Intern ati o n a l  Jo urn a l   o f  Ad va nces  in Applied Sciences (IJ A AS)   Vol.  2, No. 4, Decem ber  2013, pp. 205~ 208  I S SN : 225 2-8 8 1 4           2 05     Jo urn a l  h o me pa ge : h ttp ://iaesjo u r na l.com/ o n lin e/ind e x.ph p / IJAAS  Martens i tic T r an sformati on Ch aracteristi c  of Ni- M n Bas e Ferromagnetic Shape Memory Alloys       Ajit  Beher a 1 , Asit  Beh era 2 , S . C.  M i sh ra 3   Departem ent  of  Metallurgi c al and Mater i als  En gineer ing, Indian Institut e  of  T e chnolog y ,  Kharagpur-721302  Departement of  Mechan ical  Eng i neer ing, Natio n a l Institute of  Technolog y ,  Rourk e la-769008   Departement of  Metallurgical and Mater i als  En gineer i ng, Natio nal Institute of  Technolog y ,  Rour kela-769008       Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received Feb 6, 2013  Rev i sed  Au 23 , 20 13  Accepte Se p 3, 2013      Fe rroma gne t i c  sha p e  me mory   al l o y s   e m erge  as new func ti ona l ma t e ri al which have in teresting magnetomechan ic al co upling effe cts  s u ch as  the   ferrom a gneti c s h ape m e m o r y   e ffect . Th es e t y p e s  of m a teri als   s i gnific a nt l y   change  their sh ape and dimensions under  the application of  ex ternal fields  i.e. either b y  using thermal en er g y  or magnetic  energ y . Among them, some  are th e m a gnet o s t rictiv e a llo y s  which in turn  can ch ange th ei r s h ape  b y   magnetic f i eld u p  to 0.1 p e rcent  and b y   m echan i cal s t r e s s  up to 1 0  perc ent in   m a rtens iti c s t a t e .  Up to 6 p e rc e n t deform at ion  can b e  obt ained  in m a ter i als   under the  actio n of the magnetic fiel d which  undergo the  thermoelastic  transformation into ferromagnetic phase . Due  to  higher processing cost and   costly  elements  for allo y i ng, ferr oma gnetic shape memory  allo y  h a ve not so   broadly  utilization and sa tisfactorily  use. Among differ e nt ty p e  of Ni-Mn   based Heusler f e rromagnetic shape memo r y  allo y s , Ni-Mn-Sn allo y  hav e   potential proper ties and exhib i ts lowe r cost. In this paper martensitic  transformation o f  Ni 50 Mn 50- y Sn y   ( y = 5, 10, 12.5)   allo y s  wer e  inv e stigated B y   differen tia l s can ning calorim e t ri c m eas urem ent, it has  been obs erved that b y   keeping on e e l e m ent i.e .  Ni  as c onstant weigh t  p e rcen tag e , if  we  incre a se th weight per cent  of S n ; then  m a rtens iti c s t art i ng tem p era t ure  as  well a s   aus t enit ic  s t art i n g  tem p era t ure  gr adual l y  de cre a s e s .   Keyword:  Au sten itic Tran sfo r m a tio n   Ferr om agnet i c  Sha p e M e m o ry   Allo ys (FSMAs)   Marten sitic Tran sform a t i o n   Ni-M n - S n   Copyright ©  201 3 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d Co rresp ond i ng  Autho r Aj it Beh e ra,    Dep a rtem en t o f  Metallu rg ical  and  Materials Engineeri n g,   Ind i an In stitu te of Tech no log y   K h ar ag pu r-7 213 02 Em a il: aj it.b e hera88 @g m a il.c o m       1.   