（微电子学与固体电子学专业论文）conialme磁控形状记忆合金的组织结构及性能研究.pdf

摘要 摘要 本文采用快速凝固技术( 铜模真空吸铸法) 制得c 0 3 8 n i 3 4 2 8 一x s i x 和 c 0 3 8 n i 3 斜2 8 一x s n x 系列合金，利用差示扫描量热法( d s c ) 、振动样品磁强计 s m ) 、x 射线衍射( x r d ) 和光学显微分析技术( o m ) 等现代检测手段。研究了 合金成分和热处理工艺对c 0 3 s n i 3 4 a 1 2 8 一x s i x 系列合金和c 0 3 s n i 3 4 a 1 2 8 一x s n x 系列合 金的相变、结构、组织和磁性能的影响，分析讨论了其影响机理。本文的研究 结果表明： 1 c 0 3 8 n i 3 也8 一x s i x 磁控形状记忆合金的组织结构、逆马氏体相变点与成分 和热处理工艺有关。当n i 含量为3 3 时，在室温下为b 2 相结构；当n i 含量 为3 4 时，可获得m 相结构合金；c 0 3 9 n i 3 斜2 5 s i 3 合金经过1 5 7 3 k 时效2 h 冰 水淬试样能获得择优取向的马氏体。添加3 s i 有利于提高合金的逆马氏体相 变热焓值；相对于铸态试样而言，c 0 3 8 n i 3 4 a 1 2 5 s i 3 合金热处理温度在1 3 7 3 k 时 使相交点提高，热效应大。c 0 3 8 n i 3 4 a 1 2 5 s i 3 和c 0 3 8 n i 3 私如3 s i 5 通过快速凝固技术 吸铸所得铸样即为马氏体组织，c 0 3 s n i 3 4 a 1 2 5 s i 3 吸铸样及15 7 3 k 热处理试样具 有最理想的显微组织。 2 c 0 3 8 n i 州u 2 8 一x s i x 磁控形状记忆合金的饱和磁化强度和显微硬度与组织 结构有关。当合金试样具有均匀的单相组织时，其饱和磁化强度m s 较高；经 热处理后晶界析出物较多的试样饱和磁化强度m s 较低，h c 较高。奥氏体组织 的显微硬度高于马氏体组织的显微硬度；随着热处理温度增加，显微硬度提高； 成份相同时，晶界析出相y 相的增加使合金的显微硬度提高。 3 c 0 3 s n i 3 4 a h s , , s n , , 合金的组织结构与合金成份和热处理工艺有关，经快 速凝固技术吸铸试样组织均匀；随着s n 含量增加，晶粒变大；随着s n 含量的 增加，合金铸样结构的变化趋势为由b 2 + m 双相结构 b 2 + m 竹三相组织； 少量的s n 有助于提高逆马氏体转变点，但s n 含量继续增加，使逆马氏体转变 点降低。同一成份合金随着热处理温度的增加，晶粒增大，晶界析出物逐渐减 少；当热处理温度1 5 7 3 k 时，采用冰水冷却方式可得到马氏体组织。随着热处 理温度提高，合金结构逐渐向马氏体相结构变化。 4 c 0 3 8 n i 3 4 a 1 2 8 - x s n x 合金的显微硬度与合金的成分和组织结构有关，随着 广东工业大学工学硕上学位论文 s n 含量的增加，合金显微硬度提高；成份相同时，晶界析出相y 相的增加使合 金的显微硬度提高。 关键字：磁控形状记忆合金；c o n 认l s i ；c o n i a l s n ：快速凝固 a b s t r a c t a b s t r a c t c 0 3 s n i 3 4 a j l 2 8 x s i xa n dc 0 3 8 n i 3 4 a 1 2 8 一x s n xm a g n e t i cs h a p em e m o r ya l l o y s ( m s m a ) w e r ep r e p a r e db ym e a n so fr a p i ds o l i d i f i c a t i o nt e c h n o l o g y ( c o p p e r - m o l dv a c u t l m s u c t i o nc a s t i n g ) t h ee f f e c to fa l l o yc o m p o s i t i o na n dh e a tt r e a t m e n tp r o c e s so n m a r t e n s i f i ct r a n s f o r m a t i o n , m i c r o s t r u c t u r ea n dm a g n e t i cp r o p e r t i e so fc 0 3 s n i 3 4 a 2 8 x s i xa n dc 0 3 9 n i 3 4 a 1 2 8 一x s n xa l l o y sw e r ei n v e s t i g a t e db yd i f f e r e n t i a ls c a n n i n g c a l o r i m e