铁磁性形状记忆合金的马氏体相变与晶体学

【摘要】：铁磁性形状记忆合金(Ferromagnetic Shape Memory Alloy, FSMA)是一种具有热弹性马氏体相变的在外加磁场下能够产生应变的形状记忆合金。由于其响应频率高,输出应变大,FSMA得到众多学者的研究,尤其是具有Heusler结构的Ni2MnGa合金。利用铁磁性形状记忆合金的这些性能制备出的传感和驱动器件在电子、航空航天、电力和军事方面有着重要的应用前景。因此,研究铁磁性形状记忆合金中的热弹性马氏体相变过程成为提高合金性能的热点。 本实验通过冶炼Co掺杂的Ni_(52.5)Mn_(23.5)Ga_(24)合金观察其金相显微组织,测量了马氏体相变温度、居里温度和晶体结构,常温力学性能和磁化强度。再通过在高温下奥氏体的屈服强度60.2外推出在马氏体相变开始温度下的屈服强度σ0.2(Ms),根据屈服强度σ0.2(Ms)计算出马氏体相变驱动力。然后介绍了能量最小原理及其应用。根据合金的晶体结构和晶格常数通过能量最小原理预测孪晶界面、同一个晶粒内不同取向的孪晶界面夹角j二次孪晶结构、惯习面和在相变过程中奥氏体和马氏体的取向关系。最后为了寻找韧性良好的铁磁性形状记忆合金,本论文研究了在Ni56.5Fe17Ga26.5加入少量的Pd元素,研究其对合金的各种性能的影响。上述研究结果表明： (1)合金(Ni_(52.5)Mn_(23.5)Ga_(24))100-xCox(x=0,2,4,6,8)的马氏体相变温度Ms,Mf,As和Af随着Co含量的增加而增加,这说明了价电子浓度与马氏体相变温度呈线性关系。居里温度对合金成分也很敏感,Co-Mn之间的耦合作用和Mn-Mn之间的距离成为影响合金的居里温度和饱和磁化强度的重要因素。马氏体相变是由立方相奥氏体转变为四方相马氏体,可以产生三个不同方向的马氏体变体,产生孪晶马氏体,马氏体孪晶面通过TEM确定为{112}。常温下的力学性能说明掺杂Co阻止了马氏体孪晶界面的滑动,并且裂纹是沿着晶界处开裂。研磨能够使原子有序度降低,导致马氏体相变消失,但经过在600℃下保温3h的退火处理基本能够恢复同块体试样相同的马氏体相变。 (2)合金(Ni_(52.5)Mn_(23.5)Ga_(24))100-xCox(x=2,4,6和8)的马氏体相变驱动力和奥氏体在马氏体相变开始温度Ms下的屈服强度σ0.2关系为ΔGnon-chem P→M=1.19σ0.2(MS)+1.63。同时研究发现衡量马氏体相变驱动力的一个标准是平衡温度与马氏体相变开始温度之间的差值△T,△T也随着合金屈服强度的增加而增大。 (3)在(Ni_(52.5)Mn_(23.5)Ga_(24))98Co2合金中马氏体变体在晶粒内交错排列,孪晶界面在相变前奥氏体晶格为{110}P,在相变后在马氏体的晶格上为{1 1 2}M。能量最小原理计算出来的和透射电镜观察到的结果是相同的。能量最小原理计算的同一个晶粒内不同取向孪晶界面夹角为85.04。,这与通过试验观察到的很接近。在金相显微学中观察到了二次孪晶结构,由能量最小原理算出的不同取向的孪晶面应该是相互垂直的,这与实际观察到的结果相吻合。在Ni_(52.5)Mn_(23.5)Ga_(24)合金中,由能量最小原理计算出的合金的惯习面为{0.70811,-0.04348,0.70476},这与Cong通过WLR理论算出来的相差10.6°。由能量最小原理计算出合金Ni_(52.5)Mn_(23.5)Ga_(24)的马氏体和奥氏体的取向关系接近于Bain关系,坐标关系为(001)A和(001)M1之间相差45.0°,[100]A与[100]M1相差4.21°,而试验观察到的情况是(001)A和(001)M1之间相差44.8°,[100]A与[100]M1相差3.95。 (4)在Ni56.5Fe17Ga26.5中添加Pd能够促进生成γ相,并且γ相易于在晶界上生成,添加Pd还起到了细化晶粒的作用,并且使Ni56.5Fe17Ga26.5合金的马氏体相变温度和居里温度略有提高。合金马氏体相的结构为7层调制结构。通过应力应变测试发现,通过掺入Pd形成了更多量的γ相提高了合金的韧性。