（材料加工工程专业论文）fega合金磁致伸缩性能研究.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 f e ( h 合金作为一种新型的磁致伸缩材料，具有饱和磁场较低( 8 1 7 k a m 1 ) 、磁 场灵敏度较高、脆性小、可以热轧、抗拉强度高( - 5 0 0 m p a ) 和磁导率高( 1 0 0 ) 等特 点，具有广泛的应用前景。本文对f e l o 呶g a x ( x - 1 5 ，1 6 ，1 7 ，1 8 ，1 9 ，2 0 ，2 1 ) 、 f e s 3 g a l 7 t b x 、f e s 3 g a l 7 d y x ( x = 0 2 ，0 4 ，0 6 ，o 8 ) 合金进行了研究： 系统研究了f e l o o x g a x ( x = 1 5 ，1 6 ，1 7 ，1 8 ，1 9 ，2 0 ，2 1 ) 合金的晶体显微结构和磁致伸缩 性能。实验结果表明，铸态下的f e g a 合金是无序的b c c 结构，合金的晶粒粗大，最 长的晶粒达到2 9 4 m m ，大部分晶粒都在l m m 左右，在晶粒内部存在大量亚晶界。铸 态的f e l 0 0 - x g a x ( x = 1 5 ，1 6 ，1 7 ，1 8 ，1 9 ，2 0 ，2 1 ) 合金磁致伸缩性能最好的是f e 8 l g a l 9 ，达到 1 2 9 ) 瓦弘= 0 ， 丁 0丁 正五 0 图i i 自发形变示意图 从交换作用与原子距离的关系很容易说明自发磁致伸缩，交换积分j 与晶格原子结 构d r n 的关系满足s l a t e r - b e t h e 曲线，其中d 为邻近原子间的距离，r n 为原子中未满壳层 的半径，随着d r 的由小增大，交换积分j 先增大，达到一个极点后开始减小。如果某 铁磁体的交换积分与d r n 的关系是处在曲线的上升阶段，当晶体在从顺磁状态变到铁磁 状态时，则交换积分相应的增大，交换积分愈大则交换能愈小。由于系统在变化过程中 总是力图使交换能变小，所以球形晶体在从顺磁状态变到铁磁状态时，原子间的距离会 变大，因此晶体的尺寸便增大了。如果某铁磁体的交换积分与d r n 的关系是处在曲线的 下降阶段，当晶体在从顺磁状态变到铁磁状态时，原子间的距离会变小，这时就发生了 尺寸上的收缩。 ( 2 ) 场致磁致伸缩 在铁磁或亚铁磁材料中，当温度在居里温度以下时，自发磁化在材料的内部形成大 量磁畴，假设畴的形状在居里温度以上是球形的，自发磁化后变为椭球形，其磁化强度 方向是椭球的一个主轴。当没有外磁场时，磁畴的磁化是随机的；外加磁场后，通过畴 壁移动和磁畴转动，最终大量磁畴的磁化方向将倾向平行于外场。如果畴内的磁化强度 方向是自发形变的长轴，则材料在外场方向将伸长，表现为正的磁致伸缩；如果磁化强 度方向是自发形变的短轴，则材料在外场方向将缩短，表现为负的磁致伸缩。当磁场比 饱和磁场小时，样品的变形主要是长度的改变( 线性磁致伸缩) ，而体积几乎不变；当磁 化场大于饱和磁场时，样品的变形主要是体积的改变，即体积磁致伸缩。体积磁致伸缩 在磁场大于饱和磁场时才发生，这时样品内的磁化强度己大于自发磁化强度，自发磁化 强度的产生及变化是与交换作用有关的，所以体积磁致伸缩是与交换力有关的。 ( 3 ) 形状效应 设一个球形的单畴样品，想象其内部没有交换作用和自旋轨道的耦合作用，而 只有退磁能，为了降低退磁能1 2 n m s v ，在磁化方向要伸长以减小退磁因子n ，这 就是退磁效应，它对磁致伸缩的贡献比前两者要小。 ( 4 ) 稀土离子的磁致伸缩 在稀土金属和合金或金属间化合物中，超磁致伸缩主要起源于稀土离子中局域的4 f 内蒙古科技大学硕士学位论文 电子。