t e r ( d s c ) ，v i b r a t i n gs a m p l em a g n e t o m e t e r ( v s m ) ，x - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ， o p t i c a lm i c r o s c o p y ( o m ) ，e t c t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s 1 t h em i c r o s t r u c t u r ea n dr e v e r s em a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r eo f c 0 3 8 n i 3 4 址8 x s i xa l l o y si sr e l a t e dt oc o m p o s i t i o na n dh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s t h e a l l o y sw i t h3 3 a t n ii sc h a r a c t e r i s t i co f b 2s t r u c t u r ea ta m b i e n tt e m p e r a t u r e w h e n n ic o n t e n ti si n c r e a s e dt o3 4 a t ，t h ea l l o ya sc a s ti sc h a r a c t e r i s t i co fms t r u c t u r e c 0 3 8 n i 3 4 a 1 2 5 s i 3a l l o yt r e a t e db y15 7 3 ka g i n gf o r2 ha n dq u e n c h i n gi ni c e w a t e ri s c h a r a c t e r i s t i co fo b v i o u sp r e f e r r e do r i e n t a t i o n s io f3 a t c o n t e n ti sb e n e f i c i a lt o i n c m a s eo ft h er e v e r s em a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o ne n t h a l p y c o m p a r i n g 、j l ，i mt h ec a s t , m a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r eo fc 0 3 s n i 3 d 2 5 8 i 3a l l o y si n c r e a s e sa f t e rh e a t t r e a t m e n to f13 7 3 k 、 ，i mt h el a r g e s te n t h a l p y b yt h em e a n so fr a p i ds o l i d i f i c a t i o n t e c h n o l o g y , m a r t e n s i t ei so b t a i n e di nt h ec 0 3 s n i 3 4 a 1 2 5 s i 3a n dc 0 3 8 n i 3 棚2 3 s i 5a l l o y s a sc a s t t h es a m p l e sa sc a s ta n dh e a tt r e a t e db y15 7 3 ka g i n g2 ha n dq u e n c h i n gi n i c e w a t e ra r ei i lt h eb e s tm i c r o s t r u c t u r e 2 t h es a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o n ( ) a n dm i c r o h a r d n e s so fc 0 3 5 n i 3 4 舢2 8 一x s i x a l l o y s i si n f l u e n c e d b ym i c r o s t r u c t u r e c 0 3 8 n i 3 4 a 1 2 8 x s i xa l l o y s w i mt h e h o m o g e n e o u ss i n g l e p h a s ec o n t r i b u t e dt o t h eh i g h e rm s t h em o r eb o u n d a r y p r e c i p i t