（材料加工工程专业论文）磁致伸缩材料fega合金定向凝固的研究.pdf

s t u d yo fd i r e c t i o n a l l ys o l d i f i e do nm a g n e t o s t r i c t i v e m a t e r i a lf e g aa l l o y s b y l i u y a n y a n b e ( u n i v e r s i t yo fj i n a n ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t esc h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rd i n gy u t i a n j u n e ，2 0 1 1 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：交j 吨研也哥 日期：弘if 年6 月i1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名：安l j 忐开妍 日期：矽年6 月i1 日 导师签 凝铘辱6at ， 硕+ 学位论文 曼, 一一n u m m mn n m -_ nu n n m 皇曼曼量曼量皇曼皇量曼皇曼皇兽量曼皇曼曼量曼皇曼皇曼曼曼曼曼罡曼曼量 目录 摘要i a b s t r a c t i i 插图索引i i i 附表索引v 第1 章绪论一1 1 1 磁致伸缩效应及理论基础1 1 2 磁致伸缩材料简介4 1 2 1 磁致伸缩材料的发展4 1 2 2 磁致伸缩材料的分类5 1 2 - 3 磁致伸缩材料的应用6 1 3f e c h 合金的研究现状及性能7 1 3 1f e g a 合金的的研究现状7 1 3 2f e g a 合金的成分、相结构及特性7 1 3 3 热处理对f e g a 合金的影响9 1 3 4 添加第三组元对f e g a 合金的影响。1 0 1 4f e g a 合金的制备技术1 l 1 4 1 布里吉曼法( b r i d g m m 法) 一1 1 1 4 2 区熔定向凝固。1 l 1 4 3 丘克拉斯基法( c z o c h r a l s l d 法) 1 2 1 4 4 甩带快淬法1 2 1 4 5 轧制1 2 1 4 6 粉末冶金法1 3 1 4 7 吹铸法1 3 1 5 选题背景意义及研究内容。l3 1 5 1 选题背景意义。13 1 5 2 研究内容1 4 第2 章试验方法l 5 2 1 样品制备1 5 2 1 1 母合金的制备。1 5 2 1 2 定向凝固样品的制备。1 6 2 2 组织分析及磁致伸缩性能测试1 7 2 2 1 显微组织分析1 7 磁致伸缩材料f e g a 合金定向凝同的研究 2 2 2 结构分析及设备1 7 2 2 - 3 磁致伸缩性能测试18 第3 章铸态f e - g a 合金的结构及磁致伸缩性能2 0 3 1 铸态f e g a 合金的x r d 结构分析2 0 3 2 铸态f e g a 合金的显微组织。2 2 3 3 铸态f e g a 合金的磁致伸缩性能2 3 3 4 本章小结2 4 第4 章区熔定向凝固f e g a 合金的结构及磁致伸缩性能2 6 4 1 试验方法。2 6 4 2 定向凝固f e g a 合金的x r d 结构分析2 7 4 2 1 定向凝固f e 8 3 g a l 7 合金的x r d 结构分析2 7 4 2 2 定向凝固f e 8 l g a l 9 合金的x r d 结构分析2 9 4 2 3 定向凝固f e 7 9 g a 2 l 合金的x r d 结构分析3 2 4 3 定向凝固f e g a 合金的显微结构3 3 4 3 1 定向凝固f e 8 3 g a l 7 合金的显微结构。3 3 4 - 3 2 定向凝固f e 8 l g a l 9 合金的显微结构一3 5 4 3 3 定向凝固f e 7 9 g a 2 l 合金的显微结构3 9 4 4 定向凝固f e g a 合金磁致伸缩性能。4 0 4 4 1 定向凝固f e 8 3 g a l 7 合金的磁致伸缩性能。4 0 4 4 2 定向凝固f e 8 l g a l 9 合金的磁致伸缩性能4 1 4 4 3 定向凝固f e 7 9 g a 2 1 合金的磁致伸缩性能一4 3 4 5 本章小结一4 4 第5 章区熔定向凝固f e 昭g a l s a l 2 合金的结构及磁致伸缩性能。4 5 5 1 定向凝固f e 8 3 g a l 5 a 1 2 合金的x r d 结构分析。