这是由于稀土原子最外层5 s 和5 p 电子壳层的屏蔽作用，4 f 电子的运动受周围离 子的影响很小，因而其具有“刚性”的运动轨道，并由此存在着4 f 电子的轨道磁矩。因 此，在含有稀土元素的金属和合金中，其原子磁矩由4 f 电子白旋磁矩和电子轨道磁矩 所组成，具有很高的有效磁矩。某些稀土元素，如t b 、d y 、h o 、g d 、s m 等的4 f 电子 轨道是强烈的各向异性的，在某些方向上伸展得很远，在另一些方向上却又收缩得很 紧，当自发磁化发生时，由于交换作用和晶场效应的共同作用，4 f 电子轨道在某些特定 方向上的能量最小，例如，对于稀土元素t b ，4 f 电子轨道的椭球的长轴方向能量最 小，这样，在交换作用和晶场的作用下，在一个很小的范围内，如在一个磁畴的范围 内，大量“刚性”的4 f 轨道被“锁定”在某几个特定的方向上，造成磁畴很大的磁各向异 性。在施加外磁场之前，这些磁畴混乱分布，并不表现出材料的磁性，只有当施加外磁 场时，由于磁畴畴壁的移动和磁矩的旋转最终显示出大的磁致伸缩效应。 1 1 2 磁致伸缩的唯象理论 线性磁致伸缩来源于磁体因其磁晶各向异性能与应变有关，而依靠变形使总能量降 至最小，而总的能量在晶格对称操作下不变，这是磁致伸缩唯象理论处理问题的两个基 本依据 3 1 。 经典的总能量可表示为： e = e o + e o + e m 。+ e e l ( 式1 1 ) 扇为不依赖于磁化强度的静磁能，巴为磁晶各向异性能，瓦。为磁弹性能，e e l 为 弹性能。 、 e 在品格的对称操作下不变，可以按全对称表象变换的方向余弦的多项式展开， e：y“7乱。o ks j r 一 ， ( 式1 2 ) 式中k “7 是各向异性常数，s 乱7 是全对称多项式，取磁化强度方向余弦q 的最低次 项，则 疋i 妨= ( q ，4 + q y 4 + q ：4 一；3 ) ( 式1 3 ) 内蒙古科技大学硕士学位论文 队角= ( q ：2 一了1 ) ( 式1 4 ) 公式1 1 中的。是与磁晶各向异性有关的磁弹性能，对于弹性变形，这一项必须 是在相同对称表象操作变换下的方向余弦多项式和应变分量的直积。根据能量最低原 理，可得到磁致伸缩表达式。 对立方对称的晶体，常用的饱和线磁致伸缩的表式为 锋饯i p l ：i 3 丸i v m v ( 、口| ，8 1 j 十畦酸+ 晓；p ；一 + ： 。( 口。屈三：展+ 反屈+ 尾届) 3 ( 式1 5 ) 口。为弘对以立方边为轴的直角坐标的方向余弦，屈为线伸缩a 的方向余弦。 和 。分别为饱和磁化在【1 0 0 】和【1 l1 方向，并沿该方向测量的饱和线伸缩。 1 1 3 磁致伸缩的量子理论 磁致伸缩的唯象理论可以从宏观形变的角度解释磁性体形变的变化，但无法解释产 生磁致伸缩的微观机制。这就需要发展一个磁致伸缩的微观理论，能够根据晶体结构、 磁性离子的占位和电子结构参数，计算出磁畴伸缩的大小；并能分析各种参数对磁致伸缩 的影响，有目的地指导新材料的研究。具体模型可分为两大类：第一类是以能带理论为 基础的巡游电子模型( i t i n e r a n te l e c t r o nm o d e l ) ，它适用于3 d 过渡族铁磁金属。第二类是 以局域电子为基础的单离子模型( s i n g l ei o nm o d e l ) 或双离子模型( t w oi o nm o d e l ) ，它们主 要适用于铁氧体和稀土元素。 1 2 磁致伸缩材料的发展 j o u l e 早在18 4 2 年就发现了磁致伸缩性能，但直到2 0 世纪4 0 年代，人们才发现镍 ( n i ) 和钴( c o ) 等金属具有较大的磁致伸缩，多晶磁致伸缩材料进入应用阶段。