REPRODUCIBILITY OF MARTENSITIC TRANSFORMATION

AND PHASE CONSTITUTION IN Ni-Co-Al

[N. Scheerbaum, et. al. (2012)]

Kinetika & Transformasi Fasa

S2 – Peminatan Korosi

Departemen Teknik Metalurgi & Material – FTUI

2011/2012 - 3

A B Joe H

0806331355

Presentation Content

• Introduction

• Basic Theory

• Experimental

• Result and Discussion

New Materials Paradigm’s

Tipe Smart Materials

Intelligent

Biomtls&mimetic

Human&Animal

Bone

Bioceramic

Materials

Bioactive

Materials

Biomimetic

Materials

Sensing

Materials

Fiber Optic

Materials

Shape Memory

Materials (Nitinol)

Piezoelectric

Ceramic

Strain Gauge

Acoustical

Devices

Capacitive

Devices

Biosensor

Materials

Structural

Materials

Metals

Polymers

Ceramic

Composite

Organic

Materials

Anorganic

Materials

Concrete Based

Materials

Actuation

Materials

Electro-

Rheological

Fluids

Shape Memory

Alloys

Piezoelectric

Materials

Magnetostrictive

Materials

Electromagnetic

Materials

Thermal

Materials

Liquid Crystal

History of SMA

Year Name Discover

1932 Orlander “rubber like effect” in samples of gold-

cadmium

1938 Greninger & Mooradian Study of brass-alloys (copper zinc)

1951 Chang & Read First reported to term “shape recovery”

1962 William J. Buehler Discovered NiTiNOL (Nickel-Titanium

Naval Ordnance Laboratory)

Source: Cimpric Darjan. (2007)

Application of SMA

Basic Theory

• Shape-memory alloys (SMA) tergolong ke dalam smart material

karena memiliki sifat yang unik.

• Shape memory alloy (SMA) adalah paduan berbasis logam yang

mengalami solid-to-solid phase transformation dan memiliki

kemampuan untuk kembali ke bentuk awal ketika diaplikasikan

perubahan temperatur.

• Terdapat dua fasa kristal pada SMA yaitu: stronger austenite phase

yang stabil pada temperatur tinggi, dan weaker martensite phase

yang stabil pada temperatur rendah.

Karakteristik SMA

• Shape memory material mampu mendeteksi stimulus thermal,

mechanical, magnetic field atau electric field yang akan

menghasilkan respons tertentu, misal perubahan bentuk, posisi,

meregang atau bahkan transformasi fasa.

• Pada SMA stimulus tersebut menyebabkan transformasi fasa, yang

akan mengubah secara drastis sifat fisik dan mekanis, serta

menghasilkan efek tertentu.

Mekanisme SMA

Material SMA pada temperatur

ruang (martensite phase) ketika

diaplikasikan tegangan maka

material akan terdeformasi dan

berubah bentuk. Lalu ketika

tegangan release material akan

tetap berada pada bentuk

tersebut dan ketika diaplikasikan

panas kemudian panas release

maka material akan kembali ke

bentuk awal.

Fenomena Unik SMA

Shape memory effect adalah

fenomena dari suatu material

untuk kembali ke bentuk

asalnya saat dipanaskan

(thermal induced effect).

Sifat unik ini merupakan hasil

dari transformasi fasa yang

reversible pada SMA.

Superelasticity merupakan

fenomena dimana SMA yang

telah dideformasi, mampu

kembali ke bentuk awalnya

ketika beban dilepaskan

(recoverable strain yang tinggi).

Sifat unik ini merupakan hasil

dari transformasi fasa yang

reversible pada SMA.

Shape Memory Effect Superelasticity

Shape Memory Effect

Tipe Shape Memory Effect

One-way shape memory effect Two-way shape memory effect

Perbedaan dari kedua tipe tersebut adalah pada two way SME tidak

dibutuhkan mechanical loading sehingga dalam pengaplikasiannya hanya

dipengaruhi variabel temperatur.

SME & Superelasticiy

Ni-Co-Al Alloy

• Tersusun atas material aktif dan tahan

oksidasi, memiliki fasa matriks getas

serta fasa presipitat ulet 𝛾.

• Tegangan internal yang disebabkan

perubahan mekanis 𝛽 𝛽’ & kehadiran

presipitat 𝛾 saat termomekanik, mampu

meningkatkan mobilitas twin boundary

dengan fasa martensite.

• Perkembangan Paduan Ni-Co-Al:

1. Penyesuaian temperatur transformasi

martensitik.

2. Pengembangan keuletan & mobilitas

twin boundary dengan presipitat 𝛾.

Ternary Diagram Ni-Co-Al Alloy

Experimental

• Material: Paduan disorder Ni32,5+xCo39,5+xAl28,0 dan Ni33,5+xCo39,5-

xAl27,0 dengan x= 0;0.5;1;1.5;2 .

• Processing: arc melted annealing cutting, crushing,

pulverisation.

