and annealing alloys are single-phase at room temperature and the austenite, or parent phase, shows B2 or L21-type cubic crystal structures, while the average size of their columnar-like grained microstructure does not change appreciably upon thermal annealing. Ni50Mn36In14 and Ni45Co5Mn36.8In13.2 alloys undergo martensitic transformation; for the Ni50Mn36-XIn14-XSiX (0.0 < x < 2.0) series austenite phase exists in the entire temperature range experiments made. For the studied alloys, the thermal annealing improves chemical and crystallographic ordering resulting in a slight increase in the structural and magnetic transition temperatures, an increase in the saturation magnetization of both phases, and a more abrupt change of magnetization across the structural or magnetic transitions. The variation of magnetic entropy change ∆SM(T) curves for as-solidified Ni50Mn36-XIn14-XSiX (0.0 < x < 2.0) are well broader and show lower variation of maximum magnetic entropy change │∆SMpeak│ values with respect to the annealed ones. For a magnetic field change of 2 T the as-solidified (annealed) samples show a peak value of the magnetic entropy change │∆SMpeak│ of 2.5 (3.1) J·kg-1K-1. For the same magnetic field change, the refrigerant capacity, estimated as the product of │∆SMpeak│·∆TFWHM of the ∆SM(T) curve, reaches values of 138 (98) J·kg-1. With working temperatures │∆TFWHM│of 72 and 43 K, respectively. For Ni50Mn36In14 melt-spun ribbons a moderate but progressive kinetic arrest of the austenite to martensite phase transformation is observed for an applied magnetic field of 1 T and above. It disappears after a short heat treatment of 10 min. at 1073 K, suggesting a relationship between crystallographic ordering of the austenite phase and the magnetic field on the austenite-martensite phase transition. For the annealed Ni45Co5Mn36.8In13.2 alloy a total kinetic arrest is observed at µoH = 7 T. The increase of the applied magnetic field progressively decreases the temperatures of the martensitic transformation. The kinetic arrest of martensitic transformation gives rise to a metastable state, in which austenite and martensite coexist; this state show characteristics similar to a glass and was studied by designing several magnetization experiments. The effect of thermal and magnetic field fluctuations on the arrested fraction of austenite is also shown."