5 0 年代， 又研制出f e 1 3 a 1 磁致伸缩材料。6 0 年代，发现铁氧体材料亦具有较大的磁致伸缩。 然而，这些材料的磁致伸缩都是10 气10 巧数量级，与其线性膨胀系数相近，因此其应用 范围受到了限制，仅用于超声换能器领域 4 1 。1 9 6 3 年l e g v o l d 等人【5 。7 1 对于稀土磁致伸缩 材料的研究发现：稀土金属铽( t b ) 和镝( d y ) 在低温下的磁致伸缩是传统磁致伸缩材料 1 0 0 - 1 0 0 0 倍，达到2 1 0 之左右，但是稀土金属的居里温度低于室温，在室温下为顺磁 状态，所以这种大的磁致伸缩现象只能在极低的温度下才能出现，使得稀土金属无法在 室温下使用。1 9 6 9 年，c a l l e n 根据过渡金属电子云的特征，提出稀土过渡金属形成的 化合物具有较高的居罩温度。19 7 3 年c l a r k 等人【剐发现t b l x d y x f e 2 化合物的磁致伸缩在 内蒙古科技大学硕士学位论文 x = o 7 3 时出现一个峰值，这种新型材料的磁致伸缩系数比传统材料的约大8 0 倍，达到 1 5 0 0 2 0 0 0 1 0 击，同时该合金的磁晶各向异性能也很低。但是由于这种稀土磁致伸缩材 料机械性能差，限制了其的使用范围。2 0 0 0 年，美国的g u r n s w a m y 9 1 等人基于f e - a i 合 金的磁致伸缩性质，用与舢同一族的元素g a 来代替或部分代替f e 舢合金中的m ， 发现f e g a 二元合金具有较f e - a i 合金高得多的磁致伸缩值，单晶 晶向的饱和磁 致伸缩系数入达到2 7 1 1 0 叫h 儿，这种材料的强度高，脆性小，可以热轧，具有很低的饱 和磁化场( 1 6 k a m ) ，是一类新型磁致伸缩材料。 1 3 1 定向凝固法 f e g a ( g 甜f e n 0 1 ) 合金的制备方法主要为定向凝固法【1 1 1 ，其次还有甩带快淬法和轧制 法。定向凝固法是根据晶体生长时晶粒竞争生长的现象。通过晶粒淘汰，获得具有一定 择优取向的材料。应用定向凝固法，可以得到单方向生长的柱状晶，甚至单晶，不产生 横向晶界，较大地提高了材料的磁致伸缩性能。在理想情况下，希望样品的轴向为 晶向1 9 】。定向凝固法主要包括布里吉曼法、浮区区熔法和提拉法。 1 3 1 1 布里吉曼法( b r i d g m a n 法) 布里吉曼法是将母合金置于石英或氧化铝坩埚内整体加热熔化，然后向下抽拉熔化 合金逐渐移出加热区，通过发生顺序凝固来形成定向凝固组织，可以制备单晶体或多晶 体。主要控制参数是抽拉速率和固液界面温度梯度。如果感应线圈移动速度与临界凝固 速度控制得当，可以生产出性能较高的磁致伸缩棒材。该方法的优点是可以制备大直径 材料，但由于采用整体加热，且向下抽拉速度较慢，易导致c h 挥发严重。c l a r k 掣1 2 j 通 过严格控制熔炼气氛和工艺参数，解决了这个问题，制备出了具有 取向的单晶f e g a 合金。 1 3 1 2 浮区区熔法( f l o s tz o n e f z ) 浮区区熔法是将母合金棒置于感应线圈中，然后通过感应加热使8 - 1 0m m 长度的 部分合金棒熔化，当感应线圈以一定的速率从一端移向另一端，使得合金棒的每一部分 都顺次经历了由熔化到凝固的过程，从而形成了层状的定向凝固组织。浮区法不仅可避 免坩埚对原材料的污染，而且母合金料不需要一次性全部加热，元素烧损少。这种方法 的缺点是：因受射频加热和材料表面张力的限制，生产出的棒材直径较小，不适合工业 化生产；要求感应线圈的移动速率必须与加热功率、熔化区宽度、液相温度和液相表面 内蒙古科技大学硕士学位论文 张力等参数相匹配，在实际控制上比较困难。