INTRODUCTION  The cha r act eri s t i c  behavi or o f  fer r om agnet i c  shap e m e m o ry allo ys (FSMAs) is, b y  co m b in ing  shap m e m o ry  effect (SM E ) an d  the bul k fer r om agnetic  be havi or . FSM As ha ve bee n  use d  as p o t e nt i a l   microactuator  materials because they  show  a large  rec ove ry strain  upt 10 % a n d a  high  respondi ng fre que ncy  (KHz)  [1]-[4]. New alloy syste m s are  investigated in this   decade ,  which exhibits  m a g n etic shape me m o ry   related   p h e nomen a. Magn et ic sh ap e m e mo ry effect i n   th ese m a terial s inv o l v e s th e m o v e m e n t  o f  twin  bo u nda ri es  w h i c h re sul t s  i n  t h gr o w t h  o f   o n of  t h e  t w i n   vari a n t s  at  t h expe nse  o f  t h e  ot her  i n   res p o n se t o   an  app lied  m a g n e tic field  belo w th e m a rte n sitic tran sf o r matio n  te m p eratu r e [5 ]. Formatio n  o f  m a rten site  varia n t is accom p anied by a  defi ned s h a p strain; the m i crosc opic s h ape  of t h e m a terial doe s not change as a  whole be fore or afte r the transform a tion. T h is is becau se of  self-accom odation of  m a rtensite form ation [6] .   Sto i ch io m e tric Ni-M n - Ga  h e u s ler allo y i nvo lv ing  co m p le te sub s titu tio o f  Ga with Sn , wh ere cho s en   fro m   a   num ber of candidate alloys exhi biting  m a rt ensitic transformation as suggested  by  Wutting et al [4].  In recent   st udy  Ni -M base d He usl e r  al l o y s  have b een f o cu s as one  of t h e t y pi cal   m a gnet o cal ori c  effe ct  m a t e ri al .   Am ong t h em , i t  i s  fou nd t h at  Ni -M n - S n  FS M A  i s  a l e ss cost  m a t e ri al  due t o  l e sser c o st  of S n  el em ent .  B y   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 252 -88 14  IJAAS   Vol. 2, No.  4, Decem ber :   205  –  208  20 6 co nsid eri n g  cost, th e go al o f  th is in v e stig atio n  is to  find a  m a g n e tic al lo y ex h i b itin g a  m a rten sitic  p h a se  trans f orm a tion that woul d provi de  large cont rollable displacem ent  with  the a pplication  of l o w m a gnetic   field at reas onable operating te m p erature .  In m a ny  expe r i m e nt  Ni -M n- Ga al l o y s  are  widely exam ined for  wh ich  it serv es as a  referen c allo y. Bu t th h u s ler  allo ys t h e cho i ce of  Ni-Mn - Sn  allo y is du e to   (i)   Ni-Mn-Sn  n o t  ex p e n s i v as galliu m ,     (ii)    It do es  no t contain  to x i c as that o f  g a lliu m  [7 ],    (iii)   Ni-Mn-Sn  is less br ittle th an   Ni-Mn-Ga [8 ],    (iv)    Low tra n sformation a n d Curi e te m p erature  of  stoichi o m e tr ic Ni-M n - Ga t h an  Ni -M n - S n ,    (v   The aust e n i t e  and m a rt ensi t e  phase  of Ni - M n-S n   ha ve the sa m e  crystal structure as the corre spondi ng  pha ses  of  Ni - M n- Ga a n d  ha ve t h e  sam e   m a gnet i cal l y  easy  axi s  [ 5 ] ,     (vi )     Ni -M n - S n  al l o y s  are kn ow n t o  ha ve com p ar abl y  hi gh L 2 1 / tetrag on al tran sitio n  te m p erature as that of  Ni-M n - Ga ,   (v ii)    Sto i ch io m e tric o f  Ni-M n - Sn  allo ys rev e als si m ilar  mag n e t o strictiv e b e h a v i o r   wi th  resp ect to   te m p erature  as  that of  Ni-M n - Ga  alloy s  [5] ,    (v iii)  Ni-Mn-Ga alloys are insu ffici en t fo r FSM actu a to rs [9 ].    2.   E X PERI MEN T AL PR O C EDU R E   A tern ary in termetall i c p o l ycrystallin e co m p o und  series  o f  Ni 50 Mn 50- y Sn y  (y = 5,  10 , 1 2 . 5 ) F S M A s   Heusl e r al l o y   was pr epa r ed  by  no n-c o ns u m abl e  arc-m e l t i ng. T h e com m e rci a l  puri t y   of us ed Ni , M n , Sn a r e   99 .9 5% 99 .9 % an 9 9 . 