Ni-Mn-In基合金的马氏体相变与结构和性能

【摘要】： 本文采用扫描电镜观察、透射电子显微分析、X射线衍射分析、示差扫描量热分析、室温压缩试验、交流磁化率测试、物性测量及相变应变测试等方法系统研究了Ni-Mn-In基磁性记忆合金的相变行为及组织结构和性能;阐明了In含量及Co和Fe掺杂对相组成、马氏体相变、力学性能和磁性能的影响规律和机制。 研究发现,Ni50Mn50-xInx(x=16, 15, 14, 13, 12)合金为单一固溶体;Co和Fe的掺杂改变了Ni-Mn-In合金的相组成:当Co含量达3at.%或Fe含量达5at.%时,合金基体中形成短棒状富Co或富Fe的面心立方γ相;且γ相的尺寸和体积分数随Co或Fe含量的增加而增大。 试验结果表明,Ni50Mn50-xInx合金在冷却/加热过程中发生热弹性马氏体相变及逆相变,In含量降低相变温度升高。当In含量为15at.%时,马氏体为单斜5M调制结构;当In含量为13at.%时,马氏体为单斜7M结构;当In含量为12at.%时,马氏体为单斜7M调制与少量非调制结构;当In含量为14at.%时,合金降温过程中发生立方L21→正交4O→单斜7M调制结构的两步马氏体转变。Ni50Mn50-xInx合金马氏体变体间主要为(102)M I型孪晶关系。Ni50Mn34In16-yCoy(y=0, 2, 3, 4, 5, 8)与Ni50Mn34In16-yFey(y=0, 2, 3, 4, 5, 8)合金降温过程中主要发生立方L21→单斜7M调制结构的一步热弹性马氏体相变;Co或Fe的掺杂改变了合金的基体成分,随Co含量增加,马氏体相变温度先升高后降低,Fe含量增加,马氏体相变温度升高;掺杂后马氏体变体间除呈(102)M I型孪晶关系外还观察到(111)M I型孪晶关系。 室温压缩实验表明,Ni50Mn50-xInx合金的断裂强度和断裂应变随着In含量的降低稍有增加,而Co和Fe掺杂均使合金断裂强度和断裂应变显著提高。Co的掺杂量为8at.%时,断裂强度和断裂应变分别达1420MPa和20.5%。Co或Fe掺杂提高塑性的主要原因在于:合金基体中的面心立方γ相阻碍了裂纹扩展;同时,合金的断裂方式从沿晶脆断逐渐转变为穿晶断裂,并出现韧性的撕裂棱。 磁性测量表明,In含量改变,Ni50Mn50-xInx合金的居里温度无明显变化,当In含量大于等于15at.%时,居里温度高于马氏体相变温度,在外磁场作用下发生顺磁马氏体→铁磁母相的转变;当In含量低于15at.%时,居里温度低于马氏体相变温度,未观察到磁场诱发马氏体逆相变。掺Co或Fe部分替代In后,居里温度增加,使得Ni50Mn34In8Co8与Ni50Mn34In14Fe2合金居里温度高于马氏体相变温度,施加磁场后发生了马氏体逆相变。另外,在居里温度附近施加磁场,Ni50Mn36In14Fe2合金呈现大的磁热效应,当磁场强度为8T时,其磁熵变达53J/kgK。