徐翔等【1 3 】采用浮区法，以4 0 0m l t l h 1 的 生长速度制备的f e 7 2 5 g a 2 7 5 ，淬火态合金的室温饱和磁致伸缩应变达1 1 4 1 0 石； k u m a g a i 掣1 4 1 采用浮区法制备f e g a 合金，研究了该合金的各向异性和磁致伸缩性能； s u m m e r s 掣1 5 1 采用浮区法以3 5 0m m h - 1 的生长速度制备出了磁致伸缩系数达2 2 0 x1 0 缶 的多晶 取向的f e g a 合金。 1 3 1 3 丘克拉斯基法( c z o c h r a l s k i 法) 丘克拉斯基法又称提拉法，是将一小籽晶在旋转的同时从母合金熔液中以一定速度 向上提拉，熔体以籽晶为基底，固液界面以平面方式生长成单晶磁致伸缩棒材。用这种 方式生产的材料晶体取向与籽晶的晶体取向一致，因此通过控制籽晶的晶体取向可获得 具有 或 取向的磁致伸缩材料。提拉法的主要优点是： ( 1 ) 晶体在熔体的自由表面处生长，不与坩埚接触，减少了晶体的应力，避免坩埚壁 上的寄生成核。 ( 2 ) 晶体直径可以控制。晶体的直径取决于熔体温度和提拉速度，降低功率和拉速， 晶体直径增加，反之直径减小。 它的缺点是： ( 1 ) 提拉速度较慢，不仅效率非常低，而且g h 烧损严重，晶体成分偏差较大，不适 合规模化工业生产。 ( 2 ) 籽晶和熔体直接接触，要求精确控制适当的温度，使得籽晶既不熔掉也不长大， 控制难度大。 m a n f r e d 等【1 司用该方法制备了f e 7 4 g a 2 6 合金，并研究了它的弹性性能和磁弹性能。 1 3 2 甩带快淬法 将f e 和g h 按所需成分配料后，在氩气气氛中反复多次电弧熔炼。然后将熔炼的 合金锭，放入石英管内，采用感应加热，使合金处于熔融状态，再以一定的速度甩带陕 淬以得到具有一定结构的薄带制品。日本金属研究所【1 1j 通过对f e 8 5 g a l 5 ，f e 8 3 g a l 7 ， f e 7 9 g a 2 l 合金快冷凝固薄带磁致伸缩行为以及与其结晶结构、磁特性之间相关性的研 究，认为快冷凝固薄带具有较大的磁致伸缩和延展性，对于磁场的滞后性小，适于在磁 传感器制动器方面应用。刘国栋掣1 。7 】采用甩带快淬法制备的f e 8 5 g a l 5 取得了较大的磁致 伸缩系数。c h e n g 等【1 8 】采用熔体快淬法制备的f e s a g a l 7 合金薄带，薄带长度方向的磁致 伸缩系数达到1 3 0 1 0 击。江洪林等【l9 】利用快淬法研究了薄带厚度和磁致伸缩的关系， 发现薄带样品大的磁致伸缩效应主要来源于析出的特殊d 0 3 结构相和薄带样品大的形状 各向异性。l o g r a s s o 等人1 2 0 研究淬火状态下的f e g a 合金的相结构发现，f e g a 合金中 内蒙古科技大学硕士学位论文 的d 0 3 相具有两种结构，即s t a n d a r dd 0 3 和m o d i f i e dd 0 3 相，这两种1 3 0 3 结构是由于 g a 原子取代不同位置的f e 原子造成的。 1 3 3 轧制 轧制过程是靠旋转的轧辊与轧件之间形成的摩擦力将轧件拖进辊缝之间，并使之受 到压缩产生塑性变形的过程。通过轧制，可以赋予f e g a 合金一定的织构。n a 等【2 l 】将 ( f e 8 1 3 g a l 8 7 ) + 0 5 b 轧制成具有 取向的薄片，在1 2 0 0 。c 下退火2 h 后淬冷，得到的 最大磁致伸缩系数为2 0 0 1 0 击。g u r u s w a m y 等 9 灵j - ( f e 8 5 g a l 5 ) 9 9 ( n b c ) l 进行热轧和温轧后 得到具有 织构的薄片，轴向方向最大磁致伸缩系数为l1 0 1 0 6 。 