9 9 %  res p ect i v el y .  The  m e lt i ng  was ca rri e d  o u t   un der  hi gh  p u r i t y  atm o sp he re   (99 . 99 6 % ). For th p r ep arati o n   o f   allo y in go t, th e m e lti ng cham ber was  evacuate d  to a  press u re of  10-5 torr  an d  t h en  w a s pu rg ed  w ith pu re ar gon . Th pr o cess of  ev acu a tio n and   p u rg ing  was r e p e ated  up  to  t h r e ti m e s.   The m e lting was carried out in an  argon atm o sphere a nd at a chamber  p r essur e  of  n ear ly 10 -5 to rr .  Fo co m p lete h o m o g e n i zation  of th e allo y, th e en tire m e l ti ng proces s was  repeated seve ral times. Then t h e alloy  was cast in to   a rod  fo rm  sho w n  in   Figu re 1 .   Th is  co m p o s ition  tran sfo r m s  Marten site at ro o m  te mp erat u r (Ms=  6 7 °C)  with  Marten sitic Cu rie tem p eratu r e, Tc cl o s e t o   roo m  te m p eratu r (1 4°C).  Th e i n go was  sealed   in  a q u a rtz amp o u l e filled  wi th  h e liu m  g a an d  so lu tion i zed  at 1 0 0 0 °C for 2 4   h our for ho m o g e n i zation. Th Martensitic and auste n itic transform a t i ons in these alloys successfully  characterize d  by usi ng  Optical  M i crosc opy  a n Di ffe re nt i a l  Scan ni n g  C a l o ri m e t r y .         Fi gu re  1.  Pre p a r ed  sam p l e  of  Ni 50 Mn 37 .5 Sn 12.5  Heusler  FS M A     3.   RESULTS  A N D  DI SC US S I ON   3. 1.   Op ti cal  Mi crosc op y   In  t h e Fi g u re  2(a), d i fferen t   marten sitic lay e rs are  presen t   with  d i fferen t o r ie n t atio n  i n  each   g r ai n   o f   the sam p le at room  te m p erature.    T h phas e  trans f o r m a tio n  resu lts  fro m  a coo p e rativ e an d co llectiv m o t i o n   o f  ato m s o n  d i stan ces sm al le r th an  th e lattice p a ram e ters. Th e ab sen ce o f  d i ffu s ion  mak e s th e m a rte n sitic  p h a se tran sfo r matio n  al m o st  in stan tan e ou s.  Fig u re 2(b )  sho w s m a g n i fied i m ag e o f  m a rt en sitic layer with  20 magnification, prese n t at Ni 2 Mn Sn   sam p le. Th e crystal la ttice o f  th m a rten sitic p h a se  h a s lo wer symmetry   th an  t h at of t h e p a ren t  au sten itic p h a se so   th at sev e ral v a rian ts  o f  m a rten site can b e  form ed  fro m  th e same   pare nt  p h ase  cry s t a l .  M a gn et i c  shape m e m o ry  effect  i n  t h ese m a t e ri al s i nvol ves t h m ovem e nt  of t w i n   bo u nda ri es  w h i c h re sul t s  i n  t h gr o w t h  o f   o n of  t h e  t w i n   vari a n t s  at  t h expe nse  o f  t h e  ot her  i n   res p o n se t o   an  app lied  m a g n e tic field   b e lo w th e m a rtensitic tran sformatio n  tem p eratu r e. Th e m i cro s tru c ture of Ni 2 Mn Sn  sam p l e  t a ken f r om  Opt i cal  M i crosc ope  i s   gi ven  bel o w:       Fig u re  2 .  (a)  A nu m b er of Marten sitic layers  p r esen t in Ni 50 Mn 45 Sn 5 , (b ) en larg ed m a rten sitic layer at 2 0 m a gni fi cat i o n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J AA S I S SN 225 2-8 8 1 4       Ma rtensitic Tra n s f o rma tion   Ch a r a c teristic o f  Ni-M n  Ba sed  Ferromagn et ic S hap e Memo ry (Ajit Beh e ra 20 7 3.2.   Di fferential Sc anning Cal o rimetr y   Tran sf orm a t i on t e m p erat ure s  det e rm i n ed  u nde r ze ro  st ress  by  u s i ng  Di f f ere n t i al  Scanni ng   Calorim e ter.  