a t e so c c u ra f t e rh e a tt r e a t m e n tw i l lr e d u c et h eh ca n di n c r e a s et h e 尥t h e m i c r o h a r d n e s so fa u s t e n i t ei sh i g h e rt h a nm a r t e n s i t e t h ei n c r e a s e sh e a tt r e a t m e n t t e m p e r a t u r ew i l li m p r o v et h em i c r o h a r d n e s so fa l l o y s t h eb o u n d a r yp r e c i p i t a t e s0 p h a s e ) c o n t r i b u t e dt oi n c r e a s et h em i c r o h a r d n e s so fa l l o y s 3 t h em i c r o s t r u c t u r eo fc 0 3 s n i 3 4 a 1 2 8 - x s n xa l l o y si sr e l a t e dt oc o m p o s i t i o na n d m 广东工业大学工学硕士学位论文 h e a tt r e a t m e n tp r o c e s s t h eg r a i ng r o w s 谢t l lt h ei n c r e a s eo fs nc o n t e n t t h e h o m o g e n e o u sm i c r o s t r u c t u r ei sa b t a i n e db yt h em e a n so fr a p i ds o l i d i f i c a t i o n t e c h n o l o g y w i t ht h es nc o n t e n ti n c r e a s i n g ，t h es t r u c t u r eo ft h ea s c a s tc h a n g e s f r o mt w o - p h a s e ( m + b 2 ) s t r u c t u r et ob 2 + m 竹t h r e e - p h a s es t r u c t u r e af e ws n c o n t r i b u t e dt oi n c r e a s et h er e v e r s em a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e t h e r e v e r s em a r t e n s i t et r a n s f o r r n a t i o nt e m p e r a t u r ed e c r e a s e sw i t ht h ec o n t e n to fs n c o n t i n u et oi n c r e a s e t h eg r a i ng r o w sa n dg r a i nb o u n d a r yp r e c i p i t a t e sg r a d u a l l y r e d u c e dw i t ht h ei n c r e a s e so fh e a tt r e a t m e n tt e m p e r a t u r e m a r t e n s i t ei so b t a i n e db y t h em e a n so f15 7 3 kh e a tt r e a t m e n tt e m p e r a t u r ea n dq u e n c h i n gt oi c e w a t e r w i t h t h ei n c r e a s i n go fh e a tt r e a t m e n tt e m p e r a t u r e ，t h es t r u c t u r eo ff l l o y sc h a n g e st om p h a s e 4 t h em i c r o h a r d n e s so ft h ec 0 3 8 n i 3 4 a 1 2 5 x s n xa l l o y si si n f l u e n c e db ys t r u c t u r e t h ei n c r e a s e sc o n t e n to fs nw i l li m p r o v et h em i c r o h a r d n e s so fa l l o y s t h eb o u n d a r y p r e c i