1 4 1f e g a 合金相的分类及结构 根据f e - g a 合金的平衡相图和亚稳相图，如图1 2 所示，f e g a 合金在不同的制备 工艺和热处理条件下，可能出现多种相结构。目前的研究表明：当f e c r a 合金中的g a o o n ) 肖 每 q e n ) 卜 p 、 巴 三 巴 q e i - - - 图1 2 ( a ) f e - g a 合金部分平衡相图；( b ) f e - g a 合金亚稳相图 内蒙古科技大学硕士学位论文 含量在1 5 3 0 之间变化时，可以出现a 2 、d 0 3 、l 1 2 、b 2 、d 0 1 9 、类b 2 和m o d i f i e d d 0 3 相等多种相结构。其中a 2 相是无序相，其它相为有序相。在结构上，除l 1 2 相为 面心立方结构、d o l 9 相为六方晶系结构外，其它都是体心立方结构。其中在d 0 3 中g a 原子沿 1 1 0 句 j 歹l j ，而m o d i f i e dd 0 3 相中的g a 原子是沿 1 0 0 1 雠v u 的。其晶体点阵结 构如图1 3 所示。 1 4 2 成分对f e g a 合金性能的影响 c l a r k 等人 2 2 - 2 4 对单晶f e g a 材料的研究表明，f e g a 合金g a 含量较高时，合金中 出现非对称的g a 原子团簇( c l u s t e r ) 现象，导致含g a 量高合金的磁致伸缩性能降低。f e 中掺入g a 原子后形成替代式固溶体，g a 原子在固溶体中的占位，直接影响着合金有 序、无序的程度。 合金成分和相结构对f e g a 合金的磁致伸缩性能有极大影响，同时相结构与合金成 分也有密切的联系。在室温下，g a 在f e 中的平衡固溶度为1 1 ，在1 0 3 7 时为 3 6 ，在亚稳态过饱和固溶体中g a 含量可以达到3 0 以上。l i u 等【2 5 ，2 q 研究了单晶 取向的f e g a 合金中g a 含量( 4 - - - 2 7 ) 与磁致伸缩性能的关系。发现当g a 含量 画画回画 a 21 3 2 l 1 2 d o1 9 d 03m o d i f i e dd 0 3 彩f eo rg a 0i r e g a 图1 3a 2 、9 0 3 、l 1 2 、1 1 2 、d o l 9 和m o d i f i e dd 0 3 相晶体结构图 内蒙古科技大学硕士学位论文 小于1 9 时，f e g a 合金的饱和磁致伸缩应变随g a 含量的增加而增加，并在1 9 达到 极大值。当g a 含量超过1 9 后，磁致伸缩系数随g a 含量的增加而减小，并在2 4 处 磁致伸缩应变降到极小值，随后磁致伸缩又随g a 含量的增加而增加，在2 7 附近又达 到极大值，此后又随c r a 含量的增加而减小。这种性能的变化是由于f e g a 合金中c h 原子分数在1 5 - - 3 0 范围内变化时，不同的制备条件下会出现a 2 ，d 0 3 ，l 1 2 ，b 2 ， d o l 9 等多种相结构【2 5 。2 8 j 所致。 1 4 3 热处理对合金性能的影响 i k e d a 等【2 8 】利用常规的扩散偶技术通过! m ，s e m 和e d s 等测试手段绘制了富f e 部分的f e g a 相图，并确定了各个相之间的转变温度，为热处理提供了参考依据。 s r i s u k h u m b o w o m c h a i 等1 27 。