（理论物理专业论文）二元feni合金的因瓦效应及微结构的研究.pdf

二元f e n i 合金的因瓦效应及微结构的研究 摘要 本文利用迈克尔逊干涉仪，测量了不同化学成分的二元f e n i 合金的热 膨胀系数；用符合正电子湮没辐射d o p p l e r 展宽谱仪研究了f e n i 合金中3 d 电子的行为；用正电子湮没寿命谱仪研究了f e n i 合金的微观缺陷和电子密 度；用开尔文电桥测量了f e n i 合金的电阻率；讨论了缺陷对合金电阻率的 影响。通过对f e n i 合金的穆斯堡尔谱的分析，获得合金中的超精细相互作 用等信息。从微观缺陷、电子结构和超精细相互作用等深层次因素揭示 f e n i 合金热学性能、磁性能和因瓦特性的微观机理。 本工作所获得的主要实验结果如下： ( 1 ) 利用迈克尔逊干涉仪测量了不同化学成分的二元f e n i 合金的膨 胀系数，实验发现f e 6 5 n i 3 5 的膨胀系数最低，偏离该成分的f e n i 合金的膨 胀系数增大。 ( 2 ) f e 和n i 金属都有3 d 电子，其中部分3 d 电子尚未配对，当f e 和n i 原子组成f e n i 合金时会发生d - d 电子作用。分析不同化学成分的二 元f e n i 合金的符合正电子湮没辐射d o p p l e r 展宽谱发现，f e 6 5 n i 3 5 合金中 的3 d 电子信号最强，偏离该成分的f e n i 合金的3 d 电子信号减弱。 ( 3 ) 分析不同化学成分的二元f e n i 合金的正电子湮没寿命谱发现， f e 6 5 n i 3 5 合金基体中的自由电子密度较大，且该合金的的缺陷浓度较低，缺 陷的开空间最小：偏离该成分，f e n i 合金基体中的自由电子密度降低，缺 陷的开空间增大。 ( 4 ) 因瓦成分配比下的合金电阻率出现了异常_ f e 6 5 n i 3 5 合金的电 阻率相对较低。 ( 5 ) f e 6 5 n i 3 5 合金的穆斯堡尔谱参数也出现了异常，其内磁场相对较 小。 关键字：f e n i 合金因瓦合金因瓦效应膨胀系数微缺陷 正电子寿命谱正电子多普勒展宽谱穆斯堡尔谱 本文为国家自然科学基金( 批准号：1 0 7 6 4 0 0 1 ) 和广西自然科学基金( 批 准号桂科回0 8 3 2 0 0 3 ) 资助项目。 i i s t u d i e so fi n v ：! u 己e f f e c ta n d m i c r o s t r u c t u r eo fb i n a r yf e n i a l l o y s a b s t r a c t t h et h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t so ft h eb i n a r yf e - n ia l l o y sw i t hd i f f e r e n t c h e m i c a lc o m p o s i t i o n sh a v eb e e nm e a s u r e db yt h em i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e r t h eb e h a v i o ro f3 de l e c t r o ni nf e n i a l l o y s h a v eb e e ns t u d i e db yp o s i t r o n c o i n c i d e n c e d o p p l e rb r o a d e n i n gs p e c t r o s c o p y t h em i c r o d e f e c t s a n dt h e e l e c t r o nd e n s i t yo ft h eb i n a r yf e n ia l l o y sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e db yp o s i t r o n l i f e t i m em e a s u r e m e n t t h er e s i s t i v i t i e so ft h eb i n a r yf e - n ia l l o y sh a v eb e e n m e a s u r e db yak e l v i nd o u b l eb r i d g e t h ei n f o r m a t i o no fh y p e r f i n ei n t e r a c t i o no f t h eb i n a r yf e - n ia l l o y sh a sb e e no b t a i n e db ya n a l y s i s i n gt h em 6 s s b a u e r s p e c t r a t h ee f f e c to fm i c r o d e f e c to nt h er e s i