p i t a t e s ( 丫p h a s e ) c o n t r i b u t e dt oi n c r e a s et h e m i c r o h a r d n e s so fa l l o y s k e yw o r d s ：m a g n e t i cs h a p em e m o r ya l l o y ；c o n i a l s i ；c o n i a l s n ；r a p i d l y s o l i d i f i c a t i o n i v 广东工业大学工学硕士学位论文 独创性声明 秉着学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 在导师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不 包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的， 论文的成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切责任，特此声明。 指导教师签字：带政教 论文作者签字：易彳匆信 勿必年莎月2 - 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 智能材料一形状记忆合金简介 1 1 1 智能材料及其分类 智能材料是继天然材料、人造材料、精细材料之后的第四代功能材料。是 2 0 世纪9 0 年代迅速发展起来的的一类新型复合材料，智能材料又称机敏材料， 其构想来源于仿生。不同于结构材料和功能材料，智能材料能通过自身的感知 而获取外界信息，作出判断和处理，发出指令，继两调整自身的状态以适应外 界环境的变化，从而实现自检测、自诊断、自调节、自适应、自修复等类似于 生物系统的各种特殊功能。由于可用于智能材料的材料种类不断扩大，所以智 能材料的分类方法也有多种，一般若按功能来分可以分为光导纤维，形状记忆 合金、压电、电( 磁) 流变体和电( 磁) 致伸缩材料等。若按材料构成来分，智能材 料可以分为金属系智能材料、无机非金属系智能材料和高分子系智能材料。目 前研究开发的金属系智能材料主要有形状记忆合金和形状记忆复合材料两大 类；无机非金属系智能材料在电( 磁) 流变体、压电陶瓷、光致变色和电致变色 材料等方面发展较快；高分子系智能材料的范围很广泛，作为智能材料的刺激 响应性高分子凝胶的研究和开发非常活跃，其次还有智能高分子膜材、智能高 分子粘合剂、智能型药物释放体系和智能高分子基复合材料等。其中金属系智 能材料兼有感知和驱动功能，是一种倍受世界瞩目的新型材料【l 】 1 1 2 铁磁( f s m a ) 形状记忆合金 自1 9 5 1 年美国学者在合金中首先发现形状记忆效应，人们开发出具有形状 记忆效应的合金有5 0 多种，按照合金组成和相变特征可分为三类：t i n i 基、c u 基和f e 基系形状记忆合金。所有这些形状记忆合金的形状记忆效应，起因于这 类材料具有马氏体相变，特别是热弹性马氏体相变。目前形状记忆合金作为一 种驱动能力强的功能材料，已广泛应用于航空、航天、机械、能源、交通、生 物医学和日常生活等领域，并已形成蓬勃发展的高新技术产业。然而，因其马 1 广东工业大学工学硕上学位论文 氏体相变是由温度变化驱动的，提供加热和散热冷却的条件都是不可缺少的。 还常常需要利用空气或水进行强制冷却。因此，目前的形状记忆材料普遍存在 响应效率低的问题，在一定程度上和某些场合下限制了它们的更广泛应用。 大应变，高推动力和快速响应速度是新型智能材料的重要指标。目前稀土 大磁致伸缩材料在频率响应方面己取得了重大突破【2 5 】。室温下的大磁致伸缩主 要是立方l a v e s 相( l p ) 稀土金属间化合物r f e 2 ，t b f e 2 、s m f e 2 、d y f e 2 。以( t b ， d y ) f e 2 为基的三元合金t b x d y i f e 2 叫具有很好的磁致伸缩性能，被称为 t e r f e m 0 1 d ，在室温附近有最大的磁致伸缩与磁各向异性之比，这类合金已经 商品化，目前市场上所谓的稀土超磁致伸缩材料主要指的这一类合金。然而， 磁致伸缩材料仍然有诸多难以克服的缺点和局限。即使目前最成熟的 t e r f e m 0 1 d 材料，理论预言的最大磁致伸缩值也只达到0 2 4 5 ，而且这类材 料还普遍具有l a v e s 相化合物的脆性，使机械加工非常困难。此外稀土金属的 价格也比较昂贵，高频下涡流损耗也很大。所有这些原因使得磁致伸缩材料的 实际应用受到很大的限制。 传统的压电陶瓷材料输出应变则更小，如实用的p z t 、p l z t 压电陶瓷的 输出应变在0 1 量级左右【6 】。而它也存在高脆性及机械加工困难等缺点。除此 之外，p z t 陶瓷因含有害的p b 元素，一直受环保人士的抵制。 