，k u m a g a i 等1 1 4 1 研究了相结构对f e 7 2 5 g a 2 7 5 合金磁致伸缩的影 响，他们发现当g a 含量在2 7 5 ( 2 6 - 2 9 ) 附近，可以通过热处理得到0 【”，d o l 9 ，l 1 2 相。s r i s u k h u m b o w o m c h a i 等【2 7 1 利用铸态的多晶f e 7 2 5 g a 2 7 5 合金，研究了这些相与磁致伸 缩的关系，研究发现样品在7 3 0 下保温2 2 0h 得到0 【”相，比8 7 5 下淬火得到a 2 相 时的磁致伸缩略有降低。f e 7 2 5 g a 2 7 5 合金在6 5 0 。c 下保温4 0 0 h 几乎都转变成d o r a 相， 材料表现出很小的磁致伸缩性能。该合金在5 0 0 退火7 2 h 、然后3 0 0 下退火2 6 6h 得 到l 1 2 相，发现它的磁致伸缩是负值。k u m a g a i 掣1 4 j 利用浮区法制备出了a 2 ，b 2 和 d 0 3 相的单晶f e l - x g a x ( x = 0 2 4 0 2 5 ) 并研究了它们的磁致伸缩性能，发现在平行于磁场 方向a 2 相的磁致伸缩最大，b 2 相次之，d 0 3 相的磁致伸缩最小。他们的研究表明在这 些相结构中无序的体心立方结构( a 2 相) 的磁致伸缩最大。 1 4 4 晶体织构对合金性能的影响 根据n a 等1 2 9 1 的研究，f e g a 合金在 方向有最大的磁致伸缩系数，偏离 方向的 和 晶系磁致伸缩系数较低。因此材料的轴向织构对磁致伸缩性能有 非常重要的影响。因此除材料的成分外，f e g a 合金的磁致伸缩性能还强烈地依赖于材 料的织构。目前c l a r k 等【l2 】采用改进的布里吉曼法，分别制备出了具有 ， 和 取向的单晶f e g a 合金，其中具有 取向的单晶f e 8 l g a l 9 磁致伸缩已接近4 0 0 x1 0 击。 k e l l o g g 等p o 3 1 】，n a 等对轧制过程中单晶f e 8 3 g a l 7 合金的织构进行了研究。 k e l l o g g 发现轧制时f e c h 合金的滑移系与f e s i 系，a - f e ，f e a 1 系是一致的。 取 向的合金，主滑移系为 1 1 0 ； 取向的合金主滑移系为 2 1 1 ) 。而n a 等通过控制退火条件和在表面掺杂硫，轧制后得到了立方织构 1 0 0 。 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 4 5 元素掺杂对合金性能的影响 s r i s u k h u m b o w o m c h a i 等 3 2 1 ，b o r m i o 等【3 3 1 ，d a i 掣3 4 1 ，r e s t o r f f 等p 5 1 研究了元素掺杂 对磁致伸缩效应的影响。他们都发现在多晶体中用少量的a l 取代g a 或用c o 取代f e 都能使磁致伸缩性能增d l h 而在单晶体中加入少量的n i 或舢，室温下反而使 取 向的磁致伸缩系数降低。r e s t o r f f 等还向单晶f e g a 合金中掺杂了少量( 小于4 ) 的n i ， m o ，s n 。因为f e g a 合金在g a 含量小于2 1 时，九i l l 为负值【2 引，为了降低九l l l 的影响 提高磁致伸缩性能， b o z o r t h 3 6 1 提出用少量的n i 来取代f c 以降低九川的值，结果发 现：虽然降低了h l l 的值，但同时也降低了h o o 的值d 1 0 0 的值约降低6 0 ) ；加入m o 的 目的是为了检验未充满的3 d 电子层对该材料磁致伸缩的影n l j j ( g a 的3 d 电子层是满的， 舢的3 d 电子层是空的) ，结果使h l l 变得更负，而九1 0 0 也减少了4 0 ；g a 的原子半径 比f e 的大1 2 ，掺杂s n 是为了考查更大的原子半径对磁致伸缩的影响( s n 的原子半径 比f e 大3 0 0 0 ) ，因为s n 在f e 中的溶解度不大，试验加入了约1 5 的s n ，发现l 1 0 0 的 值基本没有变化。 