4 5 5 2 定向凝固f e 8 3 g a l 5 a 1 2 合金的显微结构4 7 5 3 定向凝固f e s 3 g a l 5 a 1 2 合金的磁致伸缩性能4 9 5 4 本章小结5 l 结论5 9 参考文献5 5 致谢5 9 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录6 0 i i 硕+ 学位论文 曼皇曼曼皇曼曼ttt 一一, u i 摘要 本文研究了不同成分和不同的定向凝固速率对f e 国合金的相结构和磁致伸缩性能 的影响。采用真空电弧炉熔炼浇铸制备不同成分的母合金f e l o 呶g a x ( x = 1 7 、1 9 、2 1 ) 和 f e 8 3 c r a l 5 a 1 2 合金，采用区熔定向凝固技术制备不同凝固速率下的f e g a 合金棒。得出以 下结果： 成分对f e g a 合金的磁致伸缩性能有明显的影响。g a 含量为1 7 的铸态f e g a 合金的 磁致伸缩最大，达至l j 5 3 x 1 0 币：g a 含量为2 1 的f e q l 厶金的磁致伸缩最小，只有3 7 x 1 0 击。 f e g a 合金的基本结构都是无序的a 2 相，g a 原子取代f e 原子，占据b e e f e 的不同位置而 产生晶格畸变。不同成分的f e g a 合金中g a 的不同占位形式形成了不同的相。 f e g a 合金经过区熔定向凝固后，晶粒尺寸明显增大，且随凝固速率下降，晶粒沿 轴向拉长，晶粒尺寸增大。凝固速率为5t u n s 时，f e c r a g 金的组织是沿定向凝固方向择 优生长的尺寸较大的柱状晶。在较高速率的定向凝固下，没有明显的择优取向，x 射线 衍射的最强峰是( 1 1 0 ) ，当速率降至1 0 删s 及5t j m s 时，开始由 方向的择优生长转 向 ，此时 取向明显增强；v = 3 0t u n s 时，x r d 结果显示合金沿 方向择优 生长，呈现出明显的 1 1 0 织构特征。经区熔定向凝固，f e g a 厶金的磁致伸缩性能有一 定的改善，铸态和v = 5t u n s 时的低场响应较差，但v = 5t t m s 时的饱和磁致伸缩系数最大， f e s 3 g a l 7 合金在此速率下饱和值达至u 8 6 x l o 。6 ，v = 3 0 01 t m s 时，低场响应快，饱和磁致伸 缩系数比v = 5 印珧的值略低，为6 3 x 1 0 。6 。 铸态f e s 3 g a l 5 址合金中，由于置换固溶，舢原子破坏了g a - g a 原子对团簇，降低了 f e g a 合金的磁致伸缩性能，在饱和时具有8 x 1 0 而的磁致伸缩。经过区熔定向凝固后，随 着凝固速率的降低，晶粒尺寸剧增，晶界数量减少，生长成沿轴向生长的大尺寸的柱状 晶。f e 8 3 g a l 5 a 1 2 合金经区熔定向凝固后，磁性能有大幅度的提高，低场响应快，且磁致 伸缩值增大，凝固速率1 , - = 1 0 岬以时，磁致伸缩系数达到最大值5 3 xi 0 。6 ；当v = 3 0 0t , m s 时，九值略低，为5 0 x 1 0 缶，但其低场响应迅速，在5 0 k a m 时就达到最大值。 关键词：f e g a 合金；磁致伸缩；定向凝固；相结构 磁致伸缩材料f e g a 合金定向凝固的研究 a b s t r a c t t h ee f i f f e c to fc o m p o s i t i o na n dd i f f e r e n ts o l i d i f i c a t i o nr a t eo nm i c r o s t r u c t u r ea n d m a g n e t o s t i c t i o no ff e g aa l l o yw a ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yi nt h i sp a p e r f o u n d r ya l l o y f e l o 呶g a x ( x = 1 7 、1 9 、2 1 ) a n df e s 3 g a l s a l 2 诵t l ld i f f e r e n tc o m p o s i t i o n sw e r ep r e p a r e db y e l e c t r i cv a c u u mf l l r n a c em e l t i n g t h ef e - g - aa l l o yu n d e rd i f f e r e n ts o l i d i f i c a t i o nr a t ew a s p r e p a r e db yz o n em e l t i n