铁磁形状记忆合金( f e r r o m a g n e t i cs h a p em e m o r ya l l o y s ，简称f s m a ) t q 0 1 是最近几年发现的，是继磁致伸缩材料和记忆合金之后开发出来的一类新型智 能材料，它显著的特征是形状记忆效应可以由磁场来控制以及马氏体相具有大 的可恢复的磁感生应变。它的工作范围是在马氏体相，其变形机制依赖于两个 因素：1 ) 孪晶马氏体的形成；2 ) 马氏体相具有高的磁晶各向异性，即磁矩被 钉扎在某一特定方向；目前为止发现的候选材料包括：n i 2 m n g a ，c 0 2 m n g a ， f e p t ，c o n i 和c o n i a i 1 1 - ：2 ，f e n i c o t i t l 3 1 4 】；铁磁形状记忆合金不仅具有普通 形状记忆合金大应变和高推动力的特点，而且具有电( 磁) 致伸缩材料响应速 度快和高效率的优点，有望成为一种优良的驱动器材料。( 见表1 - 1 ) 2 第一章绪论 表1 - 1 典型m s m a 与同类功能材科之性能参数对比f 1 5 】 t a b l e l - ip e r f o r m a n c eo f t y p i c a lm s m aa n do t h e rc o n g e n e r i cf u n c t i o nm a t e r i a l 1 1 3c o 基形状记忆合金基本特性及研究现状 除了n i 2 m n g a 磁控形状记忆合金之外，目前研究的m s m a 包括：f e p d ， f e 3 p t ，n i - m n 一( a t ，s n ，s b ，i n ) ，c o - n i - ( a 1 ，g a ) ，n i f e - ( 砧，o a ) 和c u - m n - ( 舢，g a ) ， c o 基合金磁诱发形状记忆效应是在磁晶各向异性能驱动下主要通过不全位错 的移动而产生，该机制不同于n i 2 m n g a 中以马氏体孪晶界移动为主的马氏体再 取向机制；徐祖耀研究了c o 基合金相交有关的热力学参数，母相晶粒度、初始 弹性和训练等条件对马氏体相变温度的影响规律。c o n i a l ，c o n i g a 和n i 2 m n g a 的共同特征是m s 较低，高温相强度高，高温相和马氏体相的晶格常数具有高 度的晶体学一致性【1 6 1 。研究表明：母相晶粒越大，m s 越高。母相的应力集中 处往往容易形核，晶体缺陷增加初始弹性能，使m s 上升，a s 下降。实验发现： f e 基合金的相变驱动力均在1 1 8 4 j t o o l 。1 以上，相比之下，c o n i 合金的相变驱 动力仅为9 2 9 6 j m 0 1 1 ，c o n i 合金马氏体相变驱动力小的原因与材料的层错 能很低有关，降低材料的层错能有利于获得大的磁诱发应变【l 刀。刘岩对c o n i 3 3 单晶的研究表明，c o n i 3 3 单晶具有明显的磁控形状记忆效应，在1 8 0 k 温度条 件下沿 0 0 1 晶向在2 t 脉冲磁场下可诱发3 的可回复应变，超过典型m s m 材 料n i 2 m n g a 一个数量级；沿 1 1 1 晶向不产生磁诱发应变，即磁诱发应变与晶体 取向密切相关。 在c o - n i 合金基础上添加第三元素a 1 ，形成的b 基c o - n i - a 1 铁磁形状记 忆合金由于具有良好的热加工性能而备受关注o i k a w a t l 8 】等发现富钴的c o n i a i 3 广东t 业大学工学硕士学位论文 合金体系中具有1 3 ( b 2 一l 1 0 马氏体相变特性，在b + y 双相区具有铁磁性 形状记忆合金特点。c o - n i - a 1 铁磁形状记忆合金具有三种类型的相变过程：1 ) 顺磁性1 3 相一铁磁性1 3 相一铁磁性b 相；2 ) 顺磁性1 3 相一铁磁性b 相； 3 ) 顺磁性b 相- j t 顷磁性b 相一铁磁性1 3 相【1 9 2 0 1 。h e k a r a c a 等发现， 在室温下c 0 3 s n i 3 3 a 1 2 9 有4 的伪弹性，应力滞后效应为2 0 - - 2 5 m p a ，使位错开 始滑移需要的应力为l1 0 0 m p a ，使得系统有9 0 0 m p a 的应力差来实现位错运动 和马氏体相变的应力变换【2 1 】。h y w a n g 等发现，当c 0 3 9 n i 3 3 a 1 2 8 合金处于马氏 体相变温度m s = 2 3 3 k 之下，在马氏体转化过程中及不同温度的逆转变时可以 观察到两种马氏体变体，由此形成应力( 变) 和磁化系数) c 的非对称性 2 2 1 。 