To c h aracteriz e the m a terial beha vior , it  is i m p o r tan t  to  id en tify th e reg i o n s   wh ere th marten site p h a se ex ists. Th e mag n e tic sh ape  m e m o ry eff ect  i s  onl y  pres ent  i n  re gi o n con s i s t i ng  of s t abl e   marten site. These reg i on of stab ility h o wev e r, are  tem p eratu r d e p e nden t . Tem p erat u r es ov er  wh i c h  t h e   pha se t r ans f o r m a t i on begi n s  and e nds a r e cal l e d t r ansf or m a t i on t e m p erat ures. T h e al l o y  abso r b s, o r  em it s,  heat over a s m all change i n  the s p ecim e n te m p erature ,  wh en th ere is a  p h a se tran sfo r matio n  o c cu rs  in  th material. In  b e lo w figures num b e r-1  rep r esen t as fo rw ard   marten sitic tra n sfo r m a tio n  and  nu m b er-2  rep r esen t   rev e rse m a rtensitic tran sfo r m a tio n .  Marten sitic start te m p eratu r e, Marten sitic fin i sh  tem p eratu r e, au sten itic  starte te m p eratu r e and  au stenitic fi n i sh  temp erat u r e are  d e n o t ed  as M s , M f , A s , A f  re s p ectively. In Figure 3,  t h e t e m p erat ur e was  rai s e d   fr om  300 °C  t o  5 0 0 ° C  a n d  l o we r f r o m  500 °C  t o   30 0°C  at  a  ra t e  of  5 ° C / m i n,  whi l e   th e b a selin h e at flo w   rate v s . te m p eratu r was record ed   b y  th e d a ta acq u i sition  co m p u t er.  Here M s , M f , A s   and A ar e 4 2 3 . 0 2 °C, 40 3.73 °C,  428 .3 6°C, 45 2.99 °C   r e sp ectiv ely.    I n  Fi g u re  4 ,  t h e t e m p erat ure  was rai s e d   fr o m  100 oC  t o  2 0 0oC  a n d l o wer  fr om  200 oC  t o  1 0 0oC  at  a   rat e  of  5°C / m i n. M s , M f , A and A f   t e m p erat ure o b t a i n e d   are 16 9. 8 9 ° C 15 6. 5 9 °C , 18 8. 9 4 °C , 19 5 . 5 2 °C   respectively.        Fig u re  3 .  Mart en sitic tran sfo r matio n  fo samp le  Ni 50 Mn 45 Sn     Fig u re  4 .  Mart en sitic tran sfo r matio n  fo samp le  Ni 50 Mn 40 Sn 10       In  Fi g u re  5, t h e t e m p erat ure  was rai s e d   fr o m  100 °C  t o   20 0°C  a nd l o we r  fr om  200 °C  t o  1 0 0 °C  at  a   rat e  of  5°C / m i n. M s , M f , A s  and  A f  t e m p erat ure  o b t a i n ed are  16 9. 8 9 ° C ,  1 5 6 . 5 9 °C ,  18 8. 9 4 °C 19 5. 52 °C   respectively.  From  ab ove  t h ree  fi g u res ,  a   gra p dra w n i n  Fi g u re  6;  i t   i s  wel l   kn o w n  t h at   wi t h  c o n s t a nt  wei ght   perce n t   of  Ni ,   by  i n c r easi n wei g ht   perce n t  o f  S n  i n   a n  all o y; there  is  de crease i n  all the val u of  M s , M f , A s   and A f . it is k n o wn  th at, th m a rten sitic st artin g  tem p eratu r e fo Ni 50 Mn 37 Sn 13  allo y h a v e   17 °C [1 0] and  Ni 50 Mn 36 Sn 14  a l l o y  have  - 5 C  [1 1]  .       Fig u re. 5. Mart en sitic tran sfo r matio n  fo samp le  Ni 50 Mn 37.5 Sn 12.5     Fi gu re 6.   C o m p ari s i o n o f   M s , M f  with  resp ect  to   Sn   wei g ht  pe rce n t         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 252 -88 14  IJAAS   Vol. 2, No.  4, Decem ber :   205  –  208  20 8 4.   CO NCL USI O N   In   Ni-Mn-Sn  allo ys, if we in crease th e Sn  weig h t  pe rcent a ge, t h e n  M s M f , As a nd  Af  t e m p erat ure   sim u l t a neousl y  dec r eases.       REFERE NC ES   [1]   J. Pons,  et al.  "Structur e  of the l a yer e d m a rten sitic phases of Ni-Mn-Ga allo y s ”,  Materials Science and Engineering   A , Pp. 438-440 93-934, 2006 [2]   Katsunari Oikawa,   et al , "Mart e nsitic  Transfor m a tion and Magneti c Properties  of Cu-Ga-Mn   Allo y s ,   Mate rials  Transactions , Vol/Issue: 45(8) Pp. 2780-2784,  2004.  [3]   S .  J .  M u rra y,  M .  M a rioni , S . M .   A llen,  R.C .  O .  H a ndle y ,   T.A .  Lo gras s o Appl . Ph ys L e t t . , Vol.77. Pp.886-888,200 0.  [4]   M. W u ttig , L .   Li u, K.  Tsuchi ya ,   R.D. Jam e s.   J. Appl.  Phys . Vol. 8 7 . Pp. 4707-471 1, 2000 [5]   B y ung Sang Choi. “Thermal, Magnetic and  Magnetoelastic data  on three differ e n t  Heusler allo y s  based on Ni-Mn - X (X=Ga,In o r  S n )”,   IEEE Transaction  on Magn etic , Vol/Issue: 4 2 (7), 2006 [6]   Kaus hik Bhat tac h ar ya.  “ S elf-a cc ommodation in  martensite”,  Arch. Ra tional Mech. Ana l , Vol.120 .Pp.201-244,199 2.  [7]   S .  Chatt e rj ee,   et al.  "Magn e tic Investigations  on Ni-Mn- S n  Ferrom a gneti c S h ape M e m o r y A llo y” Ad vanced   Mate rials Re se arc h , Vol. 52 . Pp. 215-220, 2008.  [8]   P .  J .  Brow et  al J .   Phys .:  Cond ens .  Mat t er , Vol. 18. Pp. 2249 , 20 06.  [9]   Y. Sutou. “ M agneti c and m a rt en sitic tr ansform a ti ons of NiMn ( X =In,Sn,Sb) ferr omagnetic  sha p e me mory   a l l o y s ”,   Vol/Issue: 85(19 ), 2004 [10]   D. L. Schlagel,   et al.  "Temperature dep e nden ce of the fiel d-induced phase tr ansformation in  Ni 50 Mn 37 Sn 13 ”,   Scripta Ma terialia , Vol. 59 . Pp.  1083-1086, 200 8. DOI:  10 .1016 /j.scr i ptamat.200 8.07.039   [11]   Keiichi Koy a ma,   et a l .  "Obser vation of f i eld- induced rev e rse  tr a n sforma t i on in fe rroma gne t i c sha p e  me mory   allo y N i 50 Mn 36 Sn 14 ”,  Appl. Phys.  Lett ., Vol. 88. Pp. 132505 , 2006 . h ttp://dx . doi.o rg /10.1063/1 . 2189 916.      BIOGRAP HI ES OF  AUTH ORS           Ajit Beher a  was born in 1987. He received B.T ech Degree in 2 009 from  Bijupatnaik univ e rsi t y   of technolog y ,   Rourkela and M . Tech degrees  in 2012 from Na tional Institute of Technolog y ,   Rourkela, India. Currentl y  he is  doctoral r e sear ch scholar at In dian Institu te of  Technolog y ,   Kharagpur, India. He published  some book  in  “M aterials Engineering He is working as a  Reviewer /Edi tor  in m a n y   international journals.        Asit Beher a  was born in 1991 . He received B achlor  degr ee ( M echanical Eng i neer ing) from   Bijupatn aik University  of  Techn o log y , Rourk e la.  Currently  he  is doing  research in  Mechan ical  Engine ering, De partm e nt in Nat i onal Institu te of   Techno log y , Ro urkela . His W o rking area  is on  M echani cal  M a t e ria l .       Prof. S.C Mishr a , One of the senior most prof essor in the Departm e nt of Metallurg ic al and  Materi al Engg .,  Nationa l Institut e  of  Techno log y , Rourk e l a . He  has also com posed a chap ter in  a highl y   acclai m e d book in sc ientif ic circl e s:  "Advanced Plasm a  Spray  Appli cat ions" titled   "Analy sis of  ex perimental  r e sults of plasma spray  co atings  u s ing statistical  techniqu es. In  addition  to all the awards and  r ecognition, Th International  Bi ographic C e ntre of Cambridge,  England  has no minated  the prof essor  for th e "Ol y m p ian  Achiev e r " award.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.