gd i r e e t i o n a l l ys o l d i f i e dt e c h n i q u e d r a wt h ef o l l o w i n gr e s u l t s ： t h ee f f e c to fc o m p o s i t i o n so nf e - g a a l l o ym a g n e t o s t i c t i o n i so b v i o u s t h e m a g n e t o s t i c t i o na e h e i e v e de x t r e m u m5 3 1 0 - 6a n d3 7 x 1 0 - 6u n d e rg ac o n t e n t1 7 a n d2 1 ， r e s p e c t i v e l y b a s i cs t r u c t u r eo ff e - g aa l l o yi sd i s o r d e ra 2p h a s e ，g aa t o m sr e p l a c et h ef e a t o m s ，a n de n g e n d e rl a t t i c ed i s t o r t i o nf o ro c c u p y i n gd i f f e r e n tp l a c e s t h ed i f f e r e n tp h a s eo f c o m p o s i t i o n sf e - g aa l l o yw a sf o r m e db yd i f f e r e n tp l a c e h o l d e rf o r mo fg a f e - g aa l l o yb yz o n em e l t i n gd i r e c t i o n a l l ys o l i d i f i e d , t h es i z eo fg r a i ni n c r e a s e d o b v i o u s l y , a n da sr e d u c i n go fs o l i d i f i c a t i o nr a t e ，t h eg r a me l o n g a t e da l o n gt h ea x i a la n dt h e s i z eo fi ti n c r e a s e de i t h e r w h e nt h es o l i d i f i c a t i o nr a t ei s5 脚，t h es t r u c t u r eo ff e - g aa l l o y i sc o m p o s e do fl a r g es i z ec o l u m u a rc r y s t a l s ，w h i c hp r e f e r r e dg r o w t ha l o n gd i r e c t i o n a l s o l i d i f i c a t i o nd i r e c t i o n u n d e rt h eh i g h e ro fs o l i d i f i c a t i o nr a t e ，t h eg r a i nh a sn op r e f e r r e d o r i e n t a t i o n , t h es t r o n g e s tp e a ko fx - r a yd i f f r a c t i o ni s ( 1lo ) ，b u tw h e nt h es o l i d i f i c a t i o nr a t e r e d u c e dt o1 0 p m sa n d5 m m s ，t h ea x i a lp r e f e r r e do r i e n t a t i o nc h a n g e df x o m o r i e n t a t i o n t o o r i e n t a t i o n t h ea x i a lp r e f e r r e do r i e n t a t i o no ft h ef e - g aa l l o yw i t ht h es o l i d i f i c a t i o n r a t ea t3 0m - n si s t h em a g n e t o s t r i c t i o no ff e g aa l l o yi ss l i g h t l yi m p r o v e db yz o n em e l t i n gd i