• Characterization: Temperatur MT (DSC & SQUID Magnetometer),

Mikrostruktur (SEM with Thermal FEM), Bentuk Kristalografi (XRD),

Komposisi Kimia (ICP-OES).

Result & Discussion

1. Adjusment of 𝛾 phase volume fraction by annealing.

2. Change of phase constitution by pulverisation.

3. Suppression of Martensitic Transformation by pulverisation.

4. Reproducible determination of Martenistic Transformation

temperature.

5. High Martensitic Transformation Temperatures.

6. Influence of Size and Microstructure of Martensitic Transformation.

[1] • Terbentuknya presipitat 𝛾 pada butir dan sepanjang batas butir pada

material bulk di semua komposisi setelah proses homogenisasi

annealing di 1300oC.

• Proses annealing di 1350oC mampu mereduksi presipitat 𝛾 pada

semua komposisi.

• Perbedaan atomic number menyebabkan kontaminasi Ta mudah

terdeteksi menggunakan analisa SEM.

• Difusi atom dapat dilihat pada gambar 1d.

[2]

• Serbuk as-crushed sebagian

besar terdiri dari martensite &

presipitat 𝛾. Sedangkan pada as-

filed, semua fasa pada bulk juga

ada pada serbuk (peak

martensite-nya lemah).

• Material filing memiliki phase

constitution yang lebih baik pada

material bulk-nya.

[2] Untuk menghilangkan cacat dan tegangan internal setelah

pulverisasi, dilakukan perlakuan annealing. Setelah annealing, serbuk

yang diproduksi dengan pulverisasi memiliki konstitusi fasa yang sama

dan parameter kisi, hasilnya dapat dilihat pada tabel 2. Terjadinya

peningkatan temperatur transformasi martensitik pada partikel

annealed (Mp = 80oC) adalah alasan untuk fraksi volume yang jauh

lebih rendah dari austenit (bulk: Mp = 14oC). Presipitat 𝛾 ’ tidak

terbentuk lagi, karena telah di annealed pada temperatur rendah.

[3] • MT setidaknya dapat dikembalikan

setengahnya dengan anil, namun temperatur

MT biasanya berbeda dibandingkan dengan

bulk awal.

• Berdasarkan gambar DSC disamping, setelah

proses arc-melting, ingot tidak memiliki MT.

• Deformasi plastis sebagai impak dari pada

sampel cukup untuk menekan MT pada

semua paduan Ni-Co-Al dalam penelitian ini.

Terdapat dua penjelasan, deformasi mekanis

menyebabkan tegangan internal, serta

peningkatan densitas dari cacat lattice

(dislokasi, stacking fault) setelah deformasi

plastis menekan atau sangat mengubah MT

dengan menghalangi gerakan interface

martensit-austenit atau dengan mengubah

termodinamika temperatur MT.

[4]

• Disamping pre-treatment mekanik dan termal, juga kondisi pengukuran

ketika karakterisasi sampel mempengaruhi MT.

• Untuk semua paduan Ni-Co-Al yang diselidiki, MT adalah reversibel dan

temperatur MT konstan dan dapat direproduksi selama sedikitnya dua

siklus.

• Peningkatan temperatur material mencapai 300oC untuk beberapa menit

mampu mengurangi temperatur MT sebenarnya hingga 40 K.

• Penurunan temperatur MT dapat disebabkan oleh perubahan atomic order

atau pada komposisi kimia. Pembentukan presipitat juga mampu mengubah

komposisi kimia material ketika annealing.

[5]

• Ketika sebuah MT hadir dalam material bulk awal (paduan dengan

27 at.% Al), temperatur maju dan mundur MT masing-masing

mengalami peningkatan dan penurunan, dalam partikel anil.

Ketergantungan temperatur MT pada komposisi, sampel pre-

treatment dan kondisi pengukuran di plot pada gambar dibawah ini.

Temperatur MT meningkat dengan penurunan konten Co dan Al

serta peningkatan konten Ni. Oleh karena itu, temperatur MT sekitar

100oC memungkinkan pada paduan Ni-Co-Al.

[6]

• Material bulk dan partikel yang sesuai memiliki komposisi yang sama dan

mengalami perlakuan panas yang sama, namun menunjukkan perilaku MT

yang sama sekali berbeda.

• Ketika MT menjadi martensit, tegangan internal akibat transformasi

regangan dan tidak kompatibel sepanjang batas butir biasanya dikurangi

dengan pembentukan beberapa varian kembar yang berbeda. Semakin

kecil ukuran butir, semakin tinggi energi penghalang untuk transformasi

menjadi martensite, sehingga menimbulkan penurunan temperatur MT atau

penekanan total terhadap MT.

• Kehadiran presipitat ulet 𝛾 , terutama di sepanjang batas butir, dapat

bertindak sebagai penyangga mampu deformasi, dimana memfasilitasi

kompensasi ketidak kompabilitas antara matriks butir berdekatan selama

MT.

THANK YOU