The effects of Cr content (1-5 wt%) on the shape memory effect and tensile properties of Fe-30Mn-5Si-Cr shape memory alloys have been investigated. In contrast to the usual shape memory alloys such as Ni-Ti and Cu-based alloys, the shape memory effect of the Fe-Mn-Si alloy was attributed to the stress induced $\gamma$ (fcc) $\to\varepsilon$ (hcp) martensitic transformation which was caused by the motion of Shockley partial dislocations.
It was found that the addition of Cr improved the tensile strength of the Fe-Mn-Si-Cr alloy. The yield strength increased from 270 MPa for 1Cr alloy to 364 MPa for 5Cr alloy at RT. The deformation mode changed from the usual slip and twinning to the stress induced $\gamma\to\varepsilon$ martensitic transformation with lowering temperature. Below $M_s^{\sigma}$ temperature, the stress induced $\gamma\to\varepsilon$ martensitic transformation was found, and the failure occurred without the formation of necking in a brittle manner due to the high work hardening rate.
The Neel temperature ($T_N$), at which paramagnetic to antiferromagnetic transformation takes place, related to $M_s^{\sigma}$ temperature, plays an important role in obtaining a good shape memory effect. Below this temperature, the $\gamma\to\varepsilon$ martensitic transformation is suppressed by magnetic ordering. The addition of Cr decreased the Neel temperature ($T_N$) of the Fe-30Mn-5Si-Cr alloy by 8°C/wt%.
It was found that the additions of Cr to the Fe-30Mn-5Si alloy increased the yield strength and reduced the Neel temperature ($T_N$) of the $\gamma$ phase, which promoted the stress induced $\gamma\to\varepsilon$ martensitic transformation and inhibited the intrusion of permanent slip. As a consequence, the shape memory effect of he Fe-Mn-Si-Cr alloy was enhanced by the addition of Cr. Nearly complete shape memory effect was observed below the $M_s^{\sigma}$ temperature. However, at above $M_s^{\sigma}$ temperature, the degree of the shape memory effect was less than 10%. By examining the internal structures using a transmission electron microscopy, it was confirmed that the origin of the observed shape memory effect was due to the stress induced $\gamma\to\varepsilon$ martensitic transformation, while the twinning made a little contribution to the shape memory effect in the Fe-30Mn-5Si-Cr alloys.
본 논문에서는 Fe-Mn-Si 형상 기억 합금의 인장 성질 및 형상 기억 효과에 미치는 Cr의 영향에 대하여 연구하였다. Fe-Mn-Si 합금에서의 형상 기억 효과는 Neel point ($T_N$) 와 밀접한 관계가 있으므로 Cr의 함량에 따른 Neel point ($T_N$) 의 변화에 대해서도 연구하였다.
Cr첨가에 의하여 제반 인장 성질 (연신율, 항복 강도, 인장 강도) 이 향상 되었으며, 특히 $M_s^{\sigma}$ 온도 이하에서의 항복 강도가 크게 증가하였다. Neel point ($T_N$) 는 Cr의 첨가에 따라 8°C/wt%Cr 로 감소하였다. 형상 기억 효과는 Fe-32Mn-6Si 합금에 5wt%의 Cr 첨가시 59%에서 76%로 향상되었다. 이러한 형상 기억 효과의 증가 요인은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 첫째로, Cr첨가에 의한 항복 강도의 증가이다. 항복 강도의 증가는 변형중 도입될 수 있는 영구 변형 (permanent slip) 을 감소시킨다. 둘째로, Cr첨가에 의한 Neel point($T_N$)의 감소이다. Neel point($T_N$)의 감소는 austenite의 안정도를 감소시킴으로써 stress induced martensite 변태를 촉진한다.
전자 현미경을 이용한 미세 조직의 관찰로부터 $M_s^{\sigma}$ 온도 이하에서는 stress induced $\gamma \to \varepsilon$ martensite 변태가 주된 변형 기구이고, $M_s^{\sigma}$ 온도 이상에서는 twinning 과 slip 에 의하여 변형이 진행됨을 알 수 있었다. $M_s^{\sigma}$ 온도 이하에서는 상당한 정도의 형상 기억 효과를 얻을 수 있으나, 그 온도 이상에서는 형상 기억 효과가 10% 미만이었다. 따라서 본 합금의 형상 기억 기구가 stress induced $\gamma \to \varepsilon$ martensite 변태이며, twining이 형상 기억 효과에 미치는 영향이 매우 적음을 알 수 있다.