目前的工作主要侧重于成份及退火温度对合金相结构、居里温度死、马氏 体相变温度胍的影响，以及添加少量第四元合金对合金的相结构、乃和船的 影响，不同成份的c o - n i - a 1 合金具有单相1 3 相或1 3 + y 相双相结构，其乃 温度随着n i 、a 1 含量的减少而升高，马氏体相变温度胎随着n i 含量的减少而 升高，但随着a 1 含量的增加而升古【2 3 1 ，同时，提高c o 含量可以提高合金的t c 温度，当死温度高于合金的马氏体相变温度时，就有可能由磁场诱发马氏体相 变而形成f s m a t 2 4 】；y 相影响应力( 变) 诱发马氏体相变，即为伪弹性。y t a n a k a 等人得出结论，d 竹双相结构的c o n i a 1 合金的s e 特性取决于t 相的体积分 数，随着y 相体积分数的增大，临界转变应力对于温度的依赖性增加；退火温 度对于c o - n i a l 合金的马氏体相变温度，t c 温度以及e 、y 相的成份也有很 大的影响，随着退火温度的提高，其马氏体相变温度扮及死显著提高；另一 方面，通过控制p 相的颗粒尺寸可以提高合金的s e 性能，在薄样品中的最大 回复应变可达6 3 【2 3 】。y 是否影响磁场诱发马氏体相变，有待于探讨研究。 在c o - n i a 1 合金中添加第四元素也成为当前的研究趋势，罗丰华等人的研 究表明，在c o n i a l 合金体系中，磁矩主要由c o 原子形成，因此，在c o n i a l 体系中添加s i 元素代替a 1 元素使c o 原子的间距减小，c o 原子间距的减小使 得其饱和磁感应强度和c u r i e 点提高，同时，在c o n i a l 合金中添加s i 元素使 其y 相体积分数降低【2 5 2 6 1 ，与温度相关的临界转变应力随着丫相体积分数的降 低而降低，同时，随着y 相体积分数的降低，合金的m s 、4 厂和乃随着提古【2 3 1 。 在富c o 合金中添加c u ，含量x 5 时，合金的c u r i e 点随x 增加而缓慢下降， 4 第一章绪论 x 每增加1 ，c u r i e 点约降低3 6 k ，马氏体相变温度降低约4 4 k 【2 7 j ；在b 基 c o - n i - a i 合金基础上，用f e 代替c o 元素提高了c u r i e 点，在c 0 3 8 - x n i 3 3 a 1 2 9 f e x 合金中，在8 f e 范围内平均每1 f e 元素使c u r i e 点大约提高2 0 k 2 s ；对于 c 0 4 1 n i 3 2 x a l 2 7 x g a x 合金，马氏体相变温度与g a 含量成正比，但g a 对c u r i e 点 影响不大【2 9 】；由于s b 的添加，在c 0 4 1 n i 3 2 a 1 2 6 s b l 合金的马氏体相变温度范围 大幅度缩小，为2 0 - 2 8 k ，有利于获得大的磁致应型2 4 1 。 1 2 磁控记忆效应 1 2 1 磁控记忆机理 磁控形状记忆概念首先由u l l a k k o 于1 9 9 5 年提出【3 0 1 ，在晶体材料中，磁控 形状记忆合金表现为：当一定形状的母相样品由月，以上冷却至m f 以下形成马 氏体后，将马氏体在脬以下施加一定的外加磁场，样品发生一定的形变，随着 外加磁场的卸除，伴随马氏体孪晶界面的逆向推移，材料会自动回复其在未加 磁场时的形状，如图卜1 所示： 掩如偏置外磁场 兰二芏竺毡兰王竺沁掣磐磐 二二二二卜_ 二二二二卜- i 、叫 二二二 图l - 1 磁控形状记忆效厘不葸图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f m a g n c , t i cs h 印em e m o l ye f f e c t 磁控形状记忆效应的机理类似于传统形状记忆合金中应力诱发马氏体孪晶 变体的再取向及其逆转变过程。1 9 9 8 年o h a n d l e y 3 1 。3 3 1 提出一个简单的磁场驱动 孪晶界运动的模型，假使一个单晶体内仅存在两个孪晶变体的情况，外加磁场将 要重新排列磁矩。然而由于高的磁晶各向异性，磁矩很难由其易磁化方向转向外 磁场方向。外加磁场就会引起一个变体通过孪晶界运动方式变为另外一个变体， 这样会使易磁化轴更好沿磁场方向排列，这是铁磁形状记忆合金工作机制。图1 2 以两个孪晶变体为例描述了磁场驱动孪晶界面运动的过程。 5 广东工业大学工学硕士学位论文 + k ， m 。h( b ) 图1 - 2 磁场驱动f ，低磁晶各向异性晶体的磁矩重排( a ) 和高磁晶各向异性晶体的李晶界运动( b ) 模型 f i g 1 2t h em o d e lo f t h er e a l i g n m e n to fl o wm a g n e t i ca n i s o t r o p yc r y s t a l ( a ) a n dt w i nb o u n d a r ym o v e m e n to f h i g hm a g n e t i ca n i s o t r o p yc r y s t a lo f ( b ) d d v e db ym a g n e t i cf i e l d 在无外加磁场时，孪晶变体i 和变体i i 中磁矩的方向会按能量最低的方式排 列。