1 5 选题背景及研究内容 1 5 1 选题背景 研究具有应用磁场低、输出能量高、成本低的磁致伸缩材料不仅是国防尖端武器和 民用高技术领域发展的需要，同时也是国际磁致伸缩材料发展的热点，f e 基磁致伸缩 合金最有希望发展成这类新型大磁致伸缩材料。 在所有可能的廉价铁基磁致伸缩合金中，f e 础和f e b e 合金很早就被人们发现有可 观的低场磁致伸缩性能，良好的机械强度和韧性。具有 晶体取向的f e 8 5 舢1 5 合金磁 致伸缩系数达到了1 4 0 x 1 0 邵7 瑚1 ；室温下f e - b e 合金的磁致伸缩系数在铍原子含量为 3 1 时为5 5 1 0 _ 6 , 而在6 8 时达到了1 0 l x l 0 南 3 8 1 。非铁磁性原子铝和铍的加入增大了铁 的磁致伸缩性能。镓原子的核外电子排布类似铝都拥有满d 层电子。溶入b e c f e 中的镓 和铝一样都增大了晶体的点阵参数。因此富铁的铁镓二元合金可能会成为一种人们希望 的低场下大应变磁致伸缩材料【9 】。c l a r k 等【2 2 埘】制备的f e 8 l g h l 9 取向单晶，饱和磁致伸缩 系数高达4 0 0 p p m ，是a - f e 块体材料的2 0 倍。他们认为：在室温时过饱和b e e 结构的 亚稳f e ( g a ) n 溶相中，过量的( h 在合金内部形成了非对称性的g a 原子团簇，导致了 磁致伸缩量的增大。 f e g a 合金材料被美国海军表面武器试验室( t h en a v a ls u r f a c ew a r f a r ec e n t e r - c a r d e r o c kd i v i s i o n ) 命名为g a l f e n o l 。它的饱和磁场较低( 8 1 7 k a r n 1 ) ，仅为t e r f e n 0 1 d 的1 1 0 ，磁场灵敏度较高；该合金为金属固溶体，强度高、脆性小，可以热轧，同时 内蒙古科技大学硕士学位论文 具有较高的抗拉强度( - 一5 0 0 m v a ) ，在一些应用中不需采用复杂的预应力结构1 3 9 1 ，因此器 件结构设计简单；此外该合金还有高的磁导率( l o o ) ，很好的温度特性 4 0 l ，能在很宽 的温度范围内使用。由于f e g a 合金具有上述特点，在超声领域和微位移器等方面有较 大的潜在应用价值【9 j ，因此引起了人们的广泛关注。 但是要让f e g a 合金应用于生产中仍有许多问题要解决： 在f e g a 合金中，由于合金成分的不同，存在a 2 、b 2 、d 0 3 和l 1 2 等相，当f e g a 合金从高温以不同速度冷却至室温时，合金中可以出现不同的亚稳相，不同的相结构直 接影响着材料的磁致伸缩性能。l i u 等人【2 5 - 2 6 只指出不同成分的合金性能的不同，并没 给出不同成分与相形成的关系。c l a r k 等人 2 2 - 2 4 1 对单晶f e ( h 材料的研究表明，c h 原子 在固溶体中的占位，直接影响着合金有序、无序的程度。但并没有研究有序度对磁致伸 缩性能的影响。 对于取向多晶f e g a 合金磁致伸缩性能方面的研究，g u r u s w a m y 等人1 9 只是研究了 不同的处理温度和处理时间对f e l o 呱g a x ( x _ 1 5 ，2 0 ，2 7 5 ) - - 种成分合金磁致伸缩应变的 影响，给出了一些实验现象和数据。