s t i v i t i e so ft h ea l l o y sh a sb e e nd i s c u s s e d t h et h e r m a l ，e l e c t r i ca n dm a g n e t i cp r o p e r t i e sa sw e l la st h em i c r o - m e c h a n i s mo f t h ei n v a re f f e c to ft h e b i n a r y f e - n ia l l o y s ，w h i c hc o r r e l a t e dw i t ht h e i r m i c r o - d e f e c t s ，e l e c t r o n i cs t r u c t u r ea n d h y p e r f i n ei n t e r a c t i o n ，h a v e b e e n d i s c u s s e d i i i t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h er e s u l t so b t a i n e df r o mt h em e a s u r e m e n t so ft h et h e r m a le x p a n s i o n c o e f f i c i e n t so ft h eb i n a r yf e n ia l l o y sw i t hd i f f e r e n tc h e m i c a lc o m p o s i t i o n sb y u s i n gt h em i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e rs h o wt h a tt h et h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t o ff e 6 5 n i 3 5r e a c h e st h el o w e s tv a l u e t h et h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n ti s i n c r e a s ew h i l ed e v i a t i o nf r o mt h ec o m p o s i t i o no ft h ef e 6 5 n i 3 5a l l o y ( 2 ) t h e r ea r e3 de l e c t r o n si nf ea n dn ia t o m s ，s o m eo ft h e mw i t h o u t c o u p l i n g ，a n dt h ed - de l e c t r o ni n t e r a c t i o nw i l lt a k ep l a c ew h e nf ea n dn ia t o m s c o m b i n e dt of o r mf e n ia l l o y t h er e s u l t so b t a i n e df r o mt h em e a s u r e m e n t so f t h ep o s i t r o nc o i n c i d e n c ed o p p l e rb r o a d e n i n gs p e c t r ao ft h eb i n a r yf e n ia l l o y s w i t hd i f f e r e n tc h e m i c a lc o m p o s i t i o n si n d i c a t et h a tt h e3 de l e c t r o ns i g n a lo f f e 6 5 n i 3 5a l l o yi st h eh i g h e s ti nt h ea l l o y st e s t e d d e v i a t i o nf r o mt h ec o m p o s i t i o n o ft h ef e 6 5 n i 3 5a l l o y , t h es i g n a lo f3 de l e c t r o nd e c r e a s e s ( 3 ) t h er e s u l t so b t a i n e df r o mt h em e a s u r e m e n t so ft h ep o s i t r o nl i f e t i m e s p e c t r ao ft h eb i n a r yf e - n ia l l o y sw i t hd i f f e r e n tc h e m i c a lc o m p o s i t i o n ss h o w t h a tt h eb u l ke l e c t r o nd e