当施加外磁场h 时，孪晶变体i 和变体i i 中磁矩的方向会趋向于与h 平行。这 时，如果磁晶各向异性能很弱，或者说外加磁场的能量燃远大于磁晶各向异 性能局，变体i 和变体i i 中磁矩很容易在外加磁场作用下发生转动，并和外加磁 场方向保持一致。因为变体i 和变体i i 中磁矩都沿外场方向排列，这种情况下孪 晶界两边变体的z e e m a n 日一t 几乎没有差别。因为孪晶界发生移动的驱动力只来源于 两边z e e m a n 能之差，一。一露：) 豆。在这种情况下，只可能产生微弱的驱动力， 无法使孪晶界发生明显的移动，也就不可能产生大的磁感生应变。当材料的磁晶 各向异性很强时，即m s h n 2 n l 图1 5 对应三种层错厚度n ( n l ，n 2 ，n 3 ) 下温度t 与层错能r 的关系示意图 f i g l - 5s c h e m a t i co f r e l a t i o n s h i pb e t w e 朗f a u l te n e r g ya n dt e m p e r a t u r ef o rt h r e ed i f f e r e n tt h i c k n e s so f f a u l t 1 2 3 磁控形状记忆效应的影响因素分析 磁控形状记忆效应的影响因素包括以下几方面： 1 基本物性 磁控形状记忆材料的磁诱发应变要求材料本身的饱和磁化强度高，磁晶各 向异性能大，磁能密度高，且在居里温度以下存在马氏体相变。如n i 2 m n g a 单晶，在居里点以下存在马氏体相变，低温四方相的饱和磁化强度和磁晶各向 异性能都很高，易产生磁诱发应变，从而具有磁控形状记忆效应。 2 化学成分 化学成分是影响磁控形状记忆效应的重要因素，成分的微小变化将直接影 响到马氏体相变温度m s 、热滞、相变潜热、饱和磁化强度、居里温度和点阵常 数等参量。以c o - n i a l 合金的研究为例，其马氏体相变温度对成份的变化非常 敏感，马氏体相变温度胍随着n i 含量的减少而升高；但随着a 1 含量的增加而 升高【2 3 1 ，同时，提高c o 含量可以提高合金的t c 温度；当a l 含量小于2 0 时， 合金基本上为y 单相组织，当a l 含量大于2 0 而小于4 0 时，为1 3 + y 双相组 织，a 1 含量大于4 0 时为1 3 单相组织；n i 含量的提高可以提高合金的马氏体 相变温度m s 。 3 工艺条件 工艺条件影响磁控形状记忆效应，包括晶体生长过程中的缺陷、组织取向 的一致性、杂质等。为保证材料内部成分的均匀性和一致性，单晶生长过程中 1 0 第一章绪论 需采取措施抑制成分偏析和组分的挥发；适当的热( 磁) 处理工艺、初始弹性能 和循环形变热处理条件控制等对性能均有很大影响。例如c 0 3 s n i 3 4 舢2 8 合金的 死和册与退火温度存在线性关系；1 3 + y 相的s e 特性主要取决于y 相的体 积分数，尤其是随着y 相的体积分数增大，临界转变应力对于温度的依赖性增 加；同时，1 3 + y 双相合金的t c 、m s 对退火温度的依赖性很高，主要是由于随 着退火温度的提高，1 3 相的成分组织变化较大。 1 3 快速凝固磁控形状记忆合金的研究现状 当前，n i m n g a 记忆合金主要采用常规的熔炼方法( 如高频感应、自耗重 熔、电子束熔炼等) 和压力加工方法( 如锻造、挤压、拉拔等) 来获取不同规 格的板、带、丝材，其工艺繁琐，并且加工成本较高。为了解决其工艺繁琐、 加工成本较高的问题，许多研究人员都致力于研究彻底改变n i m n g a 合金的常 规工艺路线，其中采用快速凝固工艺是一个重要的研究方向【4 0 4 1 1 。快速凝固技 术( r a p i ds o l i d i f i c a t i o nt e c h n o l o g yr s t ) 有利于薄带、细丝等小规格产品的生 产，而且还能大大改善产品的性能，其定义为：由液相到固相的相变过程进行 得非常地快，从而获得普通铸件和铸锭无法获得的成分、相结构和显微结构的 过程。 p d o n n e r 和s e u c k e n l 4 2 研究了快速凝固条件下几种典型s m a 的组织结构 特征随冷却速度的变化趋势。国内上海钢研所金嘉陵等【4 3 】在1 9 9 4 年也曾对快 速凝固形状记忆合金的性能作了初步探索，从快凝对s m a 中马氏体相变的影 响、快凝s m a 组织特征以及性能等方面进行了研究，得出r s t 形成的合金 m s 点比用常规方法生产的相同成分合金有很大程度的下降，相交滞后也小很 多，形成以超细晶粒为特征的显微结构，具有更有效的从热能到机械能的转换 效率。 利用快速