r e c t i o n a l l y s o l d i f i e dt e c h n i q u e l o wf i e l dr e s p o n s eo fc a s ta n dv = 5r m a sa l ep o o r , w h i l et h es a t u r a t i o n m a g n e t o s t r i c t i o no ff e g aa l l o yw i t ht h er a t eo f5 岬以r e a c h e dt ot h em a x i m u m i n8 6 x10 击 c o m p a r e dt ov = 5 叫，t h el o wf i e l dr e s p o n s ei sf a s ta n dt h es a t u r a t i o nm a g n e t o s t r i c t i o ni s s l i g h t l yl o w e r , w h i c hi s6 3 x10 石 i nt h ec a s to ff e 8 3 g - a l s a l 2a l l o y ，t h es a t u r a t i o nm a g n e t o s l r i c t i o nr e d u c e dt o8x10 巾f o r d e s t r o y i n gg a - g aa t o mc l u s t e r si nr e p l a c e m e n ts o l u t i o n a f i e rz o n em e l t i n gd i r e c t i o n a l l y s o l i d i f i e d , t h es i z eo fg r a mi si n c r e a s e d ，t h en u m b e ro fg r a i nb o u n d a r i e sa l er e d u c e d , a n di s c o m p o s e do fl a r g es i z ec o l u m u a rc r y s t a l sa l o n gt h ea x i a la sr e d u c i n go fs o l i d i f i c a t i o nr a t e t h em a g n e t o s t r i c t i o no ff e 8 3 g a l s a l 2a l l o ys u b s t a n t i a l l yi n c r e a s e d , t h el o wf i e l dr e s p o n s ei s f a s tb yz o n em e l t i n gd i r e c t i o n a l l ys o l d i f i e dt e c h n i q u e t h es a t u r a t i o nm a g n e t o s t r i c t i o no fi t w i t ht h er a t eo f1 0r t m sr e a c h e dt ot h em a x i m u mi n5 3 x 1 0 - 6 t h ec o n t e n to f xi s5 0 x 1 0 由w i t h t h er a t eo f3 0 0r t m s b u tt h el o wf i e l dr e s p o n s ei sf a s t , r e a c h e dt ot h em a x i m u mi n5 0 k a m k e yw o r d s ：f e g aa l l o y ；m a g n e t o s t r i c t i o n ；d i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o n ；p h a s em i c r o s t r u c t u r e i i 硕士学位论文 插图索引 图1 1 磁致伸缩机理2 图1 2 自发形变示意图3 图1 3f e g a 二元合金相图8 图1 4a 2 、b 2 、d 0 3 、l 1 2 、d 0 1 9 和b 2 1 i k e 相晶体结构图8 图1 5 不同热处理工艺f e g a 合金磁致伸缩应变与磁场的关系。1 0 图2 1 电弧熔炼浇铸示意图一1 6 图2 2f e c r a 母合金棒宏观照片1 6 图2 3 高真空区熔定向凝固设备简图1 7 图2 4x 射线衍射仪基本结构图18 图2 5 磁致伸缩测量仪基本结构方框图。