n s i t ya n dt h ec o n c e n t r a t i o no fm i c r o d e f e c t so ft h e f e 6 5 n i 3 5a l l o yr e a c ht h eh i g h e s tv a l u e s ，w h i l et h eo p e nv o l u m eo fd e f e c t si nt h e a l l o yi st h es m a l l e s t d e v i a t i o nf r o mt h ec o m p o s i t i o no ft h ef e 6 5 n i 3 5a l l o y , t h e o p e nv o l u m eo fd e f e c t sw i l li n c r e a s ea n db u l ke l e c t r o nd e n s i t yw i l ld e c r e a s e ( 4 ) r e s i s t i v i t yo ft h ef e 6 5 n i 3 5a l l o yi sa b n o r m a l - t h er e s i s t i v i t yo ft h e f e 6 5 n i 3 5a l l o yi sr e l a t i v e l yl o w ( 5 ) p a r a m e t e r so f m 6 s s b a u e r s p e c t r u m f o r f e 6 5 n i 3 5a l l o y i sa l s o i v a b n o r m a l t h em a g n e t i cf i e l di ss m a l l e rt h a nt h eo t h e rs a m p l e s k e yw o r d s ：f e n ia l l o y ；i n v a r a l l o y ；i n v a re f f e c t ；e x p a n s i o nc o e f f i c i e n t ； m i c r o d e f e c t ；p o s i t r o nl i f e t i m es p e c t r a ；p o s i t r o nd o p p l e rb r o a d e n i n gs p e c t r a ； m 6 s s b a u e rs p e c t r o s c o p y t h i sw o r kw a ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n so fc h i n a u n d e rg r a n tn o 1 0 7 6 4 0 0 1a n dt h en a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n so fg u a n g x i u n d e rg r a n tn o 0 8 3 2 0 0 3 v 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 敝作者躲尜多套 砷年 学位论文使用授权说明 6 旯亏日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 函口时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作珠参考 导师签名：7 刁缮秀严6 月弓日 广西大学硕士掌位论文二元f e n i 合金的因瓦效应及微结构的研究 1 1 因瓦合金简介 第一章绪论弟一早瑁v 匕 因瓦合金是f e n i 合金在n i 含量( 原子l l ) 3 5 附近有个格外低的热膨胀效应，并且 它的尺寸在温度升高的情况下几乎不变，我们称其为因- b 苋( i n v a r ) 合金，( i n v a r 来源于 i n v a r a b l e ，即不变的意思) 。由于非常低的线性膨胀温度而得名，目前以铁基的研究为主， 因此，一般将具有类似特性的f e n i 、f e p t 、f e p d 、f e c o c r 、f e n i c r 、f e n i m n 合金 统称因瓦型合金1 1 l 。因瓦效应( i n v a re f f e c t ) - - 般指某些磁性体在磁性相变温度即居里点 t c 以下其热膨胀系数趋近于零的现象【2 】。因瓦效应的研究已经有了很长的历史，自从 g u i l l a u m e l 8 9 6 年发现因瓦合金并获得诺贝尔物理学奖以来，便引起了许多科学家和工 程师的注意，尤其是在磁的领域范围内，因为反常热膨胀的产生和合金的磁性质有密切 的关系【3 1 。 在2 0 一1 0 0 。c 时，f e 6 5 n i 3 5 合金的热膨胀系数小于1 5 x 1 0 6 * c 。