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二元铁基Fe-X(X=Ga,Mn)合金的结构及磁致伸缩研究

张晶晶  
【摘要】:二元铁基磁致伸缩Fe-X(X=Ga,Mn)合金不仅具有大的磁致伸缩效应,而且机械性能优良,在驱动器、扭矩传感器、水下声纳系统等领域有着广阔的应用前景。本文系统研究了Fe81Ga19合金的相结构、显微组织、磁畴形貌、磁性能和磁致伸缩,探索了Fe81Ga19合金不同冷却速度下的相变行为,发现了亚稳态fcc相(A1)的析出与溶解过程,并揭示了相转变对磁致伸缩性能的影响规律,这对了解Fe-Ga合金磁致伸缩的热历史敏感性及其磁致伸缩机制有着重要意义。此外,研究了Fe-Mn合金的磁致伸缩性能与相结构及织构的关联性,发现保持单一γ相是获得大磁致伸缩的前提,并采用冷轧和退火工艺,获得了具有110取向的T-Fe50Mn50合金,磁致伸缩可提高148%。主要研究结果如下: 热处理有助于提高快淬Fe81Ga19合金薄带的磁致伸缩性能。快淬Fe81Ga19合金薄带室温下具有单一A2结构,并沿厚度方向形成了100择优取向,其取向度随着薄带厚度的增加而增强。在800℃保温3h后再进行淬火处理,可避免Fe81Ga19薄带杂相析出,并提高取向度,饱和磁致伸缩系数可达-189ppm,较热处理前的-163ppm提高了16%。悬挂式薄带磁致伸缩测量装置可以在很大程度上避免测量过程中,薄带沿外磁场方向弯曲的现象,所获得的磁致伸缩也将更加接近于Fe81Ga19合金薄带的本征应变值。 不同冷速下Fe81Ga19合金的室温相结构差异显著。800℃淬火可以把单一的A2相保留到室温,但是在慢冷条件下,其室温相组成变成了A2/D03或A2/fcc的相混合。与D03相相比,fcc相析出所需冷却速度较低。相组成的温度依赖性研究表明fcc相在500℃开始从A2基体中析出,在400℃时,其体积分数达到最大值,之后随温度下降,fcc相开始溶解,这表明fcc相在400℃以下是亚稳的。而且,XRD计算结果表明,本文观察到的亚稳fcc相的晶格常数要远大于在相同的Ga含量下平衡相L12的晶格常数,因此认为这种亚稳的fcc相可能是γ-Fe固溶体(A1)相。Fcc相的形成增加了合金电阻率,但降低了Fe81Ga19合金的室温饱和磁化强度和饱和磁致伸缩系数。 不同热处理状态Fe81Ga19合金的磁致伸缩性能敏感地依赖于磁畴结构。淬火和空冷态样品都展现了条形畴,但空冷态样品中条形畴的平行排列度要明显低于淬火态,在部分区域还出现了Z字形的条形畴。之后,随冷却速度的继续下降,除了条形畴,树枝畴和片状畴也可以在热处理Fe81Ga19合金中被观察到。高度平行排列的条形畴结构有利于提高Fe81Ga19合金的磁致伸缩性能。 保持单一γ相是Fe-Mn合金具有高磁致伸缩的前提。铸态Fe58Mn42合金室温为单一的γ相,在1350kA/m的外磁场下,其磁致伸缩可达到690ppm。1000℃24h等温热处理使Fe58Mn42合金在高温发生相分离,炉冷和淬火态样品室温下为γ相、ε相和α相的三相混合。γ相的晶格常数及奈尔温度随相分离而升高,另外伴随着顺磁性ε相和铁磁性α相的析出,样品的磁化强度增加。但是,这种相分离导致磁致伸缩下降,在1350kA/m的磁场下,炉冷和淬火态样品的磁致伸缩值分别下降到530ppm和325ppm。 冷轧及退火处理可以促进γ-Fe50Mn50合金织构形成,并提高磁致伸缩性能。经70%冷轧后,合金仍保持单一Y相,并形成{001}110、{011}110和较弱的{011}100板织构。由于轧制过程形成了晶体缺陷和内应力,1440kA/m的外磁场中的磁致伸缩由铸态的810ppm降低到轧制态的675ppm。在600℃进行1h退火处理,冷轧γ-Fe50Mn50合金依然保持单一γ相和110取向,在1440kA/m磁场下的磁致伸缩可达到2009ppm。


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