19 图2 6 试样磁致伸缩测量示意图。1 9 图3 1 铸态合金的x r d 图2 1 图3 2 合金金相图2 2 图3 3 不同c j a 含量f e g a 合金的磁致伸缩曲线2 3 图4 1 不同定向凝固速度下f e 8 3 g a l 7 合金的x r d 图谱2 8 图4 2 不同定向凝固速度下f e 8 l g a l 9 合金的x r d 图谱3 0 图4 3 不同定向凝固速度下f e 7 9 g a 2 l 合金的x r d 图谱3 2 图4 4 定向凝固速率为3 0 0t m s 的f e s 3 g a l 7 合金金相图3 3 图4 5 定向凝固速率为2 0 0t u n s 的f e s 3 g a l 7 合金金相图3 3 图4 6 定向凝固速率为1 0 0t m , 2 s 的f e s 3 g a l 7 合金金相图。3 3 图4 7 定向凝固速率为5 0 印以的f e s 3 g a l 7 合金金相图3 4 图4 8 定向凝固速率为1 0t u n s 的f e s 3 g a l 7 合金金相图3 4 图4 9 定向凝固速率为5 “i n s 的f e s 3 g a l 7 合金金相图3 4 图4 1 0 定向凝固速率为3 0 0 肛以的f e s l g a l 9 合金金相图3 5 图4 1 1 定向凝固速率为2 0 0 印以的f e s l g a l 9 合金金相图3 6 图4 1 2 定向凝固速率为1 0 0 肛以的f e s l g a l 9 合金金相图3 6 图4 1 3 定向凝固速率为5 0t u n s 的f e s l g a l 9 合金金相图3 6 图4 1 4 定向凝固速率为3 0t u 驯 s 的f e s i g a l 9 合金金相图3 7 图4 1 5 定向凝固速率为2 0t u n s 的f e s l g a l 9 合金金相图3 7 图4 1 6 定向凝固速率为1 0 岫以的f e s l g a l 9 合金金相图3 7 图4 1 7 定向凝固速率为5 凹以的f e s l g a l 9 合金金相图3 8 图4 1 8 定向凝固速率为3 0 0t u n s 的f e 7 9 g a 2 1 合金金相图小3 9 图4 1 9 定向凝固速率为5 t r a y s 的f e 7 9 g a 2 l 合金金相图一3 9 图4 2 0 不同定向凝固速度下f e 8 3 g a l 7 合金的磁致伸缩曲线4 0 i i i 磁致伸缩材料f e g a 合金定向凝同的研究 图4 2 1 不同定向凝固速度下f e 8 l g a l 9 合金的磁致伸缩曲线4 2 图4 2 2 不同定向凝固速度下f e 7 9 g a 2 l 合金的磁致伸缩曲线4 3 图5 1 不同定向凝固速度下f e 8 3 g a l s a 2 合金的x r d 图谱4 6 图5 2f e g a - a 1 合金三元系相图4 6 图5 3 定向凝固速率v = 3 0 0t u n s 的f e 8 3 g a l s a l 2 合金金相图4 7 图5 4 定向凝固速率v = 2 0 0 岬以的f e s 3 g a l 5 a 1 2 合金金相图4 7 图5 5 定向凝固速率v = 1 0 0t m 】s 的f e s 3 g a l 5 a 1 2 合金金相图4 7 图5 6 定向凝固速率v = 5 0t u n s 的f e s 3 g a l 5 a 1 2 合金金相图4 8 图5 7 定向凝固速率v = 1 0t u n s 的f e s 3 g a l 5 a 1 2 合金金相图4 8 图5 8 定向凝固速率v = 5t u n s 的f e s 3 g a l 5 a 1 2 合金金相图4 8 图5 9 不同定向凝固速率下f e 8 3 g a l 5 a 1 2 合金的磁致伸缩曲线4 9 图5 1 0 吹铸f e s 3 g a l 5 a 1 2 合金的轴向、径向磁致伸缩值性能伸缩曲线5 1 i v 硕士学位论文 ,。i i i 皇曼皇曼曼曼窖鼻 附表索引 表3 1 不同成分f e g a 合金的晶格常数2 1 表4 1f e g a 合金区熔定向凝固实验方案设计2 7 表4 2 不同速率下f e s 3 g a l 7 合金的i ( 2 0 0 ) ( 1 1 0 ) 与i ( 2 1 1 ) ( 1 1 0 ) 1 = 匕值。2 9 表4 3 不同速率下f e s l g a l 9 合金的i ( 2 0 0 ) ( 1 1 0 ) 与i ( 2 1 1 ) ( 1 1 0 ) 1 七值3 1 v 硕士学位论文 第1 章绪论 材料是人类社会发展的物质基础，随着磁学理论的发展和生产技术的进步， 磁性材料已成为国民经济和人类社会重要的基础材料。