f e n i 系因瓦合金这 种特性，能够保持零件尺寸的稳定，可用来制造精密仪器、标准量具、谐振腔、波导管、 可变电容叶片、硬盘驱动器、印刷电路版芯、显像管的荫罩、热敏横拼双金属片、激光 元件等，因而使其在现代工业的许多领域有广泛的应用【3 1 。荫罩作为显像管的一个关键 器件，其质量对彩色图像起着决定性的作用。长期以来，荫罩是用厚度小于0 2 5 m m ， 宽度为4 0 0 7 0 0 m m 的铝镇静钢板先经光刻腐蚀，形成上百万个长约l m m 、宽约0 2 m m 、 孔间距仅为0 2 0 5 m m 的长圆形孔。工作时电子枪射出的电子束约有2 0 一3 0 穿过 小孔，其余均被荫罩挡住而使荫罩温度上升，但由于铝镇静钢的热膨胀系数大，导致荫 罩板环面曲度、小孔形状和孔间距等发生不均匀变化，使电子束偏转，降低分辨率。由 于因瓦合金的热膨胀系数小，从室温到1 0 0 约为1 1 x l o 6 ，仅是铝镇静钢的1 1 0 。 用f e n i 因瓦合金制成的荫罩，可解决因热膨胀而造成的彩色信号相位漂移的问题。热 敏横拼双金属片是将两种膨胀系数差异大的金属片横向焊接在一起而制成的，两边的材 料大多采用3 0 4 不锈钢和f e 6 5 n i 3 5 因瓦合金。主要用于彩色显像管的电子枪阴极罩壳的 g - 西大掌硕士掌位论文二元f e n i 合金的因瓦效应及微结构的研究 支架和温度补偿。用因瓦合金做成电容器的极板材料，由于因瓦合金热的膨胀系数极低， 从而保证了电容器电容值的精度。 1 2 因瓦合金研究现状 1 2 1 因瓦合金的机理研究 在研究因瓦合金的1 0 0 多年以来，人们对因瓦效应的微观机制进行了深入的研究， 提出了许多的物理模型，但无一种模型占绝对优势，一般认为，因瓦效应与产生磁有序 而引起的体积效应是密切相关的【4 1 。 其中较早的是w e i s s t 5 1 1 6 1 提出的现象理论模型，即所谓的2 ，态模型，两个磁有序态， 一个是铁磁态( h s h i 曲s p i n ) ，一个是反铁磁态( k s 1 0 ws p i n ) ，它们有着不同的平衡态体 积但能量却很相近，状态改变对外部条件很敏感，随温度升高，一些铁磁态向反铁磁态 转变，由此产生大的自发体积磁致伸缩，因而抵消点阵的热膨胀【4 】。二元系统的热激发， 包括向低体积态的激发，也因此提出了补偿晶格振动的非谐性效应，也就解释了因瓦效 应。 f e 6 5 n i 3 5 因瓦合金是公认的经典因瓦合金，是铁基f c c 结构，e g o r r i ad m a r t i n e z b l a n c o 等人【7 】指出f e n i 合金中f e 含量在小于6 5 时是f c c 结构，大于8 0 是b c c 结构，其间 是两个结构的混合结构。铁基f c c 结构是铁磁性的，因瓦特性发生在居里点以下的温度范 围内，这样，因瓦效应的本质应该是与磁联系起来，自从晶格结构的特性涉及到电子结 构的具体特征以来，因瓦合金的磁和其它性质的异常也归结为电子结构的特征，也就是 把因瓦合金的物理属性和电子结构之间建立关系【8 1 ，这种异常是由较大体积膨胀引起的， 伴随着自发磁化的开始和反铁磁性物质的子格磁化的开始，这就是所谓的自发体积磁致 伸缩，自发体积磁致伸缩足够大以至于可以忽略晶格振动引起的正常热膨胀时，我们可 以得到一个较小的甚至是负的热膨胀系数【3 1 。l l 女n ( 3 0 4 0 ) n i f e 合金从高温冷却到居里点 时由于磁致伸缩引起的体积膨胀和因降温引起的体积收缩，在常温附近两者相互抵消，其 膨胀系数接近零，在2 0 1 0 0 。c 膨胀系数小于1 5 x 1 0 6 r k 9 1 。这种反常行为还可以被理解为 f & 结构中，3 d 电子的不稳定性，实验上这中不稳定性已经观察到【1 0 1 2 】。 1 9 7 9 年，e n d o h 1 3 】用非弹性中子散射测定了晶态因瓦合金f e 6 5 n i 3 5 ( a t o m i c ) 的声子色 散曲线随温度的变化。由此发现，在居里点t c 以下呈现因瓦效应时，声子明显软化，这 2 广西大掌硕士掌位论文二元f e n i 合金的因瓦效应及微结构的研究 与因瓦合金的弹性软化是相一致的，e n d o h i 提出：因瓦合金的声子软化来源于费米能级 处有大的电子态密度而引起电子一声子相互作用增强在晶态铁磁合金产生因瓦效应的 成分范围内，往往发生结构相变，揭示因瓦效应与电子态密度关系困难很大，未能从实 验上得到证实，鲜于泽【2 】等人在1 9 8 5 年便对非晶态的因瓦合金进行研究，因为在非晶态 合金中，产生因瓦效应的成分范围内无结构相变，这为揭示电子结构，电子一声子相互 作用与因瓦效应关系提供了极好的条件，最终试验结果成功证实了e n d o h 的推论，声子 软化和费米能级处电子态密度增大都发生在产生因瓦效应的同样温区。这就表明，费米 能级处的电子态密度增大导致电子一声子相互作用增强，从而引起因瓦效应，这就说明， 因瓦效应来源于费米能级处态密度的增大。 是什么原因导致了较大的自发体积磁致伸缩，从而引起了反常热膨胀效应? 合金中 f e 的两个磁态的h s l s 跃迁过程是否为因瓦效应的关键? 