Janine Pfetzing

Nanoindentation of pseudoelastic NiTi shape memory alloys: Thermomechanical and microstructural aspects

Abstract Nanoindentation allows local characterization of the microstructural processes associated with pseudoelastic recovery in NiTi shape memory alloys. We discuss nanoindentation and tensile testing results, both carried out at different temperatures on a NiTi alloy with three different microstructures (containing no, small and large Ni-rich precipitates). Maximum shape recovery in indentation experiments and during tensile testing occurs in microstructures with fine precipitates. Thermomechanical constraints affect pseudoelasticity differently in micro- and macro-scale testing: Indentation at temperatures as close as possible to the transformation start temperatures is associated with better shape recovery than testing at higher temperatures, whereas maximum shape recovery is only observed at slightly higher temperatures in macroscopic testing. These results are rationalized by considering the effect of temperature on stress-induced martensitic transformation and dislocation plasticity.

Quantitative Charakterisierung der Gefüge-Anisotropie einer stranggepressten TiAl-Legierung

Kurzfassung In dieser Arbeit werden quantitative mikrostrukturelle Untersuchungen am Duplex-Gefüge einer stranggepressten intermetallischen γ-Titanaluminidlegierung der 3. Generation (TNBV5) diskutiert. Die Mikrostruktur wurde in raster- und transmissionselektronenmikro-skopischen Untersuchungen von senkrecht und parallel zur Strangpressrichtung entnommenem Probenmaterial charakterisiert. Es erfolgten eine Bestimmung der Kornflächen lamellarer und globularer Körner, eine Bestimmung des Anteils lamellarer Kolonien sowie eine Analyse des Anteils der verzwillingten γ-Körner. Zudem wurde eine Zeiligkeit der lamellaren Kolonien in Strangpressrichtung nachgewiesen und der mittlere Grenzflächenabstand der lamellaren Bereiche bestimmt. In ersten Kriechversuchen an unterschiedlich orientierten Proben wurde der Einfluss der Gefüge-Anisotropie auf das Kriechverhalten dieser Legierung dokumentiert. Die hier ausführlich beschriebenen metallographischen Methoden ermöglichen eine quantitative Analyse des Einflusses mikrostruktureller Anisotropien auf die mechanischen Eigenschaften und das Kriechverhalten von Titan-aluminiden.

Nanoindentation of Ti50Ni48Fe2 and Ti50Ni40Cu10 shape memory alloys

Abstract In the present paper we use nanoindentation to investigate two shape memory alloys, austenitic Ti50Ni48Fe2 and martensitic Ti50Ni40Cu10 which both show two step martensitic transformations on cooling from the high temperature regime. No such two step features were observed during nanoindentation. Load controlled nanoindentation experiments were performed using a Berkovich indenter using maximum loads ranging from 0.5 to 85 mN resulting in maximum indentation depths between 30 and 1350 nm. For small maximum indentation loads below 5 mN, longer indentation times result in larger indentation depths (austenitic Ti50Ni48Fe2). At loads of about 1 mN the indentation curves show an abrupt change in slope which we suggest to be related to an interaction of the deformation and failure of a thin oxide layer and the formation of stress induced martensite (austenitic Ti50Ni48Fe2) or the de-twinning of martensite (martensitic Ti50Ni40Cu10). Nanohardnesses and shape recovery ratios strongly increase with decreasing indentation depths below 400 nm. For larger indentation depths, constant values are observed (austenitic Ti50Ni48Fe2: nanohardness 2.45 GPa/recovery ratio 0.25, martensitic Ti50Ni40Cu10: nanohardness 1.6 GPa/recovery ratio 0.4).

Multi-Axial Thermo-Mechanical Fatigue of a Near-Gamma TiAl-Alloy

A material family to replace the current superalloys in aeronautical gas turbine engines is considered to be that of gamma Titanium Aluminide (-TiAl) alloys. Structural components in aeronautical gas turbine engines typically experience large variations in temperatures and multiaxial states of stress under non-isothermal conditions. The uniaxial, torsional and bi-axial thermo-mechanical fatigue (TMF) behaviour of this -TiAl alloy have been examined at 400 – 800oC with strain amplitudes from 0.15% to 0.7%. The tests were conducted at both in-phase (IP) and out-of-phase (OP). The effects of TMF on the microstructure were also investigated. For the same equivalent mechanical strain amplitude uniaxial IP tests showed significantly longer lifetimes than pure torsional TMF tests. The non-proportional multiaxial OP test showed the lowest lifetimes at the same equivalent mechanical strain amplitude compared to the other types of tests.

Untersuchungen zum Einfluss der Kornorientierung auf Nanoindentations-Messungen an Reineisen

Kurzfassung Bei Lasten im mN-Bereich und Eindringtiefen im nm-Bereich erlauben Nanoindentations-Versuche die Untersuchung der lokalen mechanischen Eigenschaften einzelner Körner. Dabei ist ein Einfluss der Kornorientierung auf Elastizitäts-Moduli und Härte zu erwarten. In dieser Arbeit wird der Einfluss der Kornorientierung auf Nanoindentations-Messungen an reinem α-Eisen dokumentiert. Einzelne Körner mit <001>-, <101>- und <111>-Oberflächennormalen werden per Rückstreu-Elektronenbeugung identifiziert und anschließend indentiert. Die Kornorientierung hat einen deutlichen Einfluss auf die ermittelten Härtewerte, aber einen vernachlässigbaren Effekt auf richtungsabhängige E-Moduli. Diese Ergebnisse können durch die Art der Aktivierung der Gleitsysteme und durch den komplexen Spannungszustand unter der Indenterspitze erklärt werden und zeigen den Einfluss anisotroper elastischer und plastischer Eigenschaften auf Nanoindentations-Messungen.

SEM micrographs from NiTi-based shape memory alloys after mechanical polishing and electropolishing

Abstract In the present study we investigate microstructures of NiTi-based shape memory alloys (SMAs) using scanning electron microscopy (SEM) in combination with mechanical polishing and electropolishing. The results show that electropolishing is quite useful for microstructural characterization of NiTi-based SMAs revealing morphologies of second phases, characteristic features of eutectic regions, growth mechanisms of primary carbides and coarsening of second phases. Furthermore, three-dimensional morphologies of martensitic variants, twins, and substructures can be identified in electropolished high temperature SMAs like NiTiHf and NiTiZr.