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Ni-Fe-Ga-(Co)铁磁形状记忆合金的晶体结构、马氏体相变和磁性能的研究

李艳波  
【摘要】:近十几年来新发展起来的Ni-Fe-Ga-(Co)铁磁形状记忆合金,由于兼具大恢复应变、大输出应力、高响应频率和可精确控制等综合特性,成为目前国际金属材料和凝聚态物理研究的热点之一。为改善前人尝试实验法工作量大、研究周期长、成本高的缺点,本文采用计算与实验相结合的方法进行研究。通过第一原理计算确定了Co的优先占位,设计Ni-Fe-Ga-Co合金系。采用感应熔炼制备了Ni50+xFe25-xGa25(x=0,1.5,3,4.5,6)和Ni56-yFe19Ga25Coy(y=0,1.5,3,4.5,6)合金系,利用能谱分析(EDS)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、差示扫描量热仪(DSC)、振动样品磁强计(VSM)和透射电镜(TEM),并结合第一原理计算,分析了Ni-Fe-Ga-(Co)铁磁形状记忆合金的晶体结构、马氏体相变以及磁性能随合金成分变化的规律,并揭示了其物理本质。第一原理计算结果表明,合金化的第四组元Co占normal-Ni的能量较低,故Co优先占据Ni的原始位置。Ni的原子磁矩明显低于Fe的原子磁矩,Ni-Fe-Ga合金在Ni’取代Fe的过程中,奥氏体及马氏体的总磁矩均随Ni含量增加而减小;Co的原子磁矩明显强于Ni的原子磁矩,Ni-Fe-Ga-Co合金中奥氏体及马氏体的总磁矩均随Co含量增加而增大。DSC测量结果表明,Ni50+xFe25-xGa25合金的马氏体相变温度Tm随着Ni含量的增加而升高,尺寸因素和价电子浓度正向促进了这一结果;Ni56-yFe19Ga25Coy合金的相变温度随着Co含量的增加而降低,尺寸因素和价电子浓度对Tm的影响起相反的作用,价电子浓度的影响较强。结合DSC、XRD、TEM研究结果得出,Ni50+xFe25-xGa25合金当Ni含量≤53 at.%时,TmmT0,室温组织为L21相和γ相;当Ni含量53 at.%时,TmTo,室温组织为马氏体和γ相,其中Ni54.5Fe20.5Ga25合金中的马氏体为14M,而Ni56Fe19Ga25合金中的马氏体由6M和14M组成。γ相的含量随Ni含量增加大体呈增多趋势。EDS能谱分析显示γ相为富Fe贫Ga相。Ni56-yFe19Ga25Coy合金的马氏体转变温度均在室温之上,室温组织为马氏体和γ相,Co1.5合金中的马氏体仅为14M马氏体,当Co含量≥3at.%时,合金的马氏体由6M和14M组成。丫相为富Fe和Co而贫Ga相。基体相和丫相的Ni含量随着Co含量的增加而下降,Fe和Ga的含量之和变化很小,这证实了添加的Co元素取代了Ni原子的位置,与计算结果相吻合。通过VSM恒温和变温磁化曲线得到,随着Ni含量的增加,Ni50+xFe25-xGa25合金的Ms下降,合金磁性能减弱;随着Co的不断加入,Ni56-yFe19Ga25Coy合金的Ms增大,合金磁性增强,与计算结果一致。Ni50+xFe25-xGa25合金的居里温度Tc随着Ni含量的增加而降低;Ni56-yFe19Ga25Coy合金的Tc随着Co含量的增加显著升高并高于室温To;当Co含量4 at.%时,TCTmT0,并具有大的Ms。


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