能否用计算的方法或建立模型 把因瓦合金的磁矩做为合金浓度和体积的函数表达出来? 这些问题是因瓦问题的本质 所在。因瓦效应的研究不仅是阐明金属及其合金、化合物的磁性起源的重要途径【2 】，而 且在精密仪器仪表、微波通讯以及石油运输容器等领域有广泛的实际应用，所以，因瓦 合金是许多冶金材料学家致力于开拓的新材料领域，而因瓦效应的机理仍然是凝聚态物 理学尚待解决的难题。 1 2 2 因瓦合金的应用研究 实验表明：合金成分对二元f e n i 合金的因瓦效应有很大的影响，f e n i 合金系典型 的因瓦成分f e 6 5 n i 3 5 ，正好处在面心立方至体心立方结构的成分转变点附近，而且其饱 和磁矩呈现明显的偏离s l a t e r - p a u l i n g 规律的反常变化【1 5 】。f e n i 系因瓦合金是一种单相奥 氏体组织合金，强度很低f 抗拉强度大约4 2 5 m p a ，屈服强度大约为2 7 5 m p a ) ，热处理对 其强度提高不起作用，目前为了提高f e n i 系因瓦合金的强度，一种方法是加入t i 、灿、 s n 、b e 等元素以及一些微量元素c 、s i 、m n 、c r 、m o 、c u 、n d 、t i 、v 、a 1 、w 和b 等 进行时效强化；另一种方法是通过加工形变的手段来改变合金内部组织从而实现合金的 强化，但这些方法都会影响因瓦合金的热膨胀系数、居里温度t c 和合金的力学性能t i 、 砧加入f e 6 5 n i 3 5 因瓦合金中，实验表明【9 1 ，加入这两种金属会使和合金的膨胀系数增大，如 图1 1 所示，但是能提高合金的强度，调整的含量可以获得较低的膨胀系数。n i 在3 8 9 7 时f e n i 2 5 t i 0 6 合金的膨胀系数最低( 4 2 x 1 0 。6 瓜2 0 1 0 0 c ) ，如图1 2 所示，加入t i 、 时，为保持低的膨胀系数，在典型因瓦合金成分( n i 3 5 d 狲基础上必须适当增加n i 的含 3 广西大掌硕士掌位论文二元f e - n i 合金的因瓦效应及微结构的研究 j 宝 里0 图1 - 1t i + 砧含量对f e n i 因瓦合金膨胀系数的影响【9 】 f i g 1 1t h ei n f l u e n c eo ft i + a ic o n t e n t o nf e n ia l l o yt h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t 9 鲋嚣驾且勰2 勰鼻3 8 63 1 9 83 9 0 鲫：3 9 , 43 9 6 册暑4 0 d 图1 - 2n i 和t i 、灿对f e n i 因瓦合金膨胀系数的影响( 1 1 0 0 固溶) 【9 】 f i g 1 2t h ei n f l u e n c eo fn i ，t i ，a 1c o n t e n t o nf e - n ia l l o yt h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t1 9 1 碳元素的参与会使合金的硬度增大，研究表明，f e 3 4 n i c 合金系的硬度是随c 含量的增加而增大的【1 4 1 ，如图1 - 3 所示： 4 p - 西大掌硕士掌位论文二元f e n i - d - 金的因瓦效应及微结构的研究 图1 3f e 3 4 n i c 合金系的硬度相对于c 含量的变化曲线【1 4 1 f i g 1 - 3f e 一3 4 n i - ca l l o y sr i g i d i t ya td i f f e r e n tc c o n t e n t 文献中【1 4 1 发现f e n i 合金的原子重新分布温度( 大于5 5 0 ) 比不含v 合金的( 4 4 0 ) 几 乎高了1 5 0 ，在其加热是原子温度重新分布范围内，它的膨胀系数显著降低。在淬硬 的组织中，c 原子和v 原子以化合物形式存在。与三相f e n i c 合金不同的是，由于c 原 子从淬硬的组织中析出，使线热膨胀系数的值增加了约1 1 0 击k 。这是由于在淬硬的 组织中，因为v 含量的减少而导致线热膨胀系数减少的量要比由于c 含量减少而使线热 膨胀系数增加的量要少的多，因而造成线热膨胀系数的减少，这种合金在保持较低的膨 胀系数的同时还可以提高机械性能，还具有良好的耐低温性( 马氏体转变温度接近 1 9 6 。c ) 。在强度特性方面，比目前工业生产中所用的因瓦合金( 如3 6 h ) 要高1 3 倍。文 献【1 6 中g u l y a e v 等人研究了b e 含量和时效热处理对合金平均线膨胀系数，机械性能的影 响。研究发现在f e 3 6 n i ( w t ) 合金中添加0 5 - - 一1 b e 时，随b e 含量增加，淬火态和时效 态合金的平均线膨胀系数、硬度、抗拉强度都增加，并且时效态平均线膨胀系数大于淬火 态的数值；而当b e 含量固定时，时效后，随n i 增加，平均线膨胀系数先下降，达到最小值后又 升高，研究发现，为使合金具有最小的膨胀系数，合金中n i 含量必须随b e 含量增加而增加， f e 3 8 1 n i 0 5 2 b e 、f e 4 0 n i 0 8 0 b e 、f e 4 1 n i 1 1 b e 合金的平均线膨胀系数分 别为2 6 1 、3 1 0 、4 3 2 x 1 0 6 * c 。