对现象的产生并未给出合理的解释。由于不同的热 处理工艺可以得到不同的相，如a 2 ，b 2 ，d 0 3 ，l 1 2 等，但具体各相对合金的磁致伸 缩性能的贡献有多大，还没有详细的研究过。 n a 等 2 1 】，g u r u s w a m y 等1 9 研究了扎制对f e c h 合金材料性能的影响，但并没有系 统的研究各种扎制工艺对其性能的影响。 由于预应力对f e g a 合金材料的磁性能也有很大的影响，韩志勇【4 1 】等研究了不同的 预应力对合金磁性能的影响，发现随着应力的增大，磁距在 取向程度增大，晶体 的饱和磁致伸缩系数也随之增大。但并没有给出具体的理论解释。 1 5 2 最近f e - g a r e 合金研究的情况 ( 1 ) 包头稀土研究院赵增祺等人通过调整组分制备出非化学计量n i 5 0 m n 2 9 g a 2 l - x 1 b x 晶体，研究了稀土t b 对磁致伸缩材料n i m n - g a 合金性能的影响，发现添加稀土t b 后 合金的m s 提高到3 0 0 k 以上，t c 基本保持不变，磁感生应变达1 以上，抗弯强度达 到了2 0 0 m p a 以上，并且对其中的原因进行了分析【4 2 ，4 3 彤4 5 1 。 ( 2 ) 兰州理工大学丁雨田等研究了取向g a l f e n o l 合金的结构与磁致伸缩应变，定向 凝固的f e 8 l g a l 9 合金晶粒中富g a 相的析出和大量分布的亚晶界，阻碍了材料的磁化和 磁畴的转动，导致其磁致伸缩下降1 4 6 1 ，采用吹铸法制备f e 8 2 g a l 8 合金棒材，大的磁致伸 缩性能源自合金内部所具有的大量短程有序富g a 原子团簇，同时该合金沿 方向 具有择优生长趋势1 4 7 。 内蒙古科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 北京航空航天大学蒋成保等对f e ( h 磁致伸缩合金自旋轨道耦合效应研究发 现，自旋轨道耦合效应可以进一步劈裂d 0 3 及l 1 2 立方结构晶体场，d 0 3 及l 1 2 结构中 的f e 原子3 d 轨道电子数由于自旋轨道耦合作用发生改变，f e g a 磁致伸缩合金中磁晶 各向异性主要由晶体场决定1 4 8 j 。 ( 4 ) 北京科技大学李纪恒【4 9 】研究了轧制f e g a 合金的织构及磁致伸缩，n b 的添加改 善了f e 8 l g a l 9 合金的塑性，采用热轧和冷轧相结合的轧制工艺制备出厚度为0 6 m m 的 ( f e s i g a l 9 ) + 1 n b ( 原子分数) 合金薄板。研究结果表明：合金磁致伸缩与样品的织构密切 相关，再结晶织构取决于热处理工艺。轧态织构以 1 1 1 ) 面织构和近似的 0 0 1 旋 转立方织构为主，热处理后的磁致伸缩( 3 2 ) 入r d 达到1 3 4 1 0 击。 1 5 3 本文的研究内容 针对上述f e g a 磁致伸缩材料研究方面存在的问题，本论文拟针对以下某些具体领 域进行相关的研究，主要研究内容包括以下几方面： ( 1 ) 制备不同成分的母合金，研究成分对铸态f e g a 合金的磁致伸缩性能和微观结 构的影响； ( 2 ) 研究稀土铽元素添加对f e g h 合金磁致伸缩性能和微观结构的影响。 ( 3 ) 研究稀土镝元素添加对f e g h 合金磁致伸缩性能和微观结构的影响。 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 试验方法 2 1 样品的制备 选用纯度为9