工业上各种变压器的铁 芯、发电机定子和转子的主体、雷达中产生微波的磁控管里的永磁体、人造卫星 上探测星际磁场的磁强计的探头等都是由磁性材料制成的，也可以这样说，没有 磁性材料就没有现代工业技术。随着电子技术、计算机技术和材料制各水平的不 断提高，磁性材料的应用领域迅速扩大，传统的磁性材料的性能不断提高；同时， 新型磁性材料的不断出现，对信息、能源、交通、航空等产业的发展产生了巨大 的促进作用，新型磁性材料的研究在国际上一直都十分活跃，最近几十年，磁致 伸缩材料，铁磁性形状记忆合金以及具有各种新型性能的磁性材料逐渐成为人们 研究的热点。 1 1 磁致伸缩效应及理论基础 磁性材料在磁场中被磁化时，其长度和体积都会发生变化，这种现象称为磁 致伸缩或磁致伸缩效应( m a g n e t o s t r i c t i v ee f f e c t ) ，这种现象是1 8 4 2 年由j o u l e 发现 的，故亦称为j o u l e 效应【l 】，磁致伸缩有三种表现：沿着外磁场方向长度的相对变 化称为纵向磁致伸缩，垂直外磁场方向的长度的相对变化称为横向磁致伸缩；磁 性材料在磁场下的体积的相对变化，称为体积磁致伸缩。纵向和横向磁致伸缩统 称为线磁致伸缩用九表示，护l 】l o ，其中k 为铁磁体的长度，l 为铁磁体长度上 l o 方向的伸长量；体积磁致伸缩用w 表示，w = a v v ，其中v 为铁磁体的原始的体 积，v 为磁化后的铁磁体的体积变化量。维拉里( e v i l l a r i ) 发现了磁致伸缩的逆 效应，即当铁磁体受到压应力或拉应力的作用时将会引起材料的磁场发生变化的 现象。磁致伸缩的逆效应也被统称为铁磁体的压磁效应，这也表明了铁磁体的形 变与磁化存在着密切的联系。由于磁致伸缩效应，使得具有此特性的材料在磁场 作用下长度发生改变，即通过位移来做功；在交变磁场的作用下，通过反复伸长 与缩短，可以引起振动或产生声波：同时，此类材料可将电磁能转换成机械能或 声能，也可以将机械能转换成电磁能。因此，磁致伸缩材料是重要的能量与信息 转换的功能材料。 在居里温度( t c ) 以下，由于直接或间接交换作用，磁性材料内部发生自发磁 化，形成大量的磁畴，在每个磁畴内，晶格都发生形变，其磁化强度的方向是自 发形变的一个主轴，未加磁场时，磁畴的磁化方向是随机的，并不显示宏观效应。 磁致伸缩材料f e g a 合金定向凝同的研究 而在外磁场的作用下，大量的磁畴的磁化方向继而转向外磁场方向，结果使材料 沿外磁场方向发生形变，从而产生磁致伸缩效应。如图1 1 中的模型描述了磁致 伸缩产生的机理_ 1 2 1 。 t c 以上 r h = o t c 以下 乏帆= or 0t 瓦盖 o 图1 2 自发形变示意图 f i g1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fs p o n t a n e o u sd e f o r m a t i o n 从交换作用与原子距离的关系说明自发磁致伸缩、交换积分j 与晶格原子结 构“的关系是符合s l a t e r - b e t h e 曲线，( 其中d 是邻近原子间的距离，r n 为原子中未 满壳层的半径) ，随着d r n 逐渐增大，交换积分j 的变化趋势是先增大后减小。如 果铁磁体交换积分与讹的关系是处于曲线的上升阶段时，当晶体从顺磁状态转 变为铁磁状态时，则交换积分相应的增大，且交换积分愈大则交换能愈小。系统 在变化过程中总是趋向于交换能变小，所以当球形晶体从顺磁状态转变为铁磁状 态，原子间的距离变大，使得晶体尺寸增大。如果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转变为铁磁状态，原子间距离变 小，这时就会发生材料尺寸上的收缩。 ( 2 ) 场致磁致伸缩 铁磁或亚铁磁材料，当在居里温度以下时，自发磁化在材料的内部形成大量 磁畴，假设磁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。线性磁致伸缩与磁化过程密切相关，目前，认为引 起线性磁致伸缩的原因是轨道耦合和自旋一轨道耦合相叠加的结果，晶场与自旋 3 磁致伸缩材料f e g a 合金定向凝同的研究 一轨道耦合效应主要是各向异性的。在外磁场的作用下，多畴磁体的磁畴发生畴 壁移动和磁畴转动，结果导致磁体尺寸发生变化。 ( 3 ) 形状效应 假设有一个球形的单畴，想象其内部不存在交换作用和自旋一轨道耦合作 用，而只有退磁能( 1 2 删儿为了降低退磁能，样品的体积要缩小，且在磁化 方向要伸长以减小退磁因子n ，这就是形状效应，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 在稀土与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 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 c a 子的 轨道磁矩，所以轨道与自旋一耦合作用比稀土离子和晶格场的作用要大l 2 个数 量级。稀土离子的4 f 甘0 , 子轨道具有强烈的各向异性，当产生自发磁化时，由于轨 道与自旋耦合作用，4 f 电子云在某些特定方向上的能量达到最低，这就是晶体 的易磁化方向。大量稀土离子的“刚性 4 鼽道就被“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 2 磁致伸缩材料简介 1 2 1 磁致伸缩材料的发展 1 8 4 2 年焦耳( j p j o u l e ) 首先发现铁磁致伸缩现象【l 】。1 9 6 3 年，l e g v o l d t 9 。1 l 】等 人发现稀土金属铽( t b ) 和镝( d y ) 在低温下的磁致伸缩是传统磁致伸缩材料的 1 0 0 - - 1 0 0 0 倍，研究发现稀土金属的居里温度低于室温，即在室温下不能得到应 用。1 9 6 9 年，c a l l e n 根据过渡金属电子云的特征，提出稀土与过渡金属形成的 化合物具有较高的居里温度。1 9 7 1 年，c l a r k 1 2 】发现t b f e 2 、d y f e 2 等二元稀土铁 合金在室温和低磁场下有很大的磁致伸缩系数，且居里温度较高：然而其磁晶各 向异性过大，磁晶各向异性常数k l 和k 2 的绝对值都在1 0 6 j m 3 的数量级，磁化 时要达到较大的磁致伸缩，所需要的外磁场也相当的高。1 9 7 2 年，c l a r k 等提出 用磁致伸缩符号相同，磁晶各向性符号相反的稀土元素与铁形成三元化合物 t b o - 2 d y o 7 3 f e 2 ，可获得既具有大的磁致伸缩，又具有低的磁晶各向异性的材料。 在我国发展的牌号为t d f l l 0 的t b d y f e 合金，是 1 1 0 轴向取向的材料1 1 3 1 4 】， 4 硕士学位论文 具有良好的低场磁致伸缩效应，在磁化场为4 0 k a m 时，九n o = 9 5 0 x 1 0 - 6 。随后， 美国和日本等一些公司对三元稀土铁合金进行了大量的研究，采用不同工艺和配 比制备了具有各种规格的超磁致伸缩材料。 目前，关于稀土超磁致伸缩材料的研究主要集中在两个方面：一是针对磁性 能，考察不同的合金及替代元素对磁致伸缩的磁性能的影响，进而改善磁致伸缩 性能【1 5 ，l6 】；二是旨在探索制备方法和加工工艺，通过改变定向凝固条件以控制 材料的取向度，通过热处理消除应力，通过改变晶界的组织形状提高晶体的完整 性【1 7 】。相比较而言，传统的磁致伸缩材料虽具有居里温度高和机械性能好的优 点，但是磁致伸缩系数较低。同时，以t e r f e n 0 1 d 为代表的超磁致伸缩材料虽然 具有磁致伸缩系数大等优良磁性能，但其缺点也不容忽视：原材料的成本较高， 材料的抗拉伸能力较弱，质地很脆，晶体还不能完全做至u 取向，稀土超磁 致伸缩材料的这些缺点在很大程度上限制了其应用。 在2 0 0 0 年，美国的q l r n s 艘1 8 】等人基于f e 舢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 - a i 合金中的址，发现f e q c 元合金具有 比f e - a 1 合金要高得多的磁致伸缩值，这引起了人们极大的关注【1 9 1 。同第一、二 类磁致伸缩材料相比，该类合金有较高的九值，强度高，脆性小，可以热轧，饱 和磁场低，磁导率高，适用于强震动，冲击和腐蚀强等的恶劣条件。由于其价格 为t b - d y f e 的1 3 ，有望迅速进入市场，是很有希望的一类新型超磁致伸缩材料。 1 2 2 磁致伸缩材料的分类 磁致伸缩材料作为一类极具实用价值的功能材料，人们一直以来就想利用其 特殊的磁致伸缩效应来制造功能器件与设备，目前研究和发展的磁致伸缩材料大 致上有以下五大类 2 0 1 ： 第一类：具有局域电子特征的过渡金属与合金体系：如镍基合金( 1 岍，n i c o ， n i c o c r ) 和铁基合金( 如f e - n i ，f e 舢，f e c o v 等) 。 第二类：具有局域电子特征和大的晶场的铁氧体体系，如n i c o 铁氧体， n i c o c u 铁氧体材料等。 第三类：具有局域电子特征和大的自旋一轨道耦合特征的稀土金属、合金和 化合物体系：以t