f e 4 0 n i 0 8 0 b e 经1 1 0 0 淬火，5 5 0 c 时效后的抗拉强 度、屈服强度、平均线膨胀系数，随时效时间的延长，先增加，达到最大值后开始下降l l 。 合金平均线膨胀系数的变化主要取决于合金基体n i 的含量。像一些微量元素s i 、m n 、 c r 、m o 、c u 、n b 、w 、b 、v 、c 、a 1 等对因瓦合金的膨胀系数在3 0 至t j l 0 0 的范围内都 有影响，都会增大它的膨胀系数，b 、c 、灿的加入影响较大，尤其是b 。其中加入微量 的q l 会使居里温度升耐1 8 1 ，c u 且可以增加低n i 因瓦合金中的居里剧1 9 1 。目前，已经发 5 , r - 西大学硕士掌位论文 二元f e n i 合金的因瓦效应及徽结构的研究 明了三元或多组分的因瓦合金，比如f e n i - c o ( 超级因瓦) 、f e - n i - c r ( 不锈因瓦) 等。目前 应用比较广泛的因瓦型合金主要有经典型因瓦合金( f e - 3 6 n i ) ( w t ) 、超因瓦合金 ( f e 3 2 n i - c o ) ( w t ) 、加工硬化型合金( f e - n i m o - c ) ( 叭) 及脱溶硬化型合金 ( f e - n i c o t i ) ( 叭) 。这几种合金的性能见表1 - 1 。 囊l - l实甩因瓦型合全的热膨r 帐系数a 和机城性镌 类型成分c w t ) 4 舢l ( 1 0 饥) 丝徽硬度抗拉强度c m p a ) 霹瓦龠金f 3 酎嘲哪21 5 0 一2 s o o 习5 0 超医瓦台盎f c 。3 2 n i c b o 5 i 蜘卜2 $ 0 0 q 0 0 细工硬化型台佥 f , ，- n i - m o - c 1 2 5 0 脱溜埂化型合盒e 眦争1 1 4 3 4 玲- 6 0 01 1 0 0 - - 1 4 0 0 在冷加工的过程中，随着形变量的增加，合金的膨胀系数将会降低，原因是：f e n i 因瓦合金是面心立方结构，由于立方对称的原因，因瓦合金单晶在三个主轴方向的热膨 胀完全相同，但是面心立方金属具有在三个主轴方向的弹性模量各向异性 e ( 1 1 1 ) e ( 1 1 0 ) e ( 1 0 0 ) ，因此，冷加工产生的带状组织具有大的各向异性。冷加工过 程产生热膨胀各向异性，在冷加工材料中，平行于磁化矢量f 合金中存在易磁化方向的 结果) 的应力，使立方晶体产生少量的四方型化，从而使合金沿轧向和其垂直方向产生 膨胀各向异性，沿轧向膨胀系数比其垂直方向要小。值得注意的是，冷加工使合金膨胀 系数沿轴向降低是由冷加工形成的各向异性引起的，这种状态是不稳定的，时间的推移 和温度的变化都会降低冷加工处理得到的效果，退火后膨胀系数将重新升高。根据不同 的生产和产品的需要，要对较低强度的因瓦合金进行强化，因为在普遍情况下，它的强度仅 约5 0 0 m p a ，目前的条件下，要提高低膨胀合金的强度，我们可以采取固溶强化的方法，就是 在合金中加入一些金属，使长程内应力变成短程力，从而达到强化的结果，其缺点是可能对 膨胀系数不好控制也可以在合金中加入能形成稳定化合物的金属元素，使之生成第二相 化合物从固溶体中析出，弥散地分布在组织中，可以有效提高合金强度利用加工形变的手 段来改变合金的内部组织而达到强化的目的，主要的机制是形变形成了微观或超微观的 不均匀组织，冷加工会使合金内部缺陷增多，密度降低，因此长程或短程有序化程度破坏， 进而影响合金自发磁化强度磁致伸缩系数，使合金的膨胀系数降低，但是其内部组织不稳 定也会使合金的性能不稳定，要经过退火才能使用，而且在低温下，大多金属都会发生脆化， 在切口附近产生许多变形孪晶，低温时金属内部的位错能量低，引起塑性变形的应力通常 比在室温下引起的塑性变形的机械应力大，因此会使金属的抗拉强度和屈服强度提高。也 6 广西大掌司e 士掌位论文二元f e n i 合金的因瓦效应及微结构的研究 可以使用增加晶界的面积的方法提高合金强度，因为材料的晶界会构成对常温下位错运 动强烈的阻碍，对提高强度起到很大的作用【1 7 1 。目前国内外高强度低膨胀合金主要利用 金属间化合物和碳化物强化。 因瓦合金的热膨胀系数不仅与合金的成分有关而且与合金经过怎样的处理有关，研 究发现【冽因瓦合金在退火状态时其膨胀系数是比较高的，淬火及低温回火一起可以减少 这个系数，淬火会产生残余应力，是明显导致膨胀系数减小的主要原因，应力的大小对 材料膨胀的影响依赖于淬火部分的区域的温度梯度，因瓦合金的热传导性较差，所以在 直径或淬火厚度方向上有轻微的变化，便会对材料的热膨胀和残余应力有明显的影响。 