NiMnGa合金相界面移动的热动力学分析

【摘要】：铁磁形状记忆合金是一类新型智能材料,除具有传统形状记忆合金大应变、高推动力的特点外,还具有磁致伸缩材料和压电陶瓷材料的响应速度快和高效率的优点,是智能材料领域的研究热点之一。作为铁磁形状记忆合金典型材料的NiMnGa,不仅展现出了完全的双向形状记忆效应和大的磁感生应变,而且其马氏体相变表现出多样性的特点。由于其磁感生应变的机制就在于磁场诱发孪晶变体的再取向,且最大值都是在马氏体相变刚刚结束时的温度处获得,因此研究孪晶界移动可从另一方面揭示其相变机制。在某些成分的合金中,该材料不仅可以发生磁转变、马氏体相变,而且还可以发生中间马氏体相变或预马氏体相变;调整材料的组分,可使材料的马氏体相变和磁转变同时发生。材料展示出的独特而丰富的物理特性,具有较广泛的研究意义,其展现出来的驱动和传感等应用功能,预示着铁磁形状记忆合金材料在工业各领域都有着较好的应用前景。 本论文先采用电弧炉制备多晶材料再通过提拉法制备不同组分的单晶,采用两步热处理工艺对样品进行退火处理,并且通过多种测量手段,如应变测量、电阻测量、X射线衍射、交流磁化率测量、差式扫描量热分析法等,系统的研究了一些组分的NiMnGa单晶的相关物理特性。 对提拉法生长的Ni46Mn35Ga19单晶的磁转变和马氏体相变同时发生的转变行为进行了系统表征,分析了这种同时发生的转变行为的内在机制及转变特点。在该合金中同时获得了应变量分别达-0.89%和-1.90%的自发的和磁增强的双向形状记忆效应。根据合金形状记忆的特点和马氏体变体择优取向的机理,对实验结果进行了分析和讨论。 基于热力学理论和一些实验数据,对马氏体相变温度分别低于、接近和高于室温的三种非正配分比的Ni-Mn-Ga单晶相变过程的能量做了计算。结果给出相变循环曲线的斜率取决于弹性应变能,并且热滞后由界面的摩擦引起。我们在这些待测样品中发现,从立方结构到四方结构转变过程中的能耗大于亚稳相中的能量。这种结果是由于较大的能量势垒阻碍了马氏体相变过程中从立方结构到四方结构的相界面移动,所以相应的能量损耗较多。 对于Ni 52 Mn 24.5 Ga 23.5单晶样品,测量了不同温度下的磁感生应变,样品Ni52Mn24.5Ga23.5单晶的马氏体相变的热滞后较小,马氏体相变时沿着单晶生长方向产生膨胀应变,逆相变时产生收缩应变。该合金的母相为L21面心立方结构,马氏体相为五层(5M)体心的四方结构。 利用实验结果分析讨论了Ni52Mn24.5Ga23.5材料的磁感生应变的温度依赖性。发现这种材料具有较大的自发相变应变量和磁感生应变量。N i 52 Mn 24.5 Ga 23.5单晶的磁感生应变温度依赖性较强。根据合金的内禀机制,分析了NiMnGa合金磁感生应变温度依赖性的原因。并利用热动力学原理,计算了磁感生应变加载和卸载磁场一个循环过程中马氏体孪晶界移动的能量损耗,给出了能量损耗随温度变化的关系,结果表明磁感生应变量可定性反映一个循环过程中孪晶界移动的能量损耗。