在许多情况下，工件的工作环境温度比较高，对工件材料的要求就会提高，要使因 瓦合金在较高温度下，保持低膨胀率，我们知道因瓦特性是发生在居里点以下的温度范 围内的，所以尽量提高居里温度，才能在较大温度范围内保持低的热膨胀率。有关文献 【1 4 】报道，原子中电子浓度接近8 7 的含镍合金具有因瓦合金的特性，因为碳是电子的供 给体，它可提供2 4 个自由电子为了在合金成分中得到最佳的电子浓度( 8 7 ) ，可以采取 增加碳的含量并减少镍的含量，此外，碳元素还会使原子间间距增大，从而会提高居里 温度。齐新占【1 7 】【2 1 】在因瓦合金成份范围内，加入适量t i 和舢元素，同时加入适量c o 元 素提高合金的居里温度，以补偿t i 、灿元素引起的居里点降低。m a s o n 2 2 】等【1 7 】于1 9 7 2 年 开发的n 6 9 8 合金( f e n i c o t i 系合金) ，其工作温度可达5 0 0 。以f e n i c o 可伐合金 作基体，分别加入1 5 左右t i 、n b 、赳、m o 、v 、w 、z r 和b e 。结果表明，t i 和b e 的 强化效果最显著，尤其t i 的强化作用最强。在含有1 5 t i ，n i f e 比为o 5 8 的合金中加 入不同含量的c o ，发现对应于室温至1 0 0 、3 0 0 、5 0 0 的最小膨胀系数的最佳c o 含量分别为7 、1 4 和2 6 左右。随着c o 含量从o 增加至1 5 ，膨胀曲线的拐点温度 从1 2 0 提高到3 5 0 。龙毅【矧，周兰等人在研究钴、铜元素对超因瓦合金磁性温度稳 定性的影响时也曾得到相同结果。这些事例表明，元素c o 可以提高合金的居里温度。 相关文献表明【1 4 】，合金中的应变( 如轧制、磨削、车削、锻造及其它加工方法_ ) ，会使线热 膨胀系数降低而转折点居里温度会升高，因为在外力的压力下会使合金的晶格参数减小。 a 。1 w a s e ，y h a m a t a n i 【1 0 】等人在研究高能离子照射下f e n i 因瓦合金中居里温度的反常变 化时提到，通过高能离子的照射，因瓦合金的居里温度是增加的。v m k a l i n i l l l l 9 j 等人在研 究掺杂元素对f e n i 因瓦合金的居里点的影响时发现，c o 、p 、0 6 c 、这些元素在整 个n i 的浓度范围内可以使居里点升高，c u 、0 2 c 在n i 浓度达到3 8 之前时，会使居 里点升高，当n i 浓度高于3 8 时，居里点反而会降低。 7 广西大掌硕士掌位论文二元f e - n i 合金的因瓦效应及微结构的研究 因瓦合金除了具有非常低的热膨胀系数的特性之外，还有其他的一些反常的物理特 性，饱和磁化强度明显偏离s l a t e r - p a u l i n g 曲线；饱和磁化强度和居里点都存在着很大的 负的压力依赖关系；具有很大的体磁致伸缩系数【1 1 。此外，它们的饱和磁化强度温度 曲线、高场磁化率、电阻、低温比热容、弹性系数、超声波吸收等也都发现异常。 1 3 二元f e n i 合金相图 u o k o j 由 k 儿 e 山 b w e i g h tp e r e c m ln i v k e 图1 4f e n i 合金相图 f i g l - 4t h ep h a s ed i a g r a mo ff e - n ia l l o y f e n i 二元相图，如图1 4 ，由于f e n i 合金具有y 营a 相变热滞现象，导致两相区 平衡建立是极其缓慢的，当n i 3 5 时，可能发生彳，转变，如在冷却过程中可由7 ，相面 心立方的奥氏体组织中产生出口相体心立方的铁素体。4 j 3 6 合金恰处于，相的边缘，在 通常的冷却速度下，甚至到2 5 3 。c 4 j 3 6 合金仍能是单一的，相组织【2 5 1 。( 4 j 3 6 合金就是 经典因瓦合金f e 6 5 n i 3 5 ) 。室温下，由相图中可以看出，0 - - 2 w t n i 的范围内主要存在 口f e ，n i 在f e 中的固溶度约为2 。2 7 1 w t n i 的范围内有口f e 和f e n i 3 的混合物， 7 1 9 0 w t n i 的范围内为f e n i 3 单相，8 9 9 6 w t n i 范围内是f e n i 3 和n i 的混合物， 9 6 1 0 0 w t 范围内是f e 在n i 中的固溶体，即f e 在n i 中的固溶度约为4 。由图可知， 室温下，f e 6 5 n i 3 5 成分处于两相区。 8 广西大掌硕士掌位论文 二元f e n i 合金的因瓦效应及微结构的研究 1 4 研究方法、内容和意义 合金中的电子结构和超精细相互作用是决定其力、热、电和磁学性能的深层次因素。 人们采用理论方法计算了合金中的电子结构，进而探讨材料性能与微结构之间的关系。 但深入到电子结构和超精细相互作用层次的实验手段非常有限。 正电子( e + ) 湮没技术是探测固体微观缺陷和电子结构的重要实验手段。e + 湮没寿命 谱能够提供e + 湮没前所在处的电子密度，可给出固体中缺陷浓度、缺陷大小等信息。e + 湮没辐射多普勒( d o p p l e r ) 展宽谱可提供湮没电子的动量分布信息。分析多普勒曲线的高 能量部分( 翼区) ，可获得原子内层电子状态的“指纹”【2 4 】。 利用穆斯堡尔谱仪对不同n i 含量的f e n i 合金的磁学性能进行研究，获得合金的 超精细相互作用信息，内磁场对f e n i 合金因瓦特性的影响，从而与正电子寿命结合起 来深层次研究f e n i 合金因瓦效应的微观机理。 f e n i 因瓦合金的热膨胀和磁致伸缩系数均很小，普通测量方法难以凑效，迈克尔 逊干涉仪是根据光的干涉原理制成的精密测量仪器，在现代科学技术中有着广泛的应 用，迈克尔逊因此荣获1 9 0 7 年诺贝尔物理学奖。实验室开展了预研工作，将迈克尔逊干 涉仪改装成可精密、准确、快速地测量固体长度微小变化的仪器。 把迈克尔逊干涉、双探头符合e + 湮没辐射多普勒展宽和穆斯堡尔技术有机地结合起 来，从微观缺陷、电子结构和超精细相互作用等深层次因素揭示合金热学性能、磁性能 和因瓦特性的微观机理。在学术上，为解决铁磁学中存在的一些问题开辟新的道路；在 实践上，对研究、开发并利用广西丰富的金属矿产资源，有着重要的战略意义。 9 广西大学硕士掌位论文 二元f e n i 合金的因瓦效应及微结构的研究 2 1 引言 第二章迈克尔逊干涉仪与膨胀系数的测量 物体的体积或长度随温度的升商而增大的现象称为热膨胀。衡量材料的热膨胀现象 的主要参数是膨胀系数。膨胀系数可分为线膨胀系数和体膨胀系数，线膨胀系数可以描 述为在某一温度区间的平均线胀系数和某一温度下的真实线胀系数之分，同样的，体胀 系数也有平均体胀系数和真实体胀系数之分，设o1 2 和k 、v ：分别是试样在温度瓦、 疋下( 正 疋) 的长度和体积，在温度区间内的平均线胀系数瓦和平均体胀系数瓦为： 瓦= 半击 p 1 ， 瓦= 半壶 p 2 ， 对于立方晶系晶体，三个晶轴方向的膨胀特性相同，则瓦一3 瓦。对于各、向异性 的晶体，各晶轴方向的线胀系数不同，假如分别为瓦( 。) 、匾、瓦( 。) ，则可导出 瓦一瓦( ”+ 口i ，( 6 ) + a i ( 。) 。设z 和y 分别是试样在温度丁下的长度和体积，那么在温度z 下 真实线胀系数口，和体胀系数口y 为： 印华土( 2 - 3 ) d t a = 一一 f 旷等寺( 2 - i ( 2 - 4 一)口y 。可d z 因此，膨胀系数的定义应是当温度变化1 k 时，物质尺寸( 或体积) 的变化率，其单位为 k 1 【4 1 。f e n i 系合金的线膨胀系数主要取决于合金的化学成分，尤其是n i 含量的高低而 变化【2 5 1 。 1 0 广西大学硕士掌位论文二元f e - n i 合金的园瓦效应及微结构的研究 2 2 迈克尔逊干涉仪的结构和工作原理 迈克尔逊干涉仪( m i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e r ) 是1 8 8 3 年美国物理学家迈克尔逊 ( 1 8 5 2 1 9 3 1 ) 和莫雷合作设计制造出来的精密光学仪器。他们利用该仪器进行了“以太 漂移”的实验、标定米尺、推断光谱线精细结构等三项著名实验。迈克尔逊的主要贡献 在于光谱学和度量学，获1 9 0 7 年诺贝尔物理学奖。利用该仪器可观察多种干涉条纹， 它的调整方法在光学技术中有一定的代表性。光的干涉是重要的光学现象之一，是光的 波动性的重要实验依据。两列频率相同、振动方向相同和位相差恒定的相干光在空间相 交区域将会发生相互加强或减弱现象，即光的干涉现象。根据干涉条纹数目和间距的变 化与光程差、波长等的关系式，可以推出微小长度变化( 光波波长数量级) 和微小角度变 化等，因此干涉现象在照相技术、测量技术、平面角检测技术、材料应力及形变研究等 领域有着广泛地应用。 迈克尔逊干涉仪的原理是一束入射光分为两束后各自被对应的平面镜反射回来，这 两束光从而能够发生干涉。干涉中两束光的不同光程可以通过调节干涉臂长度以及改变 介质的折射率来实现，从而能够形成不同的干涉图样。其原理图如图2 1 所示： e 图2 1 迈克尔逊于莎仅原理图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fm i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e r m 2 在图中s 为光源，g 1 是分束板，g 。的一面镀有半反射膜，使照在上面的光线一半 反射另一半透射。g 2 是补偿板，m nm 2 是在相互垂直的两臂上放置的两个平面反射镜， 其中m 2 是固定的；m 1 由精密丝杆控制，可沿臂轴前、后移动，移动的距离由刻度转盘 二元f e - n i 合金的因瓦效应及微结构的研究 ( 由粗读和细读两组刻度盘组合而成) 读出。g 1 在两臂轴线相交处，与两轴成4 5 。角的平 行平面玻璃板，它的第二个平面上镀有半透( 半反射) 的银膜，以便将入射光分成振幅 接近相等的反射光( 1 ) 和透射光( 2 ) ，故g 1 称为分光板。g 2 也是平行平面玻璃板